Dr. Arnold Chemie-Beratung

Planung - Beratung - Information ♦ Dienstleistung rund um die Chemie

  • Kontakt
  • Impressum
  • Datenschutzerklärung
  • Sitemap
  • Home
  • Angebot
    • Chemieberatung für die Finanzbranche und Unternehmensberater
      • Bewertung chemischer Unternehmen
      • Marktüberblick – Zusammenstellung der Grundlagen des Glycerinmarktes
      • Naturzeolithe: Abbauen oder liegenlassen?
      • Prüfung von Erfindungsmeldungen
      • Vermarktungsperspektiven für Produkte aus Erfindungen
      • Vertriebsstrategie für ein Bündel von Kuppelprodukten
      • Was kostet eine Tonne? Abschätzung der Produktionskosten beim Scale-Up einer Synthese
    • Chemieberatung für Einkäufer
      • Identifikation eines umetikettierten Adsorbens
      • Lieferantenrecherchen
      • Wareneingangskontrolle von Zeolithen
    • Chemieberatung für Planer, Anlagenbauer und -betreiber
      • Auslegung von Adsorbern
      • Beschaffung von Stoffdaten
      • Biotricklingfilter mit Tensidzusatz
      • Entfärbung von Abwasser
      • Funktionelle Materialien finden
      • Identifikation und Charakterisierung von Zeolithen
      • Oxidationswäscher für Styrol: Eine Betrachtung der Machbarkeit
      • Scale-Up einer organischen Aufarbeitungsstufe
      • Sourcing von Labordienstleistungen
      • Technische Recherchen, Fachinformationen
      • Vorarbeit für eine Technikumsplanung
    • Werbeagenturen und Verlage
      • Fachtexte und wissenschaftliches Lektorat
      • Wissenschaftliche Abbildungen
  • Chemieberatung
    • Über mich
    • Kooperationen und Mitgliedschaften
    • Auszug aus der Referenzliste
    • Kundenmeinungen – Auszüge aus Referenzschreiben im Originalwortlaut
    • Leistungsverzeichnis und Preise
    • FAQ – einige häufig gestellte Fragen
  • Zeolithe
    • Was sind Zeolithe? Die Grundlagen
    • Anwendung von Zeolithen
    • Einfluss von Temperatur, Adsorbens und Feuchtigkeit auf das Adsorptionsverhalten
    • Desorption: Die Grundlagen
    • Desorption: Beispiele
    • Durchführung und Interpretation der Adsorptionsmessungen
    • Die Isothermen – grafische Darstellung der Ergebnisse
  • Blog
  • English
    • Waste Gas Purification Concepts
    • Case Study I: Styrene Emissions
    • Case Study II: Smoothing Filter
    • Case Study III: Combustion Retrofit
    • Case study IV: Oxidative Scrubbers
    • Case Study V: Natural Zeolites
    • Case Study VI: Autoignition
Startseite » Analysieren - messen - regeln » Inline-VOC-Messung Teil 2: HC-Sensoren und der FID

Inline-VOC-Messung Teil 2: HC-Sensoren und der FID

31. Januar 2009 Claudia Arnold Kommentar verfassen

HC-Sensoren

Im Namen dieser Sensoren stecken die Symbole für Kohlenstoff und Wasserstoff, H und C. Sie dienen zur Bestimmung von (richtig!) Kohlenwasserstoffen in Gasen, z. B. als Magergemisch-Steuersensoren in Verbrennungsmaschinen. In Fachartikeln und Produktbeschreibungen werden manchmal Sensoren mit anderen Messprinzipien als HC-Sensoren bezeichnet (z. B. IR- oder Wärmetönungssensoren), hier ist jedoch ein Festelektrolytsensor gemeint.

Vereinfacht gesagt basiert das Messprinzip auf einer Oxidation der zu bestimmenden Kohlenwasserstoffe an einem beheizten Oxidsensor aus katalytisch aktivem Material. Durch die Umsetzung unter Sauerstoffverbrauch verschieben sich die Sauerstoffpotenziale auf den beiden Seiten des Sensors gegeneinander und werden mit Elektroden abgegriffen. Dass die Wirklichkeit etwas komplizierter ist, zeigt z. B. dieser Buchauszug, wo ein solcher Sensor für den Einsatz im KFZ-Bereich abgebildet ist.

HC-Sensoren für die Abgaskontrolle in Kraftfahrzeugen

Diese Publikation des Kurt-Schwabe-Instituts für Mess- und Sensortechnik e. V. zeigt in Bild 2 die Signalstärke in Abhängigkeit von der Konzentration der Analyten. Dort kann man ziemlich einfach die Einschränkung dieser Messmethode erkennen:

Das Messignal ist abhängig von der Natur des Analyten und nicht proportional dem stöchiometrischen Sauerstoffbedarf. Betrachten Sie die Kurvenverläufe für C3H6 (Propylen) und C3H8 (Propan). Wäre die Umsetzung vollständig, könnte man erwarten, dass Propan, zu dessen Oxidation schließlich mehr Sauerstoff verbraucht wird, bei gleicher Volumenkonzentration (also gleicher Zahl an Molekülen pro Gasvolumen) ein stärkeres Messsignal erzeugt als Propylen. Dies ist aber nur ab 0,5 Vol.-% der Fall – bei niedrigeren Konzentrationen gibt Propylen das stärkere Signal. Aus ist der Sprung zwischen CH4 (Methan) zu C3H8 (Propan) deutlich größer als der Sprung zu C7H8.

Besondere Bauformen der HC-Sensoren halten den rauhen Bedingungen im Abgasstrom von Fahrzeugen stand. Unter den dort gegebenen Bedingungen lässt sich das Summensignal, das der Sensor liefert, gut auswerten, um etwa die Funktion des Katalysators zu überwachen.

Theoretisch ließe sich der HC-Sensor auch in anderen Bereichen einsetzen, wo etwa nur ein Analyt oder eine feste Kombination von Analyten vorkommt, jedoch gibt es für diese Zwecke meistens einfachere Analysatoren, etwa den PID (siehe Teil 1). Entsprechend ist Literatur für diesen Sensortyp überraschend rar – das meiste findet sich in Patentschriften wieder.

Der FID

Die Funktionsweise eines Flammenionisationsdetektors kann man gut auf der folgenden Abbildung (von der Website der Universität Sheffield) erkennen:

[…]

In dieser Abbildung erhält der Detektor die Probe aus einer GC-Säule („Column“), es kann aber auch normale Umgebungsluft sein.Die Probe wird mit Wasserstoff vermischt (im Fall der Anwendung als GC-Detektor auch mit synthetischer Luft, die als Trägergas dient) und angezündet. Die Knallgasflamme ionisiert die organischen Moleküle, welche durch sie passieren, und verändert dadurch ihre Leitfähigkeit. Dies wird mittels einer die Flamme umgebenden Gitterelektrode gemessen.

Auch der FID liefert ein Summensignal, die Aufteilung des Signals in einzelne Analyten ist nicht möglich.

Der Responsefaktor

Der FID produziert ein Signal, welches über weite Konzentrationsbereiche hinweg (fast) linear abhängig ist vom Kohlenstoffgehalt der Probe. Das Verhältnis zwischen der FID-Anzeige Ax für einen einzelnen Stoff x und der Konzentration Cx dieses Stoffes bezeichnet man als Responsefaktor fx:

fx = Ax/Cx

Man muss die Anzeige durch den Responsefaktor dividieren, um den tatsächlichen Gehalt in der Gasphase zu erhalten. Aus einer Präsentation der Uni Stuttgart habe ich die folgenden Responsefaktoren entnommen und nachgerechnet, wie weit die Signalstärke tatsächlich dem Kohlenstoffgehalt entspricht. Die gemessenen Responsefaktoren sind auf Propan normiert, d. h. alle Stoffe werden als Propan behandelt, oder, anders ausgedrückt, bei Propan stimmt die Ausgabe mit der tatsächlichen Konzentration überein. Die rechnerischen Responsefaktoren wurden bestimmt, indem der Kohlenstoffgehalt des Moleküls als Propan ausgedrückt wurde (so, als würde im FID nur die Kohlenstoffmasse zählen).

Tabelle gemessener und rechnerischer Responsefaktoren
Aus der Tabelle geht hervor, dass die meisten Kohlenstoff-Wasserstoff-Verbindungen tatsächlich nicht mehr als 10% von ihrem rechnerisch zu erwartenden Wert abweichen. Ganz anders diejenigen Verbindungen, die Heteroatome, hier Sauerstoff und Wasserstoff, enthalten: Bei diesen würde man sich, wenn man nur den Kohlenstoffgehalt zugrundelegte, ziemlich gründlich nach oben verschätzen und sollte also zumindest gemessene Responsefaktoren benutzen, wenn man nicht kalibiriert.

Vor- und Nachteile

Auf manche kohlenstoffhaltigen Verbindungen spricht der FID also schlecht oder gar nicht an (weitere Beispiele: CO, CO2, CCl4, CS2, Ameisensäure H2CO2), aber insgesamt gesehen ist der FID ein extrem vielseitiger Detektor mit gut quantifizierbaren Resultaten, insbesondere für seine Nachweisgrenze, die (stoffabhängig) um 1 ng liegt.

Die Nachteile sind der relativ hohe Preis dieser Anlagen und die Abhängigkeit von der Gasversorgung. Ein mobiler FID hat zumindest die Größe eines Schuhkartons und eine Gasflasche im Gepäck. (Ein tatsächlich tragbares Gerät mit eingebautem Wasserstofftank bietet die Ansyco GmbH an.) Die Probe muss gefiltert werden, was meist mit einem im Probenansaugrohr angebrachten Filter geschieht.

Aerosole, hier tröpchenförmig kondensierte organische Verbindungen, verdampfen nicht unbedingt in der Flamme (denken Sie an den Wassertropfen auf der Herdplatte), sondern passieren diese, ohne ein Signal zu erzeugen, das der Substanzmenge proportional wäre. Ich habe selbst Fälle erlebt, wo eine FID-Messung direkt in der Abluft Werte von ~ 400 mg/m³ ergab, wobei aus anderen Messungen bekannt war, dass die Beladung bei 2 – 3 g/m³ lag. (Später musste der Filter ersetzt werden, weil die Aerosole, die sich darin festgesetzt hatten, ständig etwas verdampften und für ein Signal im FID sorgten.) Die Zuleitung muss auf 190 °C geheizt werden, damit sich schwerer flüchtige organische Verbindungen nicht in der Leitung absetzen.

Links

  • Darstellung des Versuchsaufbaus einschließlich der Peripherie auf den Seiten eines Herstellers für Messtechnik
  • Marktübersicht auf Chemie.de

Interessant? Beitrag teilen:

Share on X (Twitter)Share on FacebookShare on LinkedInShare on Email

Analysieren - messen - regeln, Blog Analytik, Sensoren

Schreibe einen Kommentar Antworten abbrechen

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert

Wer und Warum

Dieser Blog von Dr. Claudia Arnold ist die Fortführung des Newsletters "Chemie und Verfahrenstechnik im Web", ISSN 1613-2513.
Die häufigsten Themen sind Zeolithe und ihre verschiedenen Anwendungen, Chemie insbesondere in der Abluft und (mehr oder weniger) brauchbare Tools und Datenquellen aus dem Internet - wenn ich nicht einfach meine stets qualifizierte Meinung von mir gebe.

Themen:

Versäumen Sie nichts

Möchten Sie informiert werden, wenn neue Blogbeiträge erscheinen? Dann folgen Sie mir auf Twitter, oder abonnieren Sie den RSS-Feed.

Möchten Sie noch etwas wissen? Fragen Sie mich!

Dr. Arnold Chemie-Beratung
Dr. biol. hum. Dipl. Chem. Claudia Arnold
Freiberufliche Chemikerin
Hinterm Ließ 13
88481 Balzheim

Telefon: +49 - (0) 73 47 - 920 233
Fax: +49 - (0)7347 - 920 597
Mobil: +49 - (0)175 - 928 12 91
E-Mail: ca@arnold-chemie.de

Kontaktformular

Datenschutzerklärung

Aus dem Blog

Zeolith-FAQ

Es gibt einige Fragen, die mir immer wieder gestellt werden. Anlass genug, ein paar davon (in … [Weiterlesen...]

Druckverlust in Schüttungen, Teil 1: Formen von Zeolithpellets

Das obenstehende Bild stammt von meiner Website. Zu sehen sind diverse Zeolithe 3A in verschiedenen … [Weiterlesen...]

Mehr Beiträge aus dieser Kategorie?

Außerdem im Netz:

  • LinkedIn
  • Pinterest: Die poröse Galerie
  • Twitter

Copyright © 2025 - arnold-chemie.de | Impressum

Urheberrecht © 2025 · Equilibre am Genesis Framework · WordPress · Anmelden