Benzen là một hóa chất có khối lượng sản xuất lớn, được sử dụng để sản xuất các hóa chất khác, chất dẻo, chất bôi trơn, thuốc nhuộm, chất tẩy rửa, thuốc trừ sâu… Như đã trình bày ở bài viết ‘Phơi nhiễm Benzen và Phương pháp giám sát Benzen và các khí VOC tại hiện trường’, benzen có khả năng gây độc khi phơi nhiễm theo đường hô hấp và tiêu hóa, thậm chí có thể gây tử vong.
Benzen cũng là một chất gây ung thư ở người và gây độc cho hệ thần kinh, gan và thận ở nồng độ cao. Người phơi nhiễm với benzen có xác suất phát sinh bệnh bạch cầu cao hơn, ngay khi hít phải ở nồng độ thấp. Không chỉ công nhân của các cơ sở sản xuất sử dụng hợp chất chứa benzen mà cả những người dân sống gần đó cũng nằm trong nhóm nguy cơ. Vì vậy, việc giám sát nồng độ benzen trong không khí tại nơi làm việc yêu cầu một thiết bị có giới hạn phát hiện thấp, tính di động cao, tính chọn lọc cao và tốc độ phản hồi nhanh.
1. Phép Đo Quang Phổ Hấp Thụ Nguyên Tử Vi Sai Với Hiệu Ứng Zeeman
Benzen có dải hấp thụ mạnh trong khoảng bước sóng 227.0 – 267.0 nm với cấu trúc dao động quay được phân giải một phần. Vì vậy, phương pháp đo phổ hấp thụ vi sai sử dụng hiệu ứng Zeeman trực tiếp có thể áp dụng để xác định benzen trong không khí. Với phương pháp này, nguồn bức xạ phải chứa một nguyên tố có vạch phổ phát xạ nằm gần peak cục bộ của dải hấp thụ benzen. Nguồn bức xạ được đặt trong từ trường và bức xạ được phát hiện theo chiều dọc hoặc ngang qua các đường sức từ (tương tự là cấu hình dọc hoặc ngang của hiệu ứng Zeeman).
Trong trường hợp cấu hình theo chiều dọc, chỉ các thành phần σ của vạch phát xạ đã chọn được phát hiện. Từ trường được điều chỉnh sao cho vị trí của một trong các thành phần trùng với đỉnh cục bộ của đường dao động của quá trình chuyển đổi điện tử và thành phần σ thứ hai xảy ra bên ngoài đỉnh. Trong trường hợp này, một trong các thành phần σ đóng vai trò là vạch phân tích và vạch còn lại đóng vai trò là vạch tham chiếu.
Việc phát hiện luân phiên cường độ của các thành phần σ cho phép đo độ hấp thụ vi sai, phát sinh từ sự hiện diện của cấu trúc rung động và quay được phân giải một phần của quá trình chuyển đổi điện tử của benzen. Hơn nữa, sự ảnh hưởng do hấp thụ nền của các phân tử lạ bị loại bỏ, vì cấu trúc dao động – quay của hầu hết các phân tử không được xử lý và chúng không tạo ra tín hiệu vi sai.
Trong trường hợp cấu hình ngang, thành phần π nằm gần đỉnh hấp thụ cục bộ, trong khi thành phần σ bị dịch chuyển và nằm bên ngoài đỉnh này. Việc phát hiện xen kẽ cường độ của các thành phần π và σ giúp đo được độ hấp thụ vi sai, phát sinh từ sự hiện diện của cấu trúc quay rung động được giải quyết một phần của quá trình chuyển đổi điện tử của benzen.
Để giảm giới hạn phát hiện benzen và đề xuất máy phân tích benzen di động, thiết kế sử dụng vạch phát xạ cộng hưởng thủy ngân có thể được nâng cấp nếu có thể áp dụng phương pháp nhất định được sử dụng trong quá trình phát triển máy phân tích thủy ngân di động.
Nguyên lý hoạt động của máy phân tích thủy ngân dựa trên việc sử dụng Phép đo phổ hấp thụ nguyên tử với hiệu ứng Zeeman trực tiếp và cấu hình dọc của từ trường. Nguồn bức xạ (đèn thủy ngân) được đặt trong từ trường vĩnh cửu H. Vạch cộng hưởng thủy ngân λ = 254 nm được tách thành ba thành phần Zeeman phân cực (lần lượt là π, σ+ và σ–).
Khi bức xạ truyền dọc theo hướng của từ trường, chỉ có bức xạ của các thành phần σ, một trong số này nằm trong biên dạng đường hấp thụ và một thành phần khác nằm bên ngoài mới đến được máy dò ảnh. Khi không có hơi benzen trong cuvet phân tích, cường độ bức xạ của cả hai thành phần σ bằng nhau. Khi các phân tử benzen xuất hiện trong tế bào, sự khác biệt giữa cường độ của các thành phần σ tăng lên khi nồng độ hơi benzen tăng lên.
Các thành phần σ được phân tách bằng bộ điều biến phân cực. Sự dịch chuyển quang phổ của các thành phần σ nhỏ hơn đáng kể so với độ rộng của các dải hấp thụ phân tử và phổ tán xạ, do đó sự hấp thụ nền bởi các thành phần cản trở không ảnh hưởng đến số đọc của máy phân tích. Một ô đa đường có chiều dài hiệu dụng khoảng 10 m được sử dụng để tăng cường độ nhạy của phân tích.
Lưu ý rằng thiết lập này giảm đáng kể nhiễu flicker và cho phép đo độ hấp thụ rất thấp 2×105 a.u., mở rộng dải đo động lên đến năm bậc độ lớn. Thứ hai, việc sử dụng nguồn bức xạ có đồng vị 198Hg làm tăng độ nhạy phép đo Hg gấp 5 lần so với việc sử dụng nguồn bức xạ đồng vị thủy ngân tự nhiên. Thứ ba, việc dùng nguồn bức xạ kích thước nhỏ (đèn mao quản) cho phép dùng tế bào đa đường (với chiều dài quang học hiệu dụng 960 µm) mà không làm giảm đáng kể cường độ bức xạ, giúp tăng đáng kể độ nhạy của phép phân tích.
2. Cấu Tạo Của Máy Quang Phổ Hấp Thụ Nguyên Tử Với Hiệu Ứng Zeeman
Trong máy quang phổ có hiệu ứng Zeeman trực tiếp và cấu hình dọc, một trong những thông số chính chi phối độ nhạy của phép phân tích là cường độ từ trường, áp dụng cho nguồn bức xạ. Phải tìm ra sự phụ thuộc của tiết diện vi sai vào cường độ từ trường. Để xác định sự phụ thuộc của các loại đèn thủy ngân đồng vị khác nhau, một hệ thống thí nghiệm đã được lắp ráp, có sơ đồ khối được mô tả trong Hình sau.
Một đèn thủy ngân không điện cực được sử dụng làm nguồn bức xạ 1 được đặt giữa các đầu cực của nam châm điện 2. Sự phóng điện được kích thích trong đèn bằng bộ phát tần số cao 3. Bức xạ được phát ra dọc theo các đường sức từ thông qua một lỗ hình trụ được tạo ra ở một trong các đầu cực. Cường độ từ trường giữa các đầu cực của nam châm điện được thay đổi bằng trình điều khiển đường dốc điện áp 4 và được đo bằng cảm biến Hall 12.
Các thành phần Zeeman σ+ và σ– được phân tách theo thời gian bằng cách sử dụng bộ điều chế phân cực, bao gồm bộ điều biến quang điện 5 hoạt động ở tần số điều chế 50 kHz, được điều khiển bởi bộ tạo dao động thạch anh 6 và bộ phân cực 7. Sau bộ điều chế phân cực, bức xạ đi qua ô phân tích 8, bộ lọc giao thoa 9 với độ truyền cực đại ở λ = 254 nm và được phát hiện bởi bộ tách sóng quang 10.
Tín hiệu từ đầu ra của bộ tách sóng quang đến bộ xử lý tín hiệu điện 11, trong đó tín hiệu được điều chế ở tần số S1 và tín hiệu dc S0 được tách ra và tín hiệu phân tích được tạo ra. Là một nguồn bức xạ, loại đèn phóng điện không điện cực đặc biệt chứa đầy các đồng vị thủy ngân khác nhau – 196Hg, 198Hg, 202Hg, 204Hg đã được sử dụng. Đèn có dạng hình trụ dài (mao quản) và có một bình chứa hình cầu ở một đầu.
Đèn được làm từ silica nóng chảy và chứa đầy thủy ngân có áp suất 0,003 Torr và khí đệm (khí hiếm) thường ở áp suất 2 Torr. Chiều dài của mao quản là 2 cm, đường kính trong là 1 mm, bán kính của ngăn chứa là 1 cm. Độ dày của các bức tường đèn là 1 mm. Đèn được vận hành nhờ trường điện từ cao tần có tần số xấp xỉ 100 MHz, được ghép điện dung từ các điện cực bên ngoài nằm ở hai đầu của mao quản.
3. Ứng Dụng Xác Định Benzen Trong Không Khí
Một thí nghiệm quá trình đo hàm lượng benzen trong không khí ở Nga đã được thực hiện. Thiết bị được đặt trong ô tô, đường nạp khí với bộ lọc cho phép benzen đi qua và hấp thụ thủy ngân được nối với đầu ra. Đường hút khí, qua đó không khí được phân tích được hút vào buồng phân tích, được nhô ra bên ngoài qua cửa sổ ô tô. Mức 0 được kiểm tra bằng cách liên tục cho không khí đi qua bộ lọc bằng than hoạt tính, bộ lọc này hấp thụ hiệu quả cả benzen và thủy ngân. Kết quả đo hàm lượng benzen trong không khí khi ô tô di chuyển dọc theo đường phố với tốc độ không đổi 20 km/h và đi qua một trạm xăng được mô tả trong Hình sau.
Như có thể thấy từ dữ liệu trong Hình, trước khi lái xe qua trạm xăng, hàm lượng benzen trong không khí không vượt quá 0,5 mg/m3. Khi lái xe đến gần trạm xăng, nồng độ benzen trong không khí tăng lên và lên tới 22 mg/m3. Khi ô tô rời khỏi cây xăng, nồng độ benzen trong không khí đã phục hồi về mức ban đầu. Sự gia tăng nồng độ benzen trong không khí như vậy có thể được giải thích là do sự bay hơi của xăng có chứa benzen.
Trên cơ sở phép đo phổ hấp thụ với hiệu ứng Zeeman trực tiếp và cấu hình dọc của từ trường, máy phân tích di động được thiết kế để xác định độ nhạy và chọn lọc hàm lượng benzen trong khí quyển và khí tự nhiên theo thời gian thực. Sử dụng nguồn bức xạ thủy ngân đồng vị và tế bào phân tích đa đường đảm bảo đạt được các giới hạn phát hiện benzen là 0,5 mg/m3 và 0,1 mg/m3 ở tín hiệu trung bình 1 giây và 30 giây tương ứng, thấp hơn Giới hạn Phơi nhiễm Nghề nghiệp là 3,2 mg/m3 được quy định đối với benzen ở Liên minh Châu Âu.
Ưu điểm của việc sử dụng nguồn sáng chứa đầy 204Hg là loại bỏ ảnh hưởng của toluene đối với việc phát hiện benzen. Hiệu ứng thủy ngân đối với kết quả đo được loại bỏ do sử dụng bộ lọc hấp thụ đặc biệt hấp thụ thủy ngân và cho benzen đi qua ống dẫn khí ở đầu vào của tế bào phân tích. Các trường hợp đo hàm lượng benzen trong không khí khí quyển được trình bày từ một chiếc ô tô đang di chuyển và trong khí tự nhiên tại một trong các mỏ khí cho thấy phạm vi sử dụng rộng rãi của máy phân tích benzen được thiết kế.
Công ty CP Thiết Bị Khoa học H2TECH – Là đơn vị cung cấp các thiết bị khoa học kỹ thuật hàng đầu tại Việt Nam. H2TECH là đối tác của nhiều trường học các viện nghiên cứu và các trung tâm thí nghiệm. Là một trong những nhà phân phối tại Việt Nam, với nhiều hãng nỗi tiếng khác nhau trên thế giới như Lumex Instruments …. Nếu bạn đang có nhu cầu về các thiết bị phân tích cho môi trường hoặc thiết bị phòng thí nghiệm khác hãy liên hệ với H2TECH để được hỗ trợ cung cấp các thiết bị với mức giá hợp lý nhất.
CÔNG TY CP THIẾT BỊ KHOA HỌC H2TECH
Chuyên cung cấp các thiết bị phòng thí nghiệm – Thiết kế phòng lab
Chúng tôi hợp tác lâu dài dựa trên uy tín, chất lượng và hỗ trợ cho khách hàng một cách tốt nhất
Hotline: 0934.07.54.59
028.2228.3019
Email: thietbi@h2tech.com.vn
salesadmin@h2tech.com.vn
Website: https://h2tech.com.vn
https://thietbihoasinh.vn
https://thietbikhoahoch2tech.com