Газовая смесь — это смесь нескольких газов, инертных по отношению друг к другу. Типичной газовой смесью является, например, воздух, который состоит из азота, кислорода, диоксида углерода и паров воды, а также природный газ, состоящий их предельных и непредельных углеводородов, водорода, сероводорода, азота, кислорода, диоксида углерода и др.. Все компоненты газовых смесей (ГС) находятся в одинаковом агрегатном состоянии, таким образом, ГС — это гомогенные, физически однородные химические системы, компоненты которых не реагирует между собой. Очевидно, что спектр применения газовых смесей в производстве и быту чрезвычайно широк (химическая и пищевая промышленность, автомобилестроение, медицина), особенный же интерес представляет их применение в аналитической химии в качестве поверочных смесей и в сварочной промышленности. В данной статье разберёмся, какие методы производства газовых смесей существуют.
Для метрологической поверки, калибровки и градуировки газоаналитического оборудования, газовых хроматографов, в различных технологических процессах используются специально приготовленные поверочные газовые смеси. Такие смеси могут быть серосодержащими, бинарными: азот + аргон, азот + кислород, — имитаторами природного газа и другими. Одно из важнейших преимуществ искусственно приготовленных смесей инертных газов — это создание защитной среды, что позволяет внедрить их в пищевую промышленность для создания герметичных упаковок. Инертные газовые среды способны обеспечивать длительное хранение продуктов без потери их качества, чего нельзя сказать про хранения под вакуумом. Также в осветительных системах применяют ГС на основе аргона, криптона, ксенона для увеличения мощности срока службы ламп накаливания. Применение газовых смесей в сварке обусловлено высокой стоимостью отдельных компонентов — аргона и гелия. Компоненты такой смеси подразделяют на инертные (гелий, аргон) и активные (азот, кислород, водород, диоксид углерода). Подобные газовые смеси применяют, к примеру, в сварке вольфрамовым электродом, сварке в активных газах, сварке в инертных газах, плазменной и лазерной сварке и резке и дуговой пайкосварке. Стоит упомянуть, что кислород в смеси с инертными газами применяется в медицине. Так, кислородно-гелиевая смесь используется при лечении дыхательной недостаточности. Также газовые смеси широко применяются в плазменных процессах нанесения покрытий. Области применения инертных газовых смесей схематично отображены на рисунке 1.
Методы изготовления ГС подразделяются на статические и динамические. Подробная классификация методов получения градуировочных ГС представлена на рисунке 2.
Статические методы характеризуются простотой аппаратуры и используются для получения небольших объемов стандартных газовых смесей. ГС с заданной концентрацией приготавливают посредством введения навески или объема летучего вещества в контейнер известного объема. Недостаток статических методов — большое число источников случайных и систематических погрешностей. Этого недостатка лишены динамические методы, основанные на вводе непрерывного потока веществ в смеситель (камеру, трубку). Разнообразие динамических методов позволяет выбрать наиболее подходящий метод получения стандартных ГС для конкретной цели. Данные методы особенно ценны в приготовлении смесей соединений, когда их длительное хранение невозможно. В настоящий момент также разработаны различные способы и устройства, основанные на динамическом методе, при этом наиболее часто используемыми динамическими методами являются: методы смешения/разбавления, диффузионные методы, мембранные методы, методы термического разложения привитой фазы, полибарботажные методы.
Также большую популярность сыскали гравиметрические методы с динамическим разбавлением потока, что объясняется высокой надежностью поддержания состава получаемой смеси, но эти методы ограничивается сложностью аппаратурного оформления устройств дозирования и разбавления. Суть метода заключается в том, что в баллон для приготовления продукта добавляют чистые газы или их смеси. Количество вещества определяется взвешиванием баллона до добавления в него газов и после. Рассмотрим динамические диффузионно-мембранные методы, гравиметрический и манометрический подробнее.
Диффузионно-мембранные методы основаны на прохождении одного или нескольких компонентов газовой смеси через мембрану, что обусловлено градиентами концентрации, а также давления, электрического потенциала или комбинацией нескольких факторов. Говоря простым языком, более лёгкие газы диффундируют через непористую (применяют для углеводородов) или пористую перегородку быстрее и обогащают собою смесь, а концентрат (задержанная фаза) обогащается компонентом с большей молекулярном массой. Для получения многокомпонентных ГС динамическими методами применяются смесительные устройства. Расход газа определяется свойствами вещества и давлением. Устройство для динамического приготовления ГС включает в себя участок дозирования компонентов, на котором поддерживается стабильное давление при помощи редукторов. Для выравнивания температур перед дозирующими элементами имеется стабилизатор температуры. Собственно мембрана описывается двумя параметрами по отношению к компонентам газовой смеси: проницаемость и селективность. Проницаемость определяет ее производительность по компоненту, селективность – разделительную способность.
Гравиметрический метод получения (от лат. «gravitas» - вес), относящийся к статистическим, а именно смешение газов в баллонах, обеспечивает хорошее качество готовой смеси газов. Но из-за периодичного характера процессов наполнения, перемешивания и анализа состава этой операции характерна малая производительность. Для повышения точности применяют процедуру многократного разбавления. Метод нескольких последовательных разбавлений важен при низких концентрациях определяемых компонентов (менее 1 %). При использования высокоточных весов и чистых исходных компонентов массовый метод позволяет обеспечить точность состава ГС 0.5 %.
Манометрический способ, схожий с гравиметрическим, основывается на контроле давления в смесительной камер. В камеру последовательно вводят газообразные компоненты. Чтобы уменьшить сжимаемость газов давление процесса ограничивается несколькими атмосферами. Готовую смесь перекачивают из смесителя в баллон и повторяют процесс до нужного количества ГС в баллоне. При достаточном имеющемся давлении исходных компонентов есть возможность получать целевые вещества непосредственно в продукционном баллоне. Такой способ хорош для смесей, которые образованны из нескольких чистых газов, если концентрация отдельных компонентов ≥ 1 %. Сначала, как и в гравиметрическом методе, определяют массу каждого компонента. Далее рассчитывают давления компонентов, при которых манометрическим методом обеспечивается заданная концентрация.
Газовые смеси, широко применяемые в аналитической химии (например, поверочные газовые смеси для калибровки газоаналитического оборудования), производятся статистическими, из которых наиболее надёжным и распространённым является гравиметрический, и динамическими методами: диффузионным, мембранным и другими.
В компании "Хогаз" вы можете приобрести поверочные газовые смеси, моногазы, сварочное оборудование, соединения редких и редкоземельных металлов и др. сопутствующие товары.
Оформить заказ можно через сайты hogas.ru и hogas.su, а также через магазины на Авито, OZON, Wildberries и Яндекс.Маркете.