Baca Gazında Toplam Organik Karbon (TOC) Ölçümü

Çözücü kullanılan işlemlerden kaynaklanan gaz veya buhar fazındaki baca gazında toplam organik karbon (TOC) ölçümü için, alev iyonlaşma detektörü kullanılan bir cihazın ayar ve çalıştırma işlemleriyle birlikte, bir dizi asgarî performans şartları anlatılacaktır.

 

Baca gazında toplam organik karbon (TOC) ölçümü neticesinde elde edilen sonuçlar, miligram/metreküp (mg/m³) cinsinden toplam karbon olarak ifade edilirler. Baca gazında toplam organik karbon (TOC) ölçümü sırasında kullanılan TS EN 12619 standardı “0-1000 mg/m³” arasındaki derişimlerin ölçümü için uygundur.

 

Alev iyonlaşma detektörünün (FID) ölçüm prensibi, hidrojen alevinde organik bileşiklerin yanması sonucu ortaya çıkan iyonlaşma akımının tayinine dayanmaktadır. Bu akım, yakıt gazı alevinde yanan organik bileşiklerin bağ oluşturan (düz zincir veya dallı zincirli) ve bağ eşlerinin karbon atomlarının sayısına bağlıdır. Alev iyonlaşma detektörlerinin (FID) çalışması için bir yakıt gazına ve yanma havasına ihtiyaç vardır. Alev iyonlaşma detektörlerinin (FID) en önemli faydası, organik karbon içeren bileşiklere kuvvetli bir şekilde ve inorganik yakıt gazı bileşiklerine (CO, CO₂, NO, H₂O gibi) ise daha zayıf tepki vermesidir.

 

Çok sayıda farklı toplam organik karbon (TOC) cihaz konfigürasyonları vardır. Aşağıdaki şekilde, kesiti boyunca bir doğru akımlı (d.a.) elektrik potansiyelinin uygulandığı, bir hidrojen alevinin içine beslenen baca gazının yer aldığı detektördeki çalışma prensibini göstermektedir. Baca gazının numune alma sistemine verilmesi, uygun cihazlar kullanılarak ölçülen belirli bir iyonlaşma akımının meydana gelmesine neden olmaktadır.

Tepki faktörlerini tayin etmek için tanımlanmış çalışma gazlarına ihtiyaç vardır. Bu gazlar, statik metotları (gaz toplayıcılar veya doğrudan enjeksiyon ile) veya dinamik metotları da (örneğin buhar basıncı metodu veya sıkıştırılmış gaz tüplerindeki sertifikalı deney gazları) içeren çok sayıda metotlarla üretilebilmektedir.  Numune alma cihazının ayarı, tepki faktörü 1 olarak ayarlanmış olan propan ayar (span) gazı ile yapılmalıdır.

 

Tepki faktörü, detektörün özel tasarımının ve ayarlanan çalışma koşullarının bir fonksiyonudur.

 

TOC Numune Alma Cihazı

Numune alma cihazı baca gazının özellikleri dikkate alınarak tasarımlanmalıdır. Numune alma cihazı, analizi yapılmakta olan baca gazının bileşenlerine karşı, fiziksel ve kimyasal olarak inert (Paslanmaz çelik, politetrafloroetilen (PTFE) veya polipropilenflorür genel kabul görmüş) olan bir malzemeden yapılmalıdır.

 

Numune alma cihazı, alınan baca gazı numunesinin alıkonma süresinin 1 dakikadan az olduğundan emin olunacak şekilde tasarımlanmalıdır.

 

Numune alma hattı, cihazın bozulmasına neden olacak bütün tanecikleri tutmak için ısıtılmış bir filtre sistemi (giriş tarafında) içermelidir.

 

Numune alma cihazı, numune alma hattında yoğuşmayı önleyecek şekilde imal edilmelidir. Bunun için ısıtılmış numune alma hattı veya dinamik seyreltme metotları kullanılabilir. Dinamik seyreltme metodu için uygun bir cihaz TSE CEN/TS 13649’da gösterilmektedir.

 

Isıtılmış numune alma hattı, numune alma hattı baştan sona en az 180 °C’ye kadar ısıtılmalıdır. NOT: Politetrafloroetilen (PTFE) malzemeden yapılmış numune alma hatları maksimum 200 °C sıcaklığa dayanabilmektedir.

 

Filtre sisteminin yukarısında, numune alma probunun girişine veya yakınına sıfır ve ayar (span) gazlarını uygulamak için bir girişi sahip olmalıdır. Böylece, filtre sistemi dahil olmak üzere numune alma sistemini kontrol edilecektir.

 

FID ve numune alma sistemi TS EN 15267-3’ün performans gereksinimlerine uygun olmalıdır. Aşağıdaki tablodaki kontroller en azından belirtilen sıklıkta yapılmalıdır.

Kontrol Parametresi	Minimum Sıklık	Koşul
Tepki Süresi	Her ölçüm serisi için bir kez	≤ 200 s
1Sıfır noktasında tekrarlanabilirlik standart sapması	Yılda 1 kez	≤ %2
2Span noktasında tekrarlanabilirlik standart sapması	Yılda 1 kez	≤ %2
3Doğrusallık Kontrolü	Yılda 1 kez ve onarımdan sonra	≤ %2
4Oksijenin etkisi	Yılda en az bir kez ve onarımdan sonra (üretici tarafından yapılabilir)	≤ %2
Diğer girişim kontrolleri	Yılda en az bir kez ve onarımdan sonra (üretici tarafından yapılabilir)	≤ %2
Tepki faktörü belirlenmesi	Üreticinin belirttiği şekilde ve tek bileşik ölçüm görevleri ile ilgilidir.
Örnekleme sistemi kontrolü	Her ölçüm serisi için bir kez	< %2
Kaçak kontrolü	Her ölçüm serisi için bir kez	< %2
Sıfır Sapması	Ölçüm periyodunun başında ve sonunda ve günde en az bir kez	< %5
Span Sapması	Ölçüm periyodunun başında ve sonunda ve günde en az bir kez	< %5
Analizörün düzenli bakımı	Üretici tarafından istendiği gibi
Örnekleme hattı ve partikül filtrelerinin temizlenmesi veya değiştirilmesi	Gerekirse her ölçüm serisi için bir kez

¹ Sıfır noktasında tekrarlanabilirlik standart sapmasını (X₀) belirlemek için, ilk olarak FID’nin sıfır noktası ayarlanır, sonra sıfır gazı FID içerisine beslenir. Yaklaşık 1 saatlik süre içerisinde asgarî 30 okuma gerçekleştirilir. Ölçme okumaları not edilir ve aşağıdaki formül kullanılarak sonuçlar hesaplanır:

X₀ = 2 · S_X0

Burada;

S_X0 : Sıfır gaz okumasının standard sapması, metreküp başına miligram TOC olarak ifade edilir.

 

² Span noktasında (X_Sp) tekrarlanabilirlik standart sapmasını belirlemek için, önce FID’nin span noktasını ayarlayın, ardından yaklaşık 1 saatlik bir süre içinde minimum 30 sıfır ve span ölçümü yapın. Bu, span gazı ve sıfır gazı FID’ye dönüşümlü olarak besleyerek yapılır, span gazı beslemesi sırasında okumayı not eder ve aşağıdaki formülü kullanarak sonucu hesaplar:

X_Sp = 2 · S_Sp

Burada;

S_SP : Span gaz okumasının standard sapması, metreküp başına miligram TOC olarak ifade edilir.

 

³ Ölçüm aralığının tamamına eşit olarak dağıtılan 5 veya 6 ayar (span) gaz derişimi, FID’nin doğrusal bir kalibrasyon eğrisine sahip olduğunu göstermek için kullanılmalıdır.

 

⁴ Oksijen hem sıfır noktasını hem de span değerini etkileyebilir. Baca gazındaki oksijen derişimine benzer derişimli sıfır ayar ve ayar (span) gazları kullanılarak, oksijen girişiminin etkisi azaltılabilir. Oksijenin etkilerini tayin etmek için aşağıdaki deney gazları kullanılmalıdır.

Sıfır ayar gazları:

• % 90 azot ve % 10 oksijen (hacimce)
• % 80 azot ve % 20 oksijen (hacimce)

Ayar (Span) gazları:

• % 90 azot ve % 10 oksijen (hacimce) + propan X mg/m³
• % 80 azot ve % 20 oksijen (hacimce) + propan X mg/m³

 

Çalışma Gazları

TOC cihazı kullanırken çok sayıda çalışma gazına ihtiyaç vardır. Bunlar sıkıştırılmış gaz tüplerinde temin ediliyorsa, basınç regülatörü kullanılarak cihaza bağlanmalıdır.

 

Yakıt Gazları

Yakıt Gazları, FID’nün alevini muhafaza etmek için kullanılan, bileşimi bilinen gazlardır. Yakıt gazı, donanımın üreticisinin ayrıntılı tanımlamalarına göre temin edilmeli ve kullanılmalıdır. Bu gazlar:

• Hidrojen
• Hidrojen/helyum karışımı
• Hidrojen/azot karışımı olabilir.

TOC derişimi 0,2 mg/m³ (karbon olarak) veya daha düşük %99,998 (hacimce yüzde) saflığa sahip gazlar kullanılmalıdır. Yakıt gazı borusu, paslanmaz çelik, bakır veya PTFE’den yapılmış olmalıdır.

 

Sıfır Ayar Gazı ve Seyreltme Gazı

Sıfır Ayar Gazı, bir kalibrasyon eğrisi üzerindeki sıfır noktasını ayarlamak ve kontrol etmek için kullanılır. Seyreltme Gazı ise suyun yoğuşmasını önlemek için baca gazı numunesini seyreltmek için kullanılır. Sıfır ayarı ve seyreltme gazı olarak, TOC derişimi 0,2 mg/m³ (karbon olarak) veya daha düşük %99,998 (hacimce yüzde) saflığa sahip,  temiz ortam havası veya suni hava kullanılmalıdır.

 

Sıfır noktasında bir sorun oluşursa, ör. negatif değerler, bu sorun oksijenin etkisinin bir göstergesi olabilir. Bu etki için en kötü durum, sistemin yaklaşık %10 oksijenle çalışmasıdır. Oksijenin etkisi bu değer azaldıkça veya arttıkça azalır. Bu durumda, sıfır ayar gazının, baca gazındaki oksijen derişimine benzer bir gazla (azot/oksijen karışımı veya sentetik hava) değiştirilmesi en doğru sonuçları verecektir.

 

Ayar (Span) Gazı

Ayar (Span) Gazı, kalibrasyon eğrisi üzerindeki bir noktayı ayarlamak ve kontrol etmek için kullanılır. Ayar (span) gazı bileşeni propan olmalıdır. Bu gaz, bilinen bir derişime ve gazın analizi en çok %2 belirsizliğe sahip olmalıdır. Ayar (span) gazı, bilinen yaklaşık yarım saatlik Emisyon Limit Değeri konsantrasyonuna veya analizörün ölçme aralığının %50-90’i kadar bir TOC derişimine sahip olmalıdır.

 

Baca Gazından Numune Alma

Numune alma, büyük miktardaki baca gazından, ana gaz akışının bileşimini doğru olarak temsil edecek şekilde küçük bir kısmı çekme işlemidir. Planlama ve örnekleme stratejisi TS EN 15259’un gerekliliklerini yerine getirmelidir. Numune alma sırasında izlenecek prensipler aşağıda verilmektedir:

 

Ölçüme başlamadan önce, numune alma hattında sızıntı veya kirlilik olup olmadığını belirlemek için FID’ne sıfır ayar gazı beslenir ve sıfıra ayarlanır. Sonra Ayar (span) gazı verilir ve cihaz buna göre ayarlanır. Analizörün ayarlanması sırasında ve numune alma sisteminin kontrolü sırasında elde edilen okumalar ayar (span) gazı değerinin %2’sinden düşük olmalıdır. Tepki zamanı, ayar (span) gazının beslenmesi ile ayar (span) gazı derişiminin nihaî okuma değerinin %90’ına ulaşmasına kadar geçen ortalama zaman aralığıdır. Bu süre 200 saniyeden az olmalıdır. Son olarak önemli bir değişiklik olup olmadığı kontrol etmek için sıfır ayar gazı bir kez daha FID’ne beslenir ve okumanın sıfıra dönüp dönmediği kontrol edilir. Dönmüyorsa sıfır ayarı gerçekleşene kadar ayar prosedürü tekrar edilir. Kalite kontrol amaçları açısından, sıfır ayarı ve ayar (span) gazı düzeltmeleri kayıt edilmelidir.

 

Baca gazının kısmi bir akışı, numune alma probu yoluyla doğrudan FID analizörüne beslenir. Numune alma sisteminin kurulumunun bir örneği makalenin öne çıkan görselinde  gösterilmektedir. Numune alma cihazının yakıcı kısmını tıkayabilecek ince parçacıkları engellemek için gerekli filtre takılmalıdır. Numunenin yoğuşmasını önlemek için ise örnekleme hattı en 180 ^oC’ye ısıtılmalıdır.

 

Ölçüm periyodunun sonunda ve günde en az bir kez, numune alma sisteminin girişinde test gazları besleyerek sıfır ve ayar (span) kontrolü yapılacaktır.

 

Ayar (span) veya sıfır sapma, ayar (span) değerinin %2’sinden büyükse, hem sıfır hem de ayar (span) sapmalarının düzeltilmesi gerekir. Değerler, analizörde yapılacak herhangi bir ayarlamadan önce kaydedilmelidir. Kaydedilen değerler belirsizlik hesaplamaları için kullanılabilir.

 

Sıfır ve ayar (span) sapması, ayar (span) değerinin %5’inden düşük olacaktır. Aksi takdirde, sonuçlar geçerli olmayacaktır.

 

Bu ölçüm değeri, TOC derişimlerinin kuru baca gazlarına atıfta bulunmasını gerektiriyorsa, baca gazı içerisindeki su muhtevası, numune alma süresi sırasında tayin edilmelidir. Nem içeriği %2 hacmin altındaysa, nemin izlenmesi ve düzeltilmesi gerekmez. Baca gazı içerisindeki oksijen muhtevası referans bir parametre ise, o da ölçülmelidir.

 

Propan hacim derişimlerini, toplam organik karbon kütle derişimlerine çevirmek için aşağıdaki eşitlik Kullanılabilir.

 

C_m=C_v * 3 * M_C / V_m

 

Burada;

C_m : TOC derişimi, (273 K; 1013 hPa) (mg/m³)

C_V : Propanın hacimce derişimi (ppm)

M_C : Karbonun molar kütlesi (=12 g/mol),

V_m : Molar hacim (=22,4 L/mol)

 

Ölçme sonuçları, referans şartlardaki derişim gibi metreküp başına miligram cinsinden TOC eş değeri olarak ifade edilmelidir. 

 

C_n=C_i * [100/(100-H)] * [(21-O_ref)/(21-O_m)]

 

Burada;

C_n: Kuru baca gazına (273 K, 1013 hPa) dayalı TOC derişimi (mg/m³)

C_i: Yaş baca gazı (273 K, 1013 hPa) içerisindeki TOC derişimi (mg/m³)

H: Baca gazı içerisinde ölçülen su, hacimce yüzde

O_m: Kuru baca gazı içerisinde ölçülen oksijen, hacimce yüzde

O_ref: Kuru referans koşullarında oksijen hacminin yüzdesidir.

 

Belirsizlik

Metodun genel belirsizliği, genel performans testi sırasında belirlenen performans karakteristiklerine göre TS EN ISO 14956’ya göre hesaplanmalı ve ölçüm hedefi için gerekli belirsizliği karşılamalıdır.