Instrumentação e aplicação analítica da espectroscopia MIR e NIR na quantificação de gases causadores do efeito estufa

Autor: Neves, Thiago de Alencar, 1986
Přispěvatelé: Rohwedder, Jarbas José Rodrigues, 1959, Jardim, Wilson de Figueiredo, 1953, Reis, Boaventura Freire dos, Fadini, Pedro Sérgio, Raimundo Júnior, Ivo Milton, Poppi, Ronei Jesus, Universidade Estadual de Campinas. Instituto de Química, Programa de Pós-Graduação em Química, UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
Rok vydání: 2021
Předmět:
Zdroj: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
instacron:UNICAMP
Popis: Orientadores: Jarbas José Rodrigues Rohwedder, Wilson de Figueiredo Jardim Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Química Resumo: Este trabalho avaliou o uso da espectroscopia de infravermelho próximo (NIR) e médio (MIR) para quantificação dos principais gases causadores do efeito estufa: CH4, CO2 e N2O. Para quantificação desses gases, foi utilizado um espectrofotômetro NIR com transformada de fourier acoplado a uma célula de longo caminho óptico operando no modo Hanst e com caminho óptico de 105,6 m. Estes resultados foram comparados com aqueles obtidos empregando um espectrofotômetro MIR com transformada de Fourier e a mesma célula de longo caminho óptico agora utilizando um caminho óptico de 57,6 m. Os resultados obtidos pelas duas técnicas espectroscópicas foram validados pela técnica de referência baseada em cromatografia gasosa acoplada com espectrometria de massas (GC-MS). Na ausência de vapor d'água (umidade relativa), as técnicas espectroscópicas apresentaram sensibilidade para quantificação dos gases estufas em concentrações próximas aos valores basais encontrados na atmosfera. Contudo, as técnicas NIR e MIR sofrem forte interferência da umidade relativa, impossibilitando o desenvolvimento de métodos univariados. Esta interferência foi eliminada empregando calibração multivariada baseado na regressão por mínimos quadrados parciais (PLS). Modelos para a previsão da umidade relativa nas misturas gasosas também foram construídos. Para a técnica NIR, os modelos de calibração com seleção de variáveis apresentaram limites de quantificação (LQ) de 0,32, 0,91, 9,0 ppmv e 0,04 %, respectivamente para CH4, N2O, CO2 e umidade relativa. Para a técnica MIR os valores de LQ foram 0,23, 0,07, 1,80 ppmv e 0,15 % respectivamente para CH4, N2O, CO2 e umidade relativa. Os limites de LQ determinados para a técnica MIR são apropriados para a determinação dos valores basais de CH4, N2O e CO2 mesmo na presença de altos valores de umidade relativa. Já para a técnica NIR, o valor de LQ é apropriado apenas para quantificação de CH4 e CO2. Baseados nos resultados dos modelos multivariados foram selecionados LED e filtros de interferência disponíveis no mercado visando a construção de um fotômetro de baixo custo. Foram selecionados os LED que apresentavam a maior intensidade de radiação uma vez que longos caminhos ópticos precisariam ser aplicados para a determinação dos gases causadores do efeito estufa estudados neste trabalho. Vários estudos foram realizados, empregando diferentes montagens ópticas e circuitos eletrônicos. O principal resultado destes estudos mostra que os LED adquiridos apresentam uma alta radiação de fundo, impossibilitando o seu uso na construção do fotômetro Abstract: This work evaluated the application of near (NIR) and mid (MIR) infrared spectroscopy for the quantification of the main greenhouse gases (GHG): CH4, CO2, N2O and H2O. For the quantification of GHG a NIR Fourier transform spectroscopy couple with a long path optical cell (Hanst's 105.6 m) was used. The results obtained by NIR were compared with those from MIR fourier transform spectroscopy coupled with the same long path cell (Hanst¿s 57.6 m). The results from both analytical techniques were validated by a reference technique based on gas chromatography mass spectrometry (GC-MS). In the absence of water vapor, both spectroscopy methods presented sensitivity for quantification of the GHG in concentrations close to their atmospheric concentration. However, the MIR and NIR techniques suffer strong interference from water vapor (relative humidity), making it impossible to develop univariate methods. This interference was overcome by chemometrics-based experiments (partial least squares regression - PLS), where it was possible to create multivariate models for the quantification of GHG in the presence of high relative humidity values (up to 90%). NIR PLS models with variable selection showed limits of quantification (LOQ) of 0.32, 0.91, 8.96 and 0.04 respectively for CH4, N2O, CO2 and H2O (relative humidity %). The MIR PLS models showed LOQ of 0.23, 0.07, 1.80 ppmv and 0.15 % respectively for CH4, N2O, CO2 e H2O. The LOQ obtained are appropriate for the determination of baseline values of CH4, CO2 and N2O currently found in the atmosphere even in the presence of high humidity levels. For the NIR technique, the LOQ values are appropriated for CH4 and CO2 determinations. Based on the results of the multivariate models, were selected high power LED's and interference filters in the MIR/NIR regions for the construction of a low cost photometer. Many studies were performed with different optical and electronical schematics. The results with the LED's operation have shown the presence of an intense background radiation, which its existence jeopardized the construction of the LED photometer Doutorado Química Analítica Doutor em Ciências CAPES
Databáze: OpenAIRE
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