Campagna prove per umidità dell’aria - Caratterizzazione sperimentale del micro-gascromatografo

In conclusione a tutte le prove effettuate per consentire un’adeguata caratterizzazione dello strumento, si è ritenuto opportuno procedere con una serie di misurazioni per valutare la capacità del gascromatografo di rilevare l’umidità ambientale.

Il processo, ovviamente semplificato rispetto alle misurazioni con miscele umide, si propone ugualmente come un primo passo, che conferma a tutti gli effetti la possibilità di futuri sviluppi e impieghi, in particolare con il sistema cogenerativo presente presso il Laboratorio di Micro-Cogenerazione.

Le prove sono state effettuate in condizioni climatiche particolarmente favorevoli, in giornate con umidità relativa elevata (RH ≥ 90%), rendendo così possibili le misure (aree sottese ai picchi relativi all’umidità di entità sufficiente per essere integrate). Il sistema allestito prevede il prelevamento del campione tramite una piccola pompa con successivo passaggio nel dispositivo refrigeratore (impostabile a diverse temperature per consentire il raggiungimento di diversi valori di umidità assoluta) e iniezione del campione nello strumento.

Il gascromatografo è in grado di rilevare e fornire indicazioni circa l’umidità grazie alla colonna C (PPQ), già in grado di misurare H2S e CO2. Il picco dell’umidità presenta una forma piuttosto particolare, Figura 55, che ha richiesto di variare alcuni parametri per quanto concerne l’integrazione della curva e quindi il calcolo dell’area sottesa.

Le rilevazioni sono state effettuate a temperature di 1°C, 3°C, 5°C e 8°C, mentre la temperatura ambiente era di 12°C, consentendo di verificare la linearità del gascromatografo rispetto alle variazioni di umidità assoluta del campione. Le aree sottese a ciascun picco dello strumento sono state rilevate e confrontate con i valori attesi secondo un processo di approssimazione.

Misurazioni e risultati

Dei dati raccolti da ciascuna misura sono stati ritenuti validi i valori medi identificati dallo strumento stesso: è possibile verificare la linearità del gascromatografo dal grafico in Figura 54:

Figura 54: Misurazioni umidità aria ambiente.

Lo strumento presenta quindi una marcata linearità, con un lieve scostamento, del tutto accettabile, dal momento in cui i valori reali confrontati sono il risultato di una media e quelli calcolati sono il risultato di una approssimazione analitica. E’ necessario aggiungere che lo strumento non è stato tarato per rilevare l’umidità, ma i valori confrontati sono relativi alle sole aree, per i futuri sviluppi sarà necessario effettuare un processo di taratura (è consigliato eseguirlo nell’intorno dei valori per cui ci si aspetta di dover eseguire le misure) permettendo allo strumento di valutare con maggiore accuratezza la grandezza in esame. 0 1°C 3°C 5°C 8°C 0 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01 0,012

0,0E+00 1,0E+07 2,0E+07 3,0E+07 4,0E+07 5,0E+07 6,0E+07

azione

molar

Area sottesa al picco [mV s]

dati calcolati dati reali

Capitolo 6

Figura 55: Cromatogramma per umidità dell'aria (1).

Misurazioni e risultati

Dalle immagini raffiguranti i cromatogrammi realizzati dallo strumento è possibile notare la particolare forma del picco unitamente al retention time caratteristico dell’umidità dell’aria (circa 104 s) e l’estensione dell’area sottesa alla curva, con valore del tutto appartenente all’ordine di grandezza di quelli rappresentati nel grafico di Figura 54.

7.

Considerazioni e conclusioni

A conclusione di questo lavoro di tesi e di tutti gli argomenti trattati è opportuno dedicare un apposito capitolo di estensione limitata che racchiuda in maniera sintetica le informazioni ricavate dalle prove e dalla caratterizzazione dello strumento, ed esposte dettagliatamente nei capitoli precedenti.

Le conclusioni riportate di seguito sono suddivise in maniera analoga agli argomenti trattati nel corso del testo, così da facilitarne la trattazione stessa e seguire il medesimo percorso logico.

Transitorio e deriva dello strumento

In seguito alle numerose prove effettuate per conoscere e caratterizzare lo strumento, grande importanza è stata data allo studio della deriva dello strumento e al transitorio di accensione. Le due problematiche erano state esaminate in maniera del tutto diversa, senza collegare tra loro i comportamenti anomali del gascromatografo.

Capitolo 7

Nella fase iniziale si è venuti a conoscenza (su suggerimento dei produttori dello strumento) di un tempo di transitorio contenuto, normalmente inferiore ai sessanta minuti. Tuttavia questa informazione non era un dato veritiero, come dimostrano le numerose campagne di prova effettuate presso il Laboratorio di Micro- Cogenerazione.

Il transitorio dello strumento è in realtà cospicuo, superiore ai 120 minuti, se non addirittura 160 minuti nel caso in cui si preferisce cautelarsi e non rischiare di incappare in errori (anche se di lieve entità) del tutto evitabili.

Il tempo impiegato dallo strumento per portarsi a regime influisce in maniera marcata sulle misurazioni, e quindi anche sulle tarature. Le operazioni preliminari di taratura venivano eseguite quotidianamente presso il laboratorio ma entro un tempo troppo breve dall’accensione (dopo 60 minuti) per poi dare spazio alle prove di caratterizzazione e funzionamento del sistema Sidera 30.

Ogni taratura effettuata in fase di transitorio portava inevitabilmente a misurazioni falsate, durante l’arco della giornata, e lo strumento sembrava presentare problemi di deriva, che in realtà sono collegati alle impostazioni effettuate in momenti inopportuni. Per contrastare il problema le tarature venivano eseguite più volte al giorno, per poi avere la necessità di ritarare lo strumento nelle prime ore della mattina successiva (le misurazioni erano chiaramente falsate per effetto del transitorio e non per le cattive tarature).

Si può quindi giungere alla conclusione, di facile intuizione, che lo strumento necessita di una taratura precisa una volta concluso il periodo di transitorio, dopo circa tre ore dalla sua accensione e non necessita di ulteriori tarature successive, ma tutt’al più di alcune sessioni di pulizia con aria ambiente o aria zero.

Misurazioni e risultati

Stabilità dello strumento

Le prove e gli studi condotti sullo strumento hanno portato a valutare la stabilità dello strumento con i diversi campioni di gas prelevati da bombole di taratura a composizione certificata, cercando riscontri (anche con uno stesso componente) con tutti i metodi utilizzati: tali riscontri sono arrivati su tutti i fronti, giungendo quindi alla conclusione che lo strumento risulta stabile e mantiene la sua precisione nel corso delle misurazioni.

Oltre alla apprezzabile stabilità, di cui sopra, lo strumento dimostra anche una buona linearità, anche se rimane però limitata a un intervallo sufficientemente ampio ma intorno al valore di taratura. Da ciò si evince che sarà una buona tecnica quella di prevedere l’entità delle concentrazioni che verranno misurate per i vari campioni, cercando di effettuare tarature attraverso campione con componenti nell’intorno di tali valori.

La conoscenza dei parametri del metodo utilizzato per l’effettuazione di ciascuna misura risulta in ogni caso fondamentale, e unitamente alla scelta di eseguire tarature “mirate” porta senza dubbio a risultati apprezzabili, permettendo di poter fare pieno affidamento sul gascromatografo.

Insensibilità alle variazioni di pressione

In base alle esperienze già citate nel corso del testo (Capitolo 3) sono state effettuate campagne di prove a pressioni differenti. Anche in questo caso lo strumento risulta stabile, dimostrando una totale insensibilità alle variazioni di pressione (entro limiti ragionevoli) a cui veniva a trovarsi il campione al momento del prelievo. L’insensibilità alle variazioni di pressione risulta essere una

Capitolo 7

caratteristica importante che, se accompagnata alla stabilità dello strumento, permette di definirne un elevato pregio.

E’ facile comprendere che se lo strumento fosse sensibile alle minime variazioni di pressione si avrebbe la necessità di complicare il sistema di acquisizione del campione affinché possa fornirne pressione costante al gascromatografo per diverse pressioni del campione. Al contempo sarebbe necessario impostare numerosissimi metodi di misura per ciascun campione che si vuole prelevare. Tutto ciò richiederebbe la configurazione e la programmazione delle misure con i diversi metodi adattati a ciascuna misurazione: la complicazione che verrebbe introdotta non renderebbe impossibile le misurazioni ma ne complicherebbe l’esecuzione, facilitando la possibilità di errori.

Acqua e avvelenamento colonna Molsieve

Da quanto si è appreso per esperienza diretta in laboratorio l’acqua potenzialmente presente nel campione in forma liquida può compromettere irreparabilmente le colonne dello strumento.

Tra le colonne (A, B, C) presenti quella più soggetta alla forma di avvelenamento è la colonna B, Molsieve, adatta al riconoscimento di idrogeno, ossigeno, azoto, metano e ossido di carbonio (CO).

L’ingresso di acqua nel gascromatografo porta effetti non stimabili con certezza a priori, ma dipendenti da una serie di parametri operativi e da acquisizioni eseguite nonché dalla quantità di acqua che si è introdotta nello strumento.

Le operazioni possibili per evitare di compromettere lo strumento sono di due tipologie: preventive oppure di recupero. Le operazioni preventive si contraddistinguono per l’eliminazione del contenuto d’acqua attraverso la condensazione, oppure per il riscaldamento del campione (miscela umida) al fine di non avere passaggio di fase da

Misurazioni e risultati

vapore a liquido lungo i condotti. Le operazioni di recupero sono, invece, tutte quelle svolte in seguito all’ingresso accidentale di acqua nello strumento.

I metodi di tipo preventivo sono assolutamente da preferirsi ai metodi di recupero, ma necessitano di apposita strumentazione, le cui analisi e considerazioni dettagliate sono riportate al Capitolo 3.

Le operazioni necessarie al recupero delle anomalie presentate dallo strumento per effetto dell’ingresso di acqua devono ritenersi utilizzabili in caso di estrema necessità ponendo quindi la dovuta attenzione a non far verificare tale eventualità.

Utilizzo del concentratore

Il concentratore spiegato in dettaglio al Capitolo 2, permette di fare misure con campioni contenenti sostanze a bassissima concentrazione (fino a 1 - 2 ppm), richiedendo però un tempo più lungo per il campionamento (circa il doppio del tempo previsto dallo strumento senza l’ausilio del sistema di concentrazione).

Il concentratore è stato ben caratterizzato e sono stati analizzati i risultati delle misure effettuate su alcuni campioni, d’altro canto non è stata eseguita una campagna prove massiccia per poterne identificare a pieno il comportamento e permetterne uno studio a livello di dettaglio pari ad altri argomenti trattati.

L’analisi delle caratteristiche del concentratore, per altro, esula in parte dagli argomenti oggetto della tesi, ma poiché può essere frequente dovere analizzare campioni di gas con componenti in frazione dell’ordine di frazioni di ppm, si dimostra un validissimo aiuto per comprendere al meglio lo strumento e facilitarne suo utilizzo ottimizzando anche le misure e i risultati ottenibili.

Capitolo 7

Scelta della strumentazione e metodi

Per poter eseguire le misure con miscele anidre e con miscele umide, è necessario prevedere l’acquisto di strumentazione apposita: sia per garantire l’accuratezza nella preparazione della miscela campione sia per poter tarare precisamente lo strumento.

La scelta della strumentazione è stata particolarmente importante nella sezione riguardante le miscele umide, riportata al paragrafo 5.2, ricopre invece un ruolo piuttosto marginale nelle misure con miscele anidre.

Di importanza analoga alla scelta degli strumenti accessori necessari per le misure con miscele umide è la scelta di un metodo da seguire per la formazione del campione umido che deve essere analizzato. I metodi psicrometrico e gravimetrico, seppur notevolmente differenti tra loro, offrono entrambi elevata precisione consentendo la realizzazione di un campione con umidità ben definita, corrispondente a quella desiderata.

Misure con miscele umide

Le misurazioni condotte con l’aria ambiente, che presenta umidità contenuta, sono state eseguite per verificare la capacità dello strumento di rilevare e misurare tale grandezza, e, al contempo, per visionare i cromatogrammi, che si presentano graficamente differenti per diverse temperature.

Le prove effettuate permettono di affermare che lo strumento, grazie alla colonna C (PPQ), adatta tra l’altro al riconoscimento anche di altre sostanze, è in grado di rilevare l’umidità (vapore acqueo) contenuta nell’aria ambiente, permettendo agli operatori di avere una

Misurazioni e risultati

necessaria conferma delle capacità del gascromatografo anche sotto questo importante aspetto.

La linearità dello strumento riguardo tali misurazioni risulta essere apprezzabile così da garantire sviluppi futuri e permettere di fare affidamento sul gascromatografo anche per le miscele umide.

Appendice A: Il sistema Sidera 30

La micro-cogenerazione con celle a combustibile PEM

Il sistema Sidera 30, come si intuisce facilmente dall’intestazione è un sistema cogenerativo con celle PEM installato presso il Laboratorio di Micro-Cogenerazione (LMC) del Dipartimento di Energia del Politecnico di Milano.

Per farne una descrizione iniziale semplice si può dire che l’impianto è dotato di una unità di reforming (e sistema di fornitura del calore), un gruppo di celle a combustibile, e un gruppo elettronico per conversione della potenza.