Analytische Chemie
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This tutorial provides an overview of the utilization of sensor systems in hydrogen technologies. It discusses the necessary criteria and characteristics of sensor systems, and also demonstrates practical applications of these technologies in terms of safety and process control. Emphasis is placed on various types of sensors such as gas sensors, pressure sensors, temperature sensors, and gas flow sensors. These systems find application in monitoring and regulating operational parameters, detecting potentially dangerous situations, and activating alarm systems.
Der Beitrag behandelt verschiedene Themen aus dem H2Safety@BAM-Kompetenzfeld Sensorik, Analytik und zertifizierte Referenzmaterialien (SensRef) mit Schwerpunkt auf Mess- und Prüfverfahren, die verschiedene Analyseverfahren, Sensortechnologien und Ultraschallwellen nutzen. Ein Teil davon ist das Euramet-Vorhaben "MefHySto" zur Metrologie der Wasserstoffspeicherung. Des Weiteren werden Verfahren zur Erkennung von freigesetztem Wasserstoff und zur Bestimmung des Wasserstoff-Luftverhältnisses mithilfe von Gassensoren behandelt. Ein weiterer Aspekt ist die zerstörungsfreie Fehlstellenerkennung mit einem integrierten Zustandsüberwachungssystem, das auf geführten Ultraschallwellen basiert und zur Überwachung der Lebensdauer von Composite-Behältern (Wasserstoffspeicher) dient. Zudem wird die Anwendung faseroptischer Sensorik zur Schadenfrüherkennung an Wasserstoffspeichern diskutiert. Dabei werden erkennbare Dehnungsänderungen an Druckbehältern als Indikatoren genutzt.
Ein Umlaufkühler ist im Betrieb explodiert. Splitter des zerborstenen Gehäuses aus Kunststoff wurden mit dem Kühlwasser in die Umgebung geschleudert, am Betriebsort entstand Personenschaden. Bei Funktionsprüfungen am beschädigten Gerät traten unerwartet - aber reproduzierbar - Knalleffekte bei Berührung der Außenoberfläche der Kupfer-Kühlschlange auf. Ein möglicher Mechanismus konnte im Labor durch Synthese von Kupferazid auf Kupferproben und Auslösung vergleichbarer Knalleffekte nachgestellt werden. Damit ist die Plausibilität des beschriebenen Schadensereignisses mit diesem oder einem ähnlich reagierenden Stoff belegt. Ein eindeutiger Nachweis darüber, dass bei dem aufgetretenen Schadensfall dieselbe chemische Reaktion stattgefunden hat, war nicht möglich, da die Belag-Überreste aus dem explodierten Kühlgerät für eine Analyse nicht mehr in ausreichender Menge verfügbar gewesen sind.
Der Beitrag beinhaltet Themen vom H2Safety@BAM-Kompetenzfeld Sensorik, Analytik und zertifizierte Referenzmaterialien (SensRef) mit Fokus auf Mess- und Prüfverfahren mit verschiedenen Sensortechnologien und Ultraschallwellen:
Metrologie zur Wasserstoffspeicherung - Euramet-Vorhaben "MefHySto",
Erkennung von freigesetztem Wasserstoff sowie die Bestimmung des Wasserstoff-Luftverhälntisses mit Gassensoren, zerstörungsfreie Fehlstellenerkennung mit integriertem Zustandsüberwachungssystem basierend auf geführten Ultraschallwellen zur Lebensdauerüberwachung von Composite-Behältern (Wasserstoffspeicher) sowie faseroptische Sensorik zur Schadenfrüherkennung von Wasserstoffspeichern aufgrund erkennbarer Dehnungsänderungen an Druckbehältern.
This work focuses on the design and fabrication of low-cost and fast-response of an electronic nose (E-nose) based on semiconductor gas sensors, for discriminating some synthetic gases such as ammonia (NH3), ethanol (C2H5OH), and hydrogen sulfide (H2S). Additionally, the capability of separating different concentration levels of each considered gases was checked. Dataset treatment of E-nose by using Principal Component Analysis (PCA) showed a good discrimination of the different synthetic gases. Furthermore, perfect classification was reached of different concentration levels of the analysed gases by using Discriminant Function Analysis (DFA). In the light of these results, it could be stated that the developed E-nose system constitutes an inexpensive, rapid, simple to use, and efficient tool for synthetic gases detection.
Wastewater contains harmful chemicals and heavy metals that are known to cause various environmental and health problems. Therefore, the water quality control using sensitive, simple, fast, accurate, and portable tools is of great importance. This study aimed to evaluate the pollution parameters of wastewaters collected at different treatment stages from a wastewater treatment plant (WWTP) that treats domestic and industrial wastewaters by using an electronic nose (E-nose) and a voltammetric electronic tongue (E-tongue) combined with chemometric techniques. Water and wastewater pollution parameters determination were performed using inductively coupled plasma optical emission spectrometry for the determination of cations, and anions by using ion chromatography. Chemometric techniques, such as Principal Component Analysis (PCA), Discriminant Function Analysis (DFA), Support Vector Machines (SVMs), and Hierarchical Cluster Analysis (HCA), were used to process the E-nose and E-tongue datasets to describe the similarities between the samples. In addition, Partial Least Squares Regression (PLSR) model was constructed using electronic sensing data to simultaneously predict the concentration values of physicochemical parameters. The obtained correlation coefficient, for training and testing sets, is higher than 0.91 for the prediction of the concentration of all physicochemical parameters, except for iron (Fe) which remains 0.84. These results suggest that simple, portable, and inexpensive tools such as electronic nose and tongue are suitable for wastewater analysis.
Ein Umlaufkühler ist im Betrieb explodiert. Splitter des zerborstenen Gehäuses aus Kunststoff wurden mit dem Kühlwasser in die Umgebung geschleudert, am Betriebsort entstand Personenschaden. Bei Funktionsprüfungen am beschädigten Gerät traten unerwartet - aber reproduzierbar - Knalleffekte bei Berührung der Außenoberfläche der Kupfer-Kühlschlange auf. Ein möglicher Mechanismus konnte im Labor durch Synthese von Kupferazid auf Kupferproben und Auslösung vergleichbarer Knalleffekte nachgestellt werden. Damit ist die Plausibilität des beschriebenen Schadensereignisses mit diesem oder einem ähnlich reagierenden Stoff belegt. Ein eindeutiger Nachweis darüber, dass bei dem aufgetretenen Schadensfall dieselbe chemische Reaktion stattgefunden hat, war nicht möglich, da die Belag-Überreste aus dem explodierten Kühlgerät für eine Analyse nicht mehr in ausreichender Menge verfügbar gewesen sind.
Die Optimierung und Validierung des digitalen Wasserstofftankstellenmanagements mit Sensortechnologien ist das übergeordnete Ziel des Teilprojekts Digitale Qualitätsinfrastruktur mit Sensortechnologien (QIST) am Use Case H2, im Rahmen der digitalen Qualitätsinfrastruktur (QI digital[1]). Hierfür sollen u.a. Sensornetzwerke mit digital-gestützten Auswertungsstrategien intelligent gestaltet werden (Stichwort KI bzw. digitaler Zwilling). Verschiedene, sich ergänzende Sensoren, Systemkomponenten und KI-Methoden stehen als Bausteine intelligenter Sensorsysteme zur Verfügung, mit dem Zweck, die physikalischen und chemischen Parameter an und in Anlagen umfassend und effizient zu überwachen sowie Fehlfunktionen zuverlässig zu detektieren und zu interpretieren, Abbildung 1.
Konkrete Arbeitsschritte sind, nach dem Aufbau der Versuchsplattform „Wasserstofftankstelle“, die Instrumentierung von Sensorik und deren digitale Integration in das Tankstellenmanagementsystem sowie die Validierung im Realbetrieb. Die somit erzielten Messergebisse sowie die Messunsicherheiten, Historien und Verfahren werden in digitaler Form aufbereitet, gespeichert und fortlaufend in die KI-basierte Datenauswertung einbezogen, inkl. der Anbindung an die metrologische Rückführungskette.
Ziele sind:
• Einführung eines neuen messtechnischen Ansatzes und eines digitalen Zwillings für den Anwendungsfall "Wasserstofftankstelle" auf Basis der H2-Sensorik sowie der Zustandsgrößen Druck und Temperatur
• Qualitätssicherung durch Applikationen zuverlässiger Gassensorik, Manometer und Thermometer sowie KI-Methoden zur Prozesskontrolle und Detektion von Fehlfunktionen
• Nutzung von digitalen Kalibrierscheinen (DCCs) insbesondere für die Messgröße Temperatur zur Realisierung der metrologischen Rückführung in einer digitalen Qualitätsinfrastruktur
In this work, we demonstrate the ability of an electronic nose system based on an array of six-semiconductor gas sensors for outdoor air quality monitoring over a day at a traffic road in downtown of Meknes city (Morocco). The response of the sensor array reaches its maximum in the evening of the investigated day which may due to high vehicular traffic or/and human habits resulting in elevated concentrations of pollutants. Dataset treatment by Principal Component Analysis and Discriminant Function Analysis shows a good discrimination between samples collected at different times of the day. Moreover, Support Vector Machines were used and reached a classification success rate of 97.5 %. Thermal Desorption-Gas Chromatography-Mass Spectrometry (TD-GC-MS) technique was used to validate the developed e-nose system by identifying the composition of the analyzed air samples. The discrimination obtained by e-nose system was in good agreement with the TD-GC-MS results. This study demonstrates the usefulness of TD-GC-MS and e-nose, providing high accuracy in discriminating outdoor air samples collected at different times. This demonstrates the potential of using the e-nose as a rapid, easy to use and inexpensive environmental monitoring system.
In this study, the ability of an electronic nose developed to analyze and monitor odor emissions from three poultry farms located in Meknes (Morocco) and Berlin (Germany) was evaluated. Indeed, the potentiality of the electronic nose (e-nose) to differentiate the concentration fractions of hydrogen sulfide, ammonia, and ethanol was investigated. Furthermore, the impact change of relative humidity values (from 15% to 67%) on the responses of the gas sensors was reported and revealed that the effect remained less than 0.6%. Furthermore, the relevant results confirmed that the developed e-nose system was able to perfectly classify and monitor the odorous air of poultry farms.