UVF-Gasanalysatoren – Ultraviolettfluoreszenz zur SO₂-Messung

Beide nutzen den ultravioletten Wellenlängenbereich; damit endet die Gemeinsamkeit. UVF basiert auf Fluoreszenzemission: Eine gepulste UV-Quelle regt SO₂-Moleküle bei 214 nm in einen angeregten Zustand an. Beim Übergang in den Grundzustand emittieren die Moleküle ein Fluoreszenzphoton mit längerer Wellenlänge (240–410 nm). Die PMT zählt diese emittierten Photonen im Winkel von 90° zum Anregungsstrahl. UV-DOAS basiert auf differentieller Absorption: Eine breitbandige UV-Quelle beleuchtet das Messgas, das Spektrometer misst, wie viel des durchgelassenen Lichts an den schmalbandigen Merkmalen der Zielkomponenten absorbiert wird, und eine Ausgleichsrechnung nach der Methode der kleinsten Quadrate ermittelt die Konzentrationen.

UVF ist eine Einkanal-Messung für SO₂ mit einer Empfindlichkeit im Sub-ppb-Bereich und dem Status einer Referenzmethode. UV-DOAS ist mehrkomponentig (SO₂ / NO₂ / NH₃ / Cl₂) und kann extraktiv oder im offenen Messpfad eingesetzt werden. Es handelt sich um komplementäre Technologien, nicht um austauschbare Varianten.

Dafür gibt es drei Gründe. Erstens bietet die Fluoreszenzemission bei niedrigen Konzentrationen einen inhärenten SNR-Vorteil, da das Dunkelzählrauschen der PMT die Nachweisgrenze bestimmt und nicht – wie bei Absorptionsmessverfahren – Schwankungen der Quellenintensität. Zweitens ist die Quantenausbeute der SO₂-Fluoreszenz unter verschiedensten Bedingungen reproduzierbar, und die Kalibrierung mit rückführbaren SO₂-in-N₂-Gasflaschen ist unkompliziert. Drittens ist die Technologie seit Langem im Einsatz. Daher sind Störeinflüsse durch die Gasmatrix – insbesondere die Löschung durch aromatische Kohlenwasserstoffe – gut bekannt, und die technischen Gegenmaßnahmen (vorgeschalteter Kohlenwasserstoff-Scrubber) gehören zur gängigen Praxis.

EPA Method 6C führt UVF als instrumentelle Referenzmethode für SO₂ aus stationären Quellen auf; 40 CFR Part 50 Appendix A definiert UVF als Referenzmethode für SO₂ in der Umgebungsluft.

Aromatische Kohlenwasserstoffe – Benzol, Toluol, Ethylbenzol, Xylole und insbesondere polyzyklische aromatische Verbindungen wie Naphthalin – absorbieren im selben Bereich um 214 nm, den UVF zur Anregung von SO₂ nutzt. Treffen sie in der Reaktionsmesszelle auf angeregtes SO₂*, entziehen sie ihm durch einen strahlungslosen Stoßprozess die Anregungsenergie. Dadurch kann SO₂* sein Fluoreszenzphoton nicht emittieren. Die PMT erfasst ein abgeschwächtes Fluoreszenzsignal, und das Messgerät meldet eine zu niedrige SO₂-Konzentration – eine negative Messabweichung, die der Betreiber nicht direkt erkennt.

Als technische Standardlösung wird vor der Reaktionsmesszelle ein Kohlenwasserstoff-Scrubber, -Kicker oder eine Permeationsfalle installiert: Nafion + Aktivkohle oder ein beheizter Permeationskicker, der SO₂ selektiv durchlässt und aromatische Kohlenwasserstoffe zurückhält. Bei petrochemischen Anwendungen, in Raffinerien, bei Claus-Restgasen und in jeder Gasmatrix, die Aromaten enthalten kann, ist der Kohlenwasserstoff-Scrubber vorgeschrieben – er ist keine Option.

Gepulste UV-Hohlkathodenlampen mit Zn / Cd erreichen bei Dauerbetrieb 5000–8000 Stunden, bevor die Quellenintensität unter den SNR-Schwellenwert fällt. Moderne UV-LED-Ausführungen erreichen 20.000+ Stunden, zeigen jedoch andere Driftmuster und erfordern eine Kompensation in der Firmware.

Neben der Lampe umfasst der Wartungszyklus den Austausch der Kohlenwasserstoff-Scrubberkartusche alle 3–12 Monate, abhängig von der Aromatenbelastung, den Wechsel der rückführbaren SO₂-in-N₂-Prüfgasflasche alle 30–90 Tage gemäß dem jeweiligen Vorschriftenprogramm, den Austausch der PMT alle 5–10 Jahre sowie die jährliche Reinigung des Reaktionszellenfensters. UVF-Messgeräte kommen nicht ohne Verbrauchsmaterialien aus; die laufenden Kosten über die Lebensdauer sollten im Projektbudget ausdrücklich berücksichtigt werden.

Nein, nicht direkt. UVF wird in der industriellen Gasanalytik spezifisch für SO₂ eingesetzt, da die Anregung bei 214 nm der elektronischen Absorption von SO₂ entspricht und das Fluoreszenzband bei 240–410 nm charakteristisch für SO₂* ist. Dasselbe Fluoreszenzprinzip lässt sich bei anderen Komponenten mit anderen Anregungs- und Emissionswellenlängen nutzen – H₂S besitzt grundsätzlich einen eigenen UV-Fluoreszenzpfad. Der H₂S-Gasanalysator von GESHINE, der ZS8300-H2S aus der Kategorie der H₂S-Gasanalysatoren, nutzt jedoch TDLAS in situ über den gesamten Abgasquerschnitt statt Fluoreszenz: eine eigene Messgeräteklasse und keine Mehrgaskomponenten-Variante eines UVF-Messkopfs.

Für Projekte, die NOₓ messen müssen, ist CLD (Referenzmessverfahren mit Chemilumineszenz) die richtige Wahl. Für die Mehrgasmessung von SO₂ + NO₂ + NH₃ + Cl₂ ist UV-DOAS vorgesehen.

EPA Method 6 ist das ursprüngliche nasschemische Messverfahren für SO₂ aus stationären Quellen: Ein definiertes Messgasvolumen wird durch eine beheizte Impinger-Anordnung mit Wasserstoffperoxid geleitet. Das entstandene Sulfation wird mit Barium-Thorin titriert, und das Ergebnis wird als SO₂-Masse pro Volumen angegeben. Es ist das traditionelle Referenzmessverfahren und dient weiterhin als Referenz für Audits und RATA.

EPA Method 6C ist die instrumentelle (kontinuierliche) Variante mit demselben Ziel der Einhaltung von Vorschriften; UVF ist dabei die vorherrschende zugelassene Technologie. In der Praxis messen moderne CEMS am Abgaskanal kontinuierlich nach Method 6C; Method 6 wird nur als Referenz für die regelmäßige RATA-Prüfung herangezogen. Beide Verfahren sind rechtlich anerkannt. Auf einem in Betrieb befindlichen CEMS-Rack läuft tatsächlich UVF nach Method 6C.

Ja – „UV-Fluoreszenz-Gasanalysator“ und UVF bezeichnen dasselbe; UVF ist einfach die Abkürzung für ultraviolette Fluoreszenz. In der industriellen Gasanalytik steht der Begriff standardmäßig für die SO₂-Messung: Eine gepulste UV-Quelle bei etwa 214 nm regt Schwefeldioxid an, und der Gasanalysator zählt die Fluoreszenz, die das angeregte Molekül emittiert. Dieses Messverfahren ist als EPA-Referenzmethode für SO₂ aus stationären Quellen und in der Umgebungsluft anerkannt.

Das Fluoreszenzprinzip lässt sich grundsätzlich in einem separaten Messgerät für H₂S einsetzen. Der üblicherweise spezifizierte UVF-Gasanalysator dient jedoch der SO₂-Messung, und für H₂S setzt GESHINE auf TDLAS in situ über den gesamten Abgasquerschnitt mit dem ZS8300-H2S, nicht auf ein Fluoreszenzgerät. Wenn in einem Datenblatt oder einer Suche von „UV-Fluoreszenz“ die Rede ist, bezieht sich der Begriff also auf den auf dieser Seite beschriebenen SO₂-Gasanalysator, sofern H₂S nicht ausdrücklich genannt wird. Wenden Sie sich an einen Ingenieur, um den passenden Umfang für Ihre Gasmatrix zu klären.

Die Verfahren messen zwei unterschiedliche Lichtsignale. Bei UV-Fluoreszenz (UVF) wird SO₂ mit einer gepulsten Quelle bei ≈214 nm angeregt; gemessen werden die Photonen, die das angeregte Molekül bei einer längeren Wellenlänge wieder emittiert. Das Verfahren erfasst emittiertes Licht und bietet in aufbereiteten Umgebungsluftproben eine niedrige Signal-Rausch-Schwelle bis hin zu SO₂-Konzentrationen im Sub-ppb-Bereich. Es bildet die Grundlage der EPA-Referenzmethode.

Ein UV-photometrischer Gasanalysator misst dagegen, wie viel UV-Licht das Messgas entlang eines festen optischen Wegs absorbiert. Dazu wird das durchgelassene Licht mit einer Referenz verglichen. UV-DOAS ist die Mehrkomponenten-Ausführung dieses Absorptionsmessverfahrens. Für SO₂-Referenzmessungen ist Fluoreszenz aufgrund ihrer Empfindlichkeit und der Anerkennung als Referenzmethode meist die bessere Wahl; Absorptionsphotometrie eignet sich, wenn mehrere UV-aktive Gase auf einem optischen Weg gemessen werden sollen. Wenden Sie sich an einen Ingenieur, um die beiden Verfahren für Ihren Abgaskanal abzuwägen.