Increase of the Resonant Photoacoustic Signal of Methane in Air Adding Sulphur Hexafluoride

Abstract

R e c i b i d o : 1 4 / 1 2 / 1 2 ; A c e p t a d o : 0 2 / 0 5 / 1 3 En este trabajo se estudia la técnica fotoacústica resonante aplicada a la detección de metano. Para realizar la medición se utilizó una celda que presenta un resonador cilíndrico con filtros de cuarto de onda, silenciadores regulables y ventanas en ángulo de Brewster. La excitación se realizó en doble pasaje con un oscilador parametrico óptico modulado. La adquisición se efectuó en forma sincrónica con un amplificador lock-in cuya referencia provenía del modulador mecánico. En trabajos anteriores, se ha encontrado que la señal fotoacústica de metano en una atmósfera de aire es menor que la medida en una atmósfera de nitrógeno puro. Esto se debe a que, luego de un fuerte intercambio de energía entre niveles resonantes del oxígeno y el metano, la energía se acumula en un nivel metaestable del oxígeno (1500 cm -1 ) en lugar de convertirse en energía cinética. En este trabajo se revierte este proceso mediante el agregado de un par colisional del oxígeno: el hexafloruro de azufre. Esta molécula, que presenta alta densidad de niveles vibracionales alrededor de 1500 cm -1 , colisiona con el oxígeno y el metano dando lugar a un fuerte intercambio, que permite liberar la energía a cinética, incrementando la señal fotoacústica. Palabras Claves: Fotoacústica, metano, hexafloruro de azufreIn this paper we study the resonant photoacoustic technique applied to the detection of methane. A cell was used which consists of a cylindrical resonator, quarter wave filters, adjustable buffer volume and Brewster angle windows. The excitation was performed in double passage with a modulated optical parametric oscillator. The acquisition was synchronous with a lock-in amplifier whose reference came from the mechanical modulator. In previous work, we have found that the photoacoustic signal of methane in air is less than in pure nitrogen.. This is because, after a strong energy exchange between resonant levels of oxygen and methane, energy is accumulated in a metastable level of oxygen (1500 cm -1 ) instead of being converted into kinetic energy. In this work this process goes back by adding a collisional partner to oxygen: sulphur hexafluoride. This molecule, which shows high density of vibrational levels around 1500 cm -1 , collides with the oxygen and methane molecules, resulting in a strong exchange which enables a kinetic energy release, which causes an increase of the photoacoustic signal. I. INTRODUCCIÓNEl metano (CH4), gas de efecto invernadero de similar impacto al dióxido de carbono, presenta una concentración de alrededor de 1,7 ppmV en la atmósfera. Este valor fue alcanzado debido a un acelerado incremento en los últimos 150 años vinculado a las múltiples fuentes emisoras tanto naturales como antropogénicas (1,2) . Por este motivo, el monitoreo de las emisiones de metano es de gran importancia para mantener un control sobre las mismas. En este trabajo, se propone el uso de la espectroscopia fotoacústica (FA) para la detección de metano ya que presenta gran s...