Como medir o dióxido de carbono (CO₂)

O dióxido de carbono e outros gases compostos por dois ou mais átomos diferentes têm uma forma característica e exclusiva de absorver a radiação infravermelha (IV). Tais gases são detectáveis por meio de técnicas IV. Vapor de água, metano, dióxido de carbono e monóxido de carbono são exemplos de gases que podem ser medidos por meio de um sensor IV. Suas faixas de absorção características são mostradas na Figura 1.

O sensor IV é a tecnologia mais amplamente usada para a detecção de CO₂. Os sensores IV têm muitas vantagens sobre os sensores químicos. Eles são estáveis e bastante seletivos em relação ao gás medido. Os sensores IV têm vida útil longa e, como não interagem de forma direta com o gás medido, podem suportar altos índices de umidade, poeira, sujeira e outras condições severas.

Os principais componentes do detector IV de CO₂ são: a fonte de luz, a câmara de medição, o filtro de interferência e o detector IV. Por meio do gás medido, a radiação IV é direcionada da fonte de luz até o detector. Um filtro localizado na frente do detector evita a passagem pelo detector de outros comprimentos de onda além do comprimento específico do gás medido. A intensidade da luz é detectada e convertida em um valor de concentração de gás.

O sensor de dióxido de carbono CARBOCAP® da Vaisala usa a tecnologia do sensor IV para medir a concentração volumétrica do CO₂. Ele possui um exclusivo filtro Interferômetro de Fabry-Perot (IFP) de sintonização elétrica, que possibilita a medição de duplo comprimento de onda. Isso significa que, além de medir a absorção de CO₂, o sensor CARBOCAP® também realiza uma medição de referência para compensar alterações na intensidade da fonte de luz, além de contaminação e acúmulo de sujeira. Assim, o sensor permanece extremamente estável ao longo do tempo. Veja a linha completa de produtos da Vaisala para medição de CO2 em www.vaisala.com/CO2

Figura 1. Absorção IV de CO₂ e alguns outros gases.

A Lei dos gases ideais é útil para estimar o efeito das mudanças na temperatura e na pressão sobre a medição CO₂. Ela pode ser usada para compensar as leituras de CO₂.

O gás ideal é um gás hipotético composto por partículas pontuais que se movem aleatoriamente, têm tamanho insignificante e possuem forças intermoleculares insignificantes. Presume-se que as moléculas de gás ideal sofram colisões elásticas entre si e com as paredes do recipiente.

Os gases reais não se comportam exatamente como gases ideias, mas a aproximação é bastante usada para descrever o comportamento dos gases reais. A lei dos gases ideais expressa o estado de determinada quantidade de gás em termos de pressão, volume e temperatura, conforme a equação:

pV = nRT 
em que 
p = pressão [Pa] 
V = volume do gás [m3] 
n = quantidade de gás [mol] 
R = constante universal dos gases (= 8,3145 J/mol K) 
T = temperatura [K]

Figura 2. A estrutura do sensor de CO₂ CARBOCAP® da Vaisala.

A maioria dos sensores de gás gera um sinal proporcional à densidade molecular (moléculas/volume de gás), mesmo que a leitura seja expressa em partes por milhão (volume/volume). Conforme a pressão e/ou temperatura muda, a densidade molecular do gás muda conforme a lei dos gases ideais. Este efeito é visto na leitura de ppm do sensor.

As ilustrações a seguir mostram como um aumento na temperatura ou na pressão altera o estado do gás e como isso afeta a medição do CO₂.

A lei dos gases ideais pode ser usada para calcular a densidade molecular de um gás sob dada temperatura e pressão, quando a densidade do gás sob Condições Normais de Temperatura e Pressão (CNTP) é conhecida. Substituindo a quantidade de gás (n) por ρV/M e presumindo que a massa molar do gás (M) é constante nas duas condições diferentes, podemos escrever a equação conforme a Equação 1.

em que
ρ = concentração do volume do gás [ppm ou %]
p = pressão ambiente [hPa]
t = temperatura ambiente [°C]

Equação 1. Cálculo da concentração de gás em certa temperatura e pressão.

A fórmula da densidade pode ser usada para estimar como a leitura do sensor de gás muda conforme as alterações na temperatura e/ou pressão.

A fórmula da densidade pode ser usada para compensar variações na temperatura e na pressão ao medir o CO₂. Os instrumentos comuns para medir o CO₂ não medem a pressão e, portanto, não conseguem compensar automaticamente as variações na pressão. Quando calibrados na fábrica, os instrumentos costumam ser configurados para as condições de pressão no nível do mar (1013 hPa). Ao fazer medições em uma altitude que não seja o nível do mar, é aconselhável compensar o efeito da pressão. Isso pode ser feito inserindo as configurações corretas de pressão para compensação interna (condições constantes de pressão) ou programando a compensação em um computador ou sistema de automação (condições variáveis de pressão).

As mesmas regras de compensação se aplicam ao efeito da temperatura. De qualquer maneira, há cada vez mais medidores de CO₂ disponíveis que medem e compensam variações na temperatura e, portanto, não exigem compensação externa.

A Tabela 1 mostra um exemplo das alterações na leitura do sensor de CO₂ (o gás contém 1.000 ppm de CO₂ em CNTP) conforme as mudanças na temperatura e na pressão, de acordo com a lei dos gases ideais.

O método da lei dos gases ideais também proporciona uma forma de compreender o que acontece quando a composição de uma mistura de gases varia sob temperatura, volume e pressão constantes. Isso pode ser usado, por exemplo, para estimar o efeito de alterações na umidade sobre uma leitura de CO₂.

As moléculas de uma mistura de gases existem no mesmo volume do sistema (V idêntico para todos os gases) e na mesma temperatura. Então, a lei dos gases ideais pode ser alterada para:

em que 

n_gas1 = quantidade de gás 1 [mol]
n_gas2 = quantidade de gás 2 [mol], etc.

e

em que

p = pressão total da mistura de gases
p_gas1 = pressão parcial do gás 1
p_gas2 = pressão parcial do gás 2, etc.

A segunda equação é chamada Lei de Dalton das Pressões Parciais. Ela declara que a pressão total de uma mistura de gases é a soma das pressões parciais de todos os gases que compõem a mistura.

Essa informação é útil ao considerar a influência do vapor da água sobre as leituras do sensor de CO₂. Quando o vapor da água é adicionado a um gás seco sob pressão, temperatura e volume constantes, a água substitui algumas das moléculas de gás na mistura. De maneira semelhante, quando a amostra de gás é retirada de um ambiente com alta umidade, mas seca antes de entrar na câmara de medição do medidor de CO₂, a perda de moléculas de água altera a composição do gás e afeta a medição do CO₂.

O efeito de diluição pode ser estimado usando a Tabela 2. É possível calcular a concentração de CO₂ de um ambiente com alta umidade, caso a concentração de CO₂ do gás seco seja conhecida. Para isso, é preciso saber o ponto de orvalho (T_d em 1013 hPa) ou a concentração de água (ppm) nas condições seca e úmida. A condição de umidade do ambiente com alta umidade é selecionada no eixo horizontal, e a condição do gás seco, no eixo vertical.

Exemplo: Uma amostra de gás é retirada de um ambiente com ponto de orvalho de 40 °C (73.000 ppm de água) e levada a um ambiente de 20 °C T_d (23.200 ppm de água). A concentração de CO₂ medida de 5,263% em 20 °C T_d resulta em 5,00% no ambiente de 40 °C T_d (5,263% × 0,950 = 5,00%). A leitura menor é causada pela diluição gerada pelo maior conteúdo de água a 40 °C T_d .