Химические сенсоры для контроля серосодержащих соединений в атмосферном воздухе и технологических газовых средах

• Автор: Царапкин, Александр Владимирович
• Шифр специальности: 05.11.13
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 136 с. : ил.

Содержание:

Глава 1. Анализ состояния проблемы и формулирование задач исследований

1.1. Задачи и методы контроля серосодержащих соединений в газовых средах

1.2. Традиционные химико-аналитические методы

1.3. Инструментальные методы

1.4. Сенсорные методы контроля, химические сенсоры

1.4.1. Актуальность применения твердотельных химических сенсоров в задачах контроля серосодержащих соединений

1.4.2. Электрохимические сенсоры

1.4.3. Термохимические (термокаталитические) сенсоры

1.4.4. Полупроводниковые сенсоры

1.4.5. Пьезокварцевые резонаторы поверхностного типа

1.4.6. Оптические сенсоры, их преимущества
1.4.6.1. Оптические сенсоры пассивного типа
1.4.6.2. Оптические сенсоры активного типа
1.5. Текущее состояние проблемы экологических задач контроля серосодержащих соединений в газовых средах
1.6. Текущее состояние проблемы технологических задач контроля серосодержащих соединений в газовых средах
1.7. Постановка цели и задач исследований
Глава 2. Теоретическая и практическая подготовка эксперимента
2.1. Объекты контроля
2.2. Объекты исследования
2.3. Образцы для измерений и оборудование
2.4. Теоретический вывод уравнения аналитического сигнала
2.5. Методика исследования пленочных образцов в вакууме
2.6. Методика исследования пленок в потоках газовых смесей
2.7. Методика обработки экспериментальных результатов

Глава 3. Разработка сенсорных материалов для мультисенсорной системы мониторинга основных приоритетных загрязнителей атмосферного воздуха.
3.1. Обоснование выбора материалов чувствительных покрытий сенсоров для решения экологических задач контроля серосодержащих соединений
^ 3.2. Исследование сенсорных характеристик чувствительных материалов на основе
функциональных полимеров
3.3. Исследование влияния рабочей температуры и толщины пленки на чувствительность выбранных сенсорных материалов
3.4. Практическое подтверждение возможности создания на основе разработанных сенсорных материалов первой мультисенсорной системы для контроля двух неорганических газов
Глава 4. Разработка оптического химического сенсора для решения технологических задач контроля серосодержащих соединений.
4.1. Обоснование выбора материалов чувствительных покрытий сенсоров для решения технологических задач контроля серосодержащих соединений
4.2. Выбор чувствительного материала для покрытия сенсора
^ 4.3. Оптимизация рабочей температуры сенсора
4.4. Получение градуировочных зависимостей сенсора
4.5. Применение разработанного сенсора для прямого количественного определения
сероводородной и меркаптановой серы в моторных топливах
Глава 5. Разработка экспериментального образца газоанализатора для автоматизации контроля технологического процесса одорирования природного газа и степени его одоризации перед поступлением в бытовую сеть
5.1. Разработка конструкции экспериментального образца
5.2. Расчет погрешности измерительного канала фотометрической системы экспери-
^ ментального образца газоанализатора
5.3. Расчет порога чувствительности измерительного канала фотометрической системы экспериментального образца газоанализатора
5.4. Испытания экспериментального образца газоанализатора
Выводы
Список литературы
Актуальность работы. Задачи контроля серосодержащих соединений в газовых средах связаны с добычей, переработкой и использованием природных ресурсов, в том числе природного газа и нефти. Сероводород, который содержится в природном газе и нефтепродуктах - взрывоопасный и очень токсичный газ, поэтому очевидна необходимость контроля сероводорода в воздухе рабочей зоны на местах добычи полезных ископаемых и на комплексах переработки нефти и газа. Кроме того, сероводород наряду с диоксидом серы относят к шести основным приоритетным загрязнителям атмосферы, следовательно, также важен их контроль и в атмосферном воздухе в рамках задачи атмосферного мониторинга. Следует особо отметить, что в России в настоящее время отсутствует один из трех уровней контроля качества приземного слоя воздуха на содержание шести основных приоритетных загрязнителей - это сеть передвижных автоматических станций атмосферного мониторинга. Пары природного газа бесцветны и не имеют запаха. Это затрудняет его обнаружение в случае утечки. Для придания газу специфического запаха в него добавляют сильно пахнущие вещества - одоранты. В России в качестве одоранта природного газа используется этил-меркаптан. В высоких концентрациях он обладает сильными токсическими свойствами, а слишком низкое его содержание в газе затрудняет своевременное обнаружение утечек. Поэтому в процессе одоризации природного газа необходимо контролировать содержание этилмеркаптана, которое должно составлять 16 мг/м3. Таким образом, в данной работе все задачи контроля серосодержащих соединений в газовых средах разделены на две группы: экологические задачи (которые включают контроль сероводорода и диоксида серы в воздухе рабочей зоны и атмосферном воздухе) и технологические (которые включают контроль сероводорода и этилмеркаптана в природном газе).
Все методы и средства контроля серосодержащих соединений в газовых средах можно условно разделить на две основные группы: традиционные методы и сенсорные методы контроля. Традиционные методы включают инструментальные и химикоаналитические. Для инструментальных методов в целом при их высокой чувствительности, избирательности и универсальности следует отметить относительно высокую

спектроскопии на кафедре синтеза полимеров Московской государственной академии тонкой химической технологии им. М.ВЛомоносова1.
Металлокомплексные соединения синтезированы и их химическое строение доказано результатами элементного анализа, ИК - и ЯМР - спектроскопии, масс -спектрометрии высокого разрешения на кафедре элементоорганических соединений Казанского химико-технологического университета им. С.М. Кирова
Объекты контроля. В работе использованы газы - сероводород и диоксид серы высокой чистоты, полученные в Институте химии высокочистых веществ РАН и этилмеркаптан без дополнительной очистки с узла одоризации ОАО «Волготранс-газ».3.
Растворители. Диметилформамид "ХЧ", изопропиловый спирт «ЧДА», ацетон «ЧДА» без дополнительной очистки, метанол.
2.3. Образцы для измерений и оборудование
Образцы для оптических измерений представляют собой стеклянные или кварцевые диски диаметром 27 и 30 мм соответственно, на которые методом центрифугирования или полива из соответствующих растворов наносились тонкие однородные поликристаллические и полимерные пленки. Для нанесения полимерных и поликри-сталлических пленок исходные растворы содержали 0.015 г вещества в 1 мл метанола (ацетона) и диметилформамида соответственно. Скорость вращения, объем раствора и геометрия капилляра подбирались оптимальными для получения тонких однородных пленок. Толщины пленок измерены на микроскопе интерференционном МИИ-4 с погрешностью 0.014 мкм. Отжиг пленок проводился при различных температурах в вакуумном универсальном посту (ВУП-5) при остаточном давлении воздуха 2 х 10' 6 мм рт. ст. до неизменности во времени спектра поглощения в видимой области. Электронные спектры поглощения получены на спектрофотометрах Beckman DU-7HS, СФ-46 и Specord UV VIS. Для получения спектров растворов использовали кварцевые кюветы 1.000 см и кюветы от ФЭКа 0.10 см. Для получения ЭСП твердых образцов на воздухе использовали стандартный держатель твердых образцов из ЗИПа
1 Синтез проведен под руководством Д.Х.Н., вед.науч.сотр. В.А.Тверского
2 Синтез проведен к.х.н. Л.Э.Ржечицкой
3 Масс-спектральный анализ газов проведен ст.науч.сотр. В.И.Фаерманом