Селективные характеристики полупроводникового сенсора фтористого водорода

АННОТАЦИЯ

Разработан выcокоэффективный, селективный полупроводниковый сенсор для мониторинга фториcтого водорода. Установлены основные метрологические характеристики разработанного селективного полупроводникового сенсора при определении фториcтого водорода в присутствии других компонентов. Разработанный сенсор вполне пригоден для непрерывного автоматичеcкого контроля cодержания фториcтого водорода в газовыx средах, а также непрерывном режиме в комплекте с автоматическим газоанализатором.

ABSTRACT

A highly efficient, selective semiconductor sensor for monitoring hydrogen fluoride has been developed. The main metrological characteristics of the developed selective semiconductor sensor for the determination of hydrogen fluoride in the presence of other components have been established. The developed sensor is quite suitable for continuous automatic control of the content of hydrogen fluoride in gaseous media, as well as for continuous mode in combination with an automatic gas analyzer.

Ключевые cлова: полупроводниковый сенсор, катализатор, фториcтый водород, экоаналитичеcкий мониторинг, сенсор, контроль.

Kеуwоrds: sеmicоnductоr sensor, cаtаlуst, hуdrоgеn fluоridе, еcо-аnаlуticаl mоnitоring, sensor, cоntrоl.

В охране окружающей среды и экологическом управлении важная роль отводится формированию системы экологического мониторинга. В настоящее время интерес к сенсорам, предназначенных для экологического мониторинга токсичных газов, весьма велик, что связано с обеспечением безопасности различных производств и необходимостью располагать приборами, контролирующими выбросы в атмосферу [1]. Кроме того, необходимо и важно констатировать, что в Центрально-азиатском регионе подобные источники экотоксикантов не единичны.

В силу поднятой актуальной проблемы не меньший интерес представляет создание сенсоров, предназначенных для детектирования и последующего количественного определения фтористого водорода, связанное с обострившейся в последние десятилетия проблемой «озоновой дыры» [2]. Известно, что уменьшение толщины слоя озона в верхних частях атмосферы связано с антропогенной деятельностью. Не последнюю роль в её образовании играют также фтор-углероды и их производные, попадающие в верхние слои атмосферы и принимающие активное участие в разложении озона и его слоев [2,3].

Фтористый водород, как известно, довольно широко используется в промышленности и сбрасывается в окружающую среду в гораздо больших количествах. В условиях хронической интоксикации фтористый водород оказывает токсичное действие, поражая ряд органов человека, животных и растений. Решение задачи контроля содержания фтористого водорода в воздухе возможно при создании надежных сенсоров и газоанализаторов, отвечающих всем аналитическим параметрам и метрологическим характеристикам. Полупроводниковые сенсоры и газоанализаторы относятся к наиболее перспективным приборам и установкам для мониторинга токсичных газов, в частности фтористого водорода [4;5].

В представленном обзоре ставится задача оптимизация условий, разработка, создание, испытание и внедрение высокоселективных полупроводниковых сенсоров для определения фтористого водорода в присутствии других компонентов. Селективность работы сенсора определяли в газовом смеси в присутствии компонентов: (диоксида углерода, метана, водорода и др.), присутствующих с HF в отходящих выхлопных газах. Эксперименты проводили с применением стандартных смесей.

Используемые нами в работе газо-воздушные смеси были приготовлены манометрическим методом, заключающимся в постепенном дозировании в баллон отдельных компонентов газа, содержание которых в газовой смеси прямопропорционально отношению изменения давления после дозировки соответствующего компонента смесей к общему давлению полученной системы. Для приготовления калибровочных смесей использовали смесительную установку, повышающую давление, состоящую из баллона с воздухом, манометра, баллона для калибровочной смеси и исходного фтористого водорода, вакуумного насоса и медных трубок.

Содержание фтористого водорода  в газовой смеси (С_HF, %)  вычисляют по уравнению:

где Р_i- парциальное давление HF, кПа, Р-общее давление смеси, кПа.

Приведенный метод расчета содержания компонентов в газовой смеси не учитывает поправку на неидеальное поведение компонентов, поэтому в работе стандартные поверочные газовые смеси фтористого водорода с воздухом, в интервале концентраций 0,2-12 об.%, были  приготовлены манометрическим методом [4].

Опыты проводились на ПГС при температуре 20 °С и давлении 730±10 мм рт.ст., где на вход сенсора подавали смесь в течение 5 мин. с фиксированием показаний прибора самописцем. Испытания прибора проводили по 3 параллельным определениям для каждой смеси. Результаты, полученные при установлении селективности разработанных сенсоров углеводородов, представлены в нижеследующей таблице. 

Таблица 1.

Селективность полупроводникового сенсора ППСМ- HF при определении фтористого водорода (n = 5, Р = 0,95)

Разработанный сенсор позволяет селективно определять фториcтый водород в многокомпонентных газовоздушных смесях, где одновременно вместе с ним также содержатся диоксид углерода, водород и метан (природный метановый газ). К таким смесям относятся газообразные выбросы, выхлопные газы различных предприятий по производству алюминия, эмалей, стекла, керамики, стали, фосфорных удобрений и др. [5].

Проведенные эксперименты подтверждают высокую чувствительность и селективность ППС при определении фтористого водорода. В ходе проведенных экспериментов исследованы динамические, градуировочные характеристики, селективность и стабильность работы созданного сенсора.

Таким образом, в результате проведенных исследований, изготовлены полупроводниковые сенсоры, обеспечивающий определение фтористого водорода в присутствии других компонентов. Разработанные сенсоры по точности и воспроизводимости нисколько не уступают своим аналогам, сохранив при этом, следующие важные для аналитической химии характеристики: экспрессность, селективность, простоту в эксплуатации и изготовлении. В результате проведенных экспериментов, изучены метрологические характеристики разработанных сенсоров ППС1М- HF и ППС2М- HF в процессе определения микро- и макроконцентраций HF.

На основе проведенного исследования можно заключить, что разработанный сенсор вполне пригоден для мониторинга содержания фтористого водорода в присутствии других компонентов. Сенсор также может работать в непрерывном режиме в комплекте с автоматическим газоанализатором которые могли быть рекомендованы для внедрения и последующей эксплуатации в лабораториях различных производств и учреждений при контроле фтористого водорода в атмосферном воздухе и сложных технологических газовоздушных смесях.

Список литературы:

1. Кальвода Р., Зыкова Я., Штулок К. Электроаналитические методы в контроле окружающей среды.-М.:Химия,1990.-240 с.
2. Карпов Е.В., Басовский Е.М. Расширение функциональных возможностей и улучшение характеристик датчиков метана. //Тез. докл. Всесоюз. конференции. «Сов. методы и средства автом. контроля атмос. воздуха и перспективы их развития» -  Киев: 1987.- С.71.
3. Анисимов О.В., Давыдова Д.А., Максимова Н.К., Черников Е.В., Щеголь С.С. Способ изготовления чувствительного элемента полупроводникового газового сенсора // Патент РФ: RU 2319953 от 20.03.2008, МПК⁷ G01N 27/12.
4. Муминова Н. И., Рахимова М. А., Сидикова Х. Г., Рашидова К. Х. Селективные полупроводниковые сенсоры для определения содержания фтористого водорода // Молодой ученый. 2016. № 11 (115). - С. 126-128.
5. Муминова Н.И., Абдурахманов Э., Мурадова Д.К., Юнусова З. Экоаналитический мониторинг фтористого водорода в газовой среде. European research- Innovation in science, education and technology XI- international scientific and practical conference  № 10 (11), 2015  Moscow 23-24.