СПОСОБ СЕЛЕКТИВНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ АММИАКА И ЕГО ПРОИЗВОДНЫХ В ГАЗОВОЙ СРЕДЕ Российский патент 2013 года по МПК G01N27/02 

Изобретение относится к области аналитического приборостроения, а именно к сенсорам концентрации газов, и предназначено для селективного определения концентрации аммиака и некоторых его производных (например, гидразина и несимметричного диметилгидразина), и может быть использовано для медицинской диагностики, для экологического мониторинга в химической, нефтехимической, металлургической, холодильной, пищевой, электронной, авиакосмической и некоторых других областях промышленности.

Известен способ определения концентрации аммиака с помощью полупроводникового металлоксидного сенсора, при котором аналитическим сигналом является изменение значения электрического сопротивления сенсора (Б.Эггинс. Химические и биологические сенсоры. М., Техносфера, 2005. С.66-67).

Главный недостаток известного способа - недостаточная селективность. Все газы-восстановители (аммиак, угарный газ, водород, метан, сероводород, этанол и так далее) уменьшают сопротивление полупроводника n-типа в результате хемосорбции (донорный сигнал) и поэтому трудноотличимы при использовании полупроводниковых сенсоров. Второй недостаток данного способа - недостаточная стабильность, вызванная дрейфом электрического сопротивления сенсора.

Задача изобретения - разработка способа определения аммиака и его производных с использованием полупроводниковых сенсоров.

Технический результат от использования изобретения - увеличение селективности и стабильности анализа.

Технический результата достигается тем, что в способе определения концентрации аммиака и его производных в газовой среде, включающем измерение электрического сопротивления полупроводникового сенсора, аммиак и/или его производные превращают в оксиды азота с помощью конвертера.

Сущность способа заключается в следующем. Полупроводниковый сенсор находится в одной газовой камере вместе с конвертером - устройством, способным каталитически окислять аммиак или его производные:

4NH₃+5O₂→4NO+6H₂O,

2NO+O₂→2NO₂.

Оксиды азота, в отличие от аммиака, не уменьшают, а увеличивают сопротивление полупроводника n-типа в результате хемосорбции (акцепторный сигнал).

В качестве конвертера может быть использована, например, подогреваемая трубка, наполненная катализатором, или подогреваемая пластинка с нанесенным на нее слоем катализатора. Конвертер может работать в стационарном режиме (то есть непрерывно находиться при температуре, обеспечивающей каталитическое превращение) или в нестационарном режиме (температура конвертера, обеспечивающая каталитическое превращение, сменяется температурой, при которой каталитическое превращение не протекает).

На фиг.1 изображена схема устройства для селективного определения концентрации аммиака и его производных в газовой среде; на фиг.2 показаны результаты измерений электрического сопротивления газового сенсора от времени; на фиг.3 показана градуировочная кривая - зависимость отклика газового сенсора от концентрации аммиака.

Пример осуществления способа.

Способ селективного определения концентрации аммиака и его производных в воздухе был реализован в устройстве, включающем полупроводниковый сенсор 1 и конвертер 2, которые находятся в одной камере 3, связанной с внешней средой через отверстие 4.

Использовался сенсор, обладающий повышенной чувствительностью к диоксиду азота и к аммиаку, имеющий состав 96% SnO₂, 2% Sb, 2% La. Сенсор находится в стационарном температурном режиме (250°С). В качестве конвертера была использована диэлектрическая пластинка с нанесенным на нее слоем катализатора, имеющая встроенный нагревательный элемент. На поверхность пластинки нанесен слой катализатора, обладающий способностью превращать аммиак в оксиды азота (например, 96% SnO₂, 3% Pd, 1% Pt). Конвертер находится в нестационарном температурном режиме, что обеспечивается включением и выключением тока на нагревательном элементе. При нагреве температура конвертера достигает 350°С. Исследуемая газовая среда попадает в камеру через отверстие.

На фиг.2 показана зависимость электрического сопротивления сенсора от времени на воздухе (кривая 1), при концентрации аммиака 4,5 ppm (кривая 2), концентрации аммиака 9 ppm (кривая 3). Стрелками показаны моменты включения и выключения тока на конвертере. При нагревании конвертера поступающий из атмосферы аммиак окисляется до оксидов азота, которые определяются сенсором как окислители, при этом электрическое сопротивление полупроводникового сенсора n-типа увеличивается (линии 2 и 3 на фиг.2). При охлаждении конвертера оксиды азота перестают вырабатываться, уходят из камеры через отверстие. Сопротивление сенсора понижается (линии 2 и 3 на фиг.2) вследствие ухода оксидов азота и поступления аммиака. Чередование повышения и понижения сопротивления сенсора соответственно при нагревании и при охлаждении конвертера является отличительной особенностью определения аммиака и его производных, что позволяет проводить их селективный анализ. Например, при анализе воздуха (линия 1 на фиг.2) нагревание конвертера приводит не к повышению сопротивления сенсора, а к его понижению.

Преимуществом данного метода является также возможность повышения чувствительности анализа, так как оксиды азота, и особенно диоксид азота, имеет более высокий отклик по сравнению с аммиаком при их определении полупроводниковыми сенсорами.

Преимуществом данного метода является повышение стабильности анализа, так как аналитический сигнал может определяться по отношению, по разности или по относительной разности между сопротивлением сенсора в момент охлаждения конвертера и в момент нагревания конвертера, а не по абсолютному значению электрического сопротивления. В этом случае сравнивают между собой донорный сигнал аммиака и акцепторный сигнал оксидов азота. Таким образом, влияние дрейфа электропроводности, существенное при измерении абсолютного значения электрического сопротивления, сводится к минимуму.

В качестве аналитического сигнала была использована относительная разность значений электрического сопротивления сенсора в различные моменты времени. Одно измерение сопротивления (R₁) проводилось за 5 секунд до включения нагревателя на конвертере (момент включения нагревания показан стрелочкой на фиг.2). Второе измерение сопротивления (R₂) проводилось спустя 15 секунд после включения нагревателя на конвертере. Моменты регистрации сопротивлений R₁ и R₂ показаны крестиками на фиг.2. Аналитический сигнал G определяли по формуле:

.

Концентрацию аммиака определяли по градуировочной кривой фиг.3.

Изобретение может быть использовано для медицинской диагностики, для экологического мониторинга в химической, нефтехимической, металлургической, холодильной, пищевой, электронной, авиакосмической и некоторых других областях промышленности. В способе селективного определения концентрации аммиака и его производных в газовой среде, включающем измерение электрического сопротивления полупроводникового сенсора, аммиак и его производные превращают в оксиды азота с помощью конвертера. Изобретение обеспечивает увеличение селективности и стабильности анализа. 3 ил.

Способ селективного определения концентрации аммиака и его производных в газовой среде, включающий измерение электрического сопротивления полупроводникового сенсора, отличающийся тем, что аммиак и его производные превращают в оксиды азота с помощью конвертера.