Датчик сероводорода
Сероводород (H2S) — ядовитый газ, характеризующийся характерным запахом, напоминающим тухлые яйца. [ 1 ] Он имеет несколько разговорных названий, в том числе канализационный газ, вонючую сырость, болотный газ и навозный газ. [ 2 ] Этот газ естественным образом встречается в сырой нефти, природном газе, горячих источниках и некоторых продуктах питания. В природе H2S является распространенным побочным продуктом разложения органических веществ, таких как отходы жизнедеятельности человека и животных, в септических и канализационных системах вследствие бактериальных процессов. [ 3 ] Кроме того, он производится в промышленных масштабах в значительных количествах с помощью таких видов деятельности и объектов, как добыча нефти и природного газа, переработка, очистка сточных вод, коксовые печи, кожевенные заводы, фабрики по производству крафт-бумаги и свалки. [ 4 ]
Датчик сероводорода или датчик H 2 S — это газовый датчик для измерения сероводорода . [ 5 ]
Принцип
[ редактировать ]Датчик H 2 S представляет собой металлооксид-полупроводниковый (МОП) датчик, который работает за счет обратимого изменения сопротивления, вызванного адсорбцией и десорбцией сероводорода в пленке из чувствительного к сероводороду материала, такого как оксида олова толстые пленки и золота тонкие пленки . Текущее время отклика составляет от 25 до 10 частей на миллион < одной минуты.
Газочувствительный механизм
[ редактировать ]Фундаментальный принцип, лежащий в основе обнаружения газа в газовых датчиках на основе МОП, основан на изменениях электропроводности или удельного сопротивления МОП. В МОП, работающих в типичных температурных диапазонах и в обычных атмосферных условиях, присутствие кислорода воздуха приводит к образованию обедненного электронами поверхностного слоя, который либо адсорбирует, либо хемосорбирует молекулы кислорода из окружающего воздуха. Первоначально, когда поверхностный слой подвергается воздействию воздуха, ионы кислорода, такие как O-2, O- и O2, адсорбируются на зернах оксида металла, вызывая эффект изгиба зон и создание области обеднения, известной как пространственный заряд. поле.
Когда определенные частицы целевого газа вступают в контакт с поверхностью зерен оксидов металлов, они взаимодействуют с анионами кислорода, что приводит к изменению концентрации электронов в материалах оксидов металлов. Следовательно, это изменение вызывает изменение проводимости, генерируя таким образом электронный ответный сигнал, который можно измерить количественно. Механизм обнаружения, используемый металлооксидными газовыми сенсорами, связан с адсорбцией ионов и частиц на их поверхности. Когда газовый датчик подвергается воздействию кислорода, образуются адсорбированные частицы кислорода, при этом атомы кислорода отрывают электроны из внутренней части оксида металла. Последующая последовательность реакций иллюстрирует кинетику этого процесса адсорбции.
O2(газ)⇔O2 (поглощенный),
O2(поглощенный)+e−⇔O−2, (<100∘C),
O−2+e−⇔2O− (100−300∘C),
и O−+e−⇔O2− (>300∘C).
Состав хемосорбированных ионов кислорода на газовых сенсорах зависит от рабочей температуры. При температуре ниже 100 °С преобладают ионы О-2, а в диапазоне от 100 до 300 °С преобладают ионы О-. При температурах выше 300 °C преобладающие хемосорбированные ионы кислорода смещаются в сторону O2-.
Опасные газы природного происхождения можно разделить на две группы в зависимости от их окислительного и восстановительного действия. Такие газы, как NO2, NO, N2O и CO2, считаются окислителями, а H2S, CO, NH3, CH4 и SO2 относятся к категории восстановителей. Когда датчик газа МО n-типа подвергается воздействию окисляющего газа, целевой газ взаимодействует с окружающими ионами кислорода и захватывает электроны на поверхности датчика. Это взаимодействие приводит к уменьшению концентрации электронов внутри МОП. Поскольку электроны являются основными носителями заряда в МОП n-типа, их проводимость уменьшается при воздействии окислительных газов.
Напротив, в газовом МОП-сенсоре p-типа первичными носителями заряда служат дырки. При воздействии окислительных газов извлеченные электроны увеличивают концентрацию дырок внутри МОП. Следовательно, проводимость МОП p-типа увеличивается в присутствии окислительных газов. На рисунке 1 представлена схематическая диаграмма, иллюстрирующая механизм чувствительности для МОП n- и p-типа.
Приложения
[ редактировать ]Датчики этого типа постоянно совершенствуются из-за токсичной и коррозионной природы сероводорода:
- Датчик H 2 S используется для обнаружения сероводорода в водорода потоке подачи в топливные элементы для предотвращения отравления катализатора и для измерения качества защитных слоев, используемых для удаления серы из углеводородного топлива. [ 6 ] /-
Исследовать
[ редактировать ]- 2004 г. — Нанокристаллический SnO 2 – Ag на датчике керамической пластины . Сообщается, что [ 7 ]
См. также
[ редактировать ]- Калибровка
- КМОП
- Дрифт (датчик)
- Глоссарий терминов топливных элементов
- Список датчиков
- Микроэлектромеханические системы
- Тонкопленочный металлооксидный полупроводник
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Мэлоун Рубрайт, Саманта Л.; Пирс, Линда Л.; Петерсон, Джим (01 декабря 2017 г.). «Экологическая токсикология сероводорода» . Оксид азота: биология и химия . 71 : 1–13. дои : 10.1016/j.niox.2017.09.011 . ISSN 1089-8603 . ПМЦ 5777517 . ПМИД 29017846 .
- ^ НИОШ: подготовка специалистов по охране труда: информационный бюллетень (Отчет). Министерство здравоохранения и социальных служб США, Служба общественного здравоохранения, Центры по контролю и профилактике заболеваний, Национальный институт охраны труда. 01 июля 2001 г. дои : 10.26616/nioshpub2001158 .
- ^ Чжан, Линчжи; Ван, Сюэцинь; Милле, Жан-Марк М.; Материя, Пол Х.; Озкан, Умит С. (15 декабря 2008 г.). «Исследование высокоактивных Fe-Al-Cu катализаторов реакции водогазовой конверсии» . Прикладной катализ А: Общие сведения . 351 (1): 1–8. doi : 10.1016/j.apcata.2008.08.019 . ISSN 0926-860X .
- ^ Ким, Ки Хён; Чой, Ю.Дж.; Чон, ЕС; Сону, Янг (1 февраля 2005 г.). «Характеристика зловонных соединений серы в свалочном газе» . Атмосферная среда . 39 (6): 1103–1112. Бибкод : 2005AtmEn..39.1103K . дои : 10.1016/j.atmosenv.2004.09.083 . ISSN 1352-2310 .
- ^ Датчики H2S
- ^ «Керамический датчик» . Архивировано из оригинала (PDF) 15 сентября 2020 г. Проверено 13 декабря 2009 г.
- ^ Гонг, Дж.; Чен, К.; Лиан, MR; Лю, Северная Каролина; Стивенсон, Р.Г.; Адами, Ф. (2006). «Микромашинный нанокристаллический датчик SnO 2 H 2 S, легированный серебром». Датчики и исполнительные механизмы B: Химические вещества . 114 (1): 32–39. дои : 10.1016/j.snb.2005.04.035 .