Научный руководитель: А.С. Гилев

IMG_20180302_111743 Широкова

Широкова презентация

Контроль содержания вредных для человека газов в атмосфере всегда играл одну из важнейших ролей в обеспечении безопасности людей на заводах, предприятиях, да и просто в повседневной жизни в городах. Ежегодно жертвами химических отравлений становятся десятки человек, и чаще всего причина – несвоевременное обнаружение превышения допустимой концентрации АХОВ (Аварийно-химически опасных веществ) в воздухе. Причиной может послужить отсутствие постоянного контроля или приборов, обеспечивающих этот контроль, а именно — газоанализаторов. Существует огромное количество различных приборов такого типа — от портативных одноканальных до многокомпонентных стационарных. На данный момент наибольшее распространение получили электрохимические и оптические газоанализаторы. Но, как и любые приборы, они имеют свои преимущества и недостатки. К основным минусам можно отнести высокую стоимость, что делает приборы такого типа недоступными для приобретения обычными людьми, а также низкую селективность и неустойчивость к внешним факторам воздействия, таким как радиация или сильные перепады температур. Исходя из этого, мы поставили перед собой цель – создание надежной и доступной сенсорной системы для обнаружения токсичных газов в атмосфере, в том числе и для работы в условиях чрезвычайных ситуаций.

Отдельным условием было то, что разработанные датчики должны обладать определенными характеристиками (такими как: небольшие габариты, маленький вес, независимость от внешних факторов, простота снятия показаний и забора проб), чтобы в дальнейшем сделать возможной их установку на беспилотные летательные аппараты. Данный вид эксплуатации может в разы облегчить работу спасательных или ликвидационных групп в случаях ЧС.

В качестве оптимального решения поставленной нами задачи было предложено создать систему сенсоров, принцип работы которой был бы основан на фотохромных реакциях между реагентом и определяемым газом в индикаторных трубках. Данный метод определения содержания анализируемых газов в атмосфере является разновидностью анализа с использованием индикаторных трубок и имеет ряд преимуществ, позволяющих использовать его для создания сенсоров, соответствующих заявленным нами характеристикам. Следовательно, сенсоры, основанные на данном принципе, будут отличаться следующими плюсами:

  • Быстрота проведения анализа и получение результатов непосредственно на месте отбора проб;
  • Малый вес и габариты:
  • Низкая стоимость;
  • Способность проведения анализа без источников электрической энергии;
  • Устойчивость к перепадам температур и влиянию радиации;
  • Высокая чувствительность и избирательность;
  • Способность проводить полуколичественный анализ;
  • Возможность осуществления многокомпонентного анализа.

Говоря о недостатках, следует упомянуть, что каждая индикаторная трубка после однократного использования подлежит замене, а также, используя заявленный метод, сложно говорить о точном количественном анализе содержания газа в пробе. Корректнее будет назвать его полуколичественным, ссылаясь на погрешность, которая может возникнуть из-за физических характеристик индикаторной трубки.

Для создания сенсорной системы использовались стеклянные трубки диаметром 4 мм и длиной 8 и 10 см. Каждая трубка заполнена селективным реагентом, который с двух сторон зафиксирован воздухопроницаемыми прокладками. В дальнейшем производилась калибровка сенсоров для нанесения на них шкалы концентраций для проведения полуколичественного анализа.

В ходе работы нами было создано три различных типа сенсоров, на сероводород, аммиак и хлор. Рассмотрим состав и принцип действия каждого сенсора в отдельности.

  1. Сероводород.
  • Класс опасности сероводорода – II.
  • Значение ПДК для сероводорода – 10 мг/м3 .

Принцип работы этой индикаторной трубки основан на реакции твердого трехводного ацетата свинца с газообразным сероводородом. В ходе химического взаимодействия образуется сульфид свинца, и мы можем наблюдать явное изменение окраски исходного реагента с белой на черную.

Pb(CH3COO)2*3H2O + H2S = PbS + 2CH3COOH + 3H2O

Для возможности в дальнейшем производить полуколичественный анализ, была проведена калибровка индикаторных трубок, на основании которой на каждый сенсор была нанесена индивидуальная шкала концентраций.

  1. Аммиак.
  • Класс опасности аммиака – IV.
  • Значение ПДК для аммиака – 20 мг/м3

Для создания сенсора на аммиак за основу нами была взята реакция этого газа с моногидратом сульфата меди. В ходе этой реакции образуется сульфат тетраамминмеди, который имеет синюю окраску.

CuSO4*H2O + 4NH3 = [Cu(NH3)4]SO4*H2O

При проведении первых тестирований сенсоров на основе моногидрата медного купороса было замечено, что реагент, насыщаясь парами воды из воздуха, тоже приобретает голубую окраску, что значительно затрудняет снятие показаний с сенсора и может приводить к ложным результатам анализа. Для решения этой проблемы нами была сделана двухкомпонентная трубка, в которой помимо основного реагента находился хлорид кальция, который выполнял роль сорбента воды и находился в трубке до основного реагента, дабы предотвратить неточность показаний.

  1. Хлор.
  • Класс опасности хлора – II.
  • Значение ПДК для хлора – 1,0 мг/м3.

При разработке сенсоров на хлор за основу было взято свойство более электроотрицательных галогенов замещать менее электроотрицательные в соединениях. В качестве возможных реагентов были выбраны иодид и бромид калия. В реакции хлора с иодидом окраска сенсора меняется с белой на темно-фиолетовую вследствие выделения чистого иода.

Cl2 + 2KI = 2KCl + I2

В ходе реакции хлора с бромидом калия выделяется бром, и сенсорная трубка приобретает рыжий цвет.

Cl2 + 2KBr = 2KCl + Br2

Но при тестировании индикаторных трубок на основе бромида калия был выявлен их главный недостаток, а именно то, что в процессе реакции выделяется бром, который при н.у. является жидкостью, а значит, растекается по трубке, и снятие полуколичественных показаний становится невозможным. В связи с этим дальнейшая разработка данного вида сенсоров не велась.

В настоящее время разработка сенсорных систем для качественного и количественного анализа атмосферы является одной из наиболее актуальных тем в области газоанализа. Исходя из поставленной нами цели сделать наши датчики подходящими для такого типа анализа, проанализируем их физические характеристики:

Вес 1 сенсора: в среднем 9 г

Длина: 8 и 10 см в зависимости от типа индикаторной трубки

Толщина: 6 мм

Предельная температура использования: стекло — 425-600°С, KI — 686°C, Pb(CH3COO)2 — 75°С плавятся в собственной кристаллизационной воде, а при 100°С начинают разлагаться, CuSO4*H2O — выше 650°C становится интенсивным пиролиз безводного сульфата, СaCl2 — 772°C.

Стоимость трубок: 100 р за штуку. Стоимость реагентов: Pb(CH3COO)2 – 340 р/кг , KI – 290 р/кг , CuSO4*5H2O – 265 р/кг. CaCl2 – 2300 р/кг. Следовательно, себестоимость одного сенсора примерна равна 350-450 р.

Подводя итог проделанной работе, можно сделать следующие выводы:

  • Разработана сенсорная система на основе индикаторных трубок для обнаружения токсичных газов в атмосфере;
  • Представлены три вида сенсоров на сероводород, аммиак и хлор;
  • Произведена калибровка и оснащение шкалой показаний концентрации индикаторных трубок на сероводород. Ведется калибровка остальных видов индикаторных трубок;
  • Произведенные сенсоры являются доступными для приобретения среднестатистическими покупателями (средняя стоимость одного сенсора примерно равна 450 р);