УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ АММИАКА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ МАГНИТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛИАНИЛИНА

Предложение относится к области технических сенсорных устройств, позволяющих детектировать в окружающей среде низкие концентрации токсичного и взрывоопасного газа - аммиака.
Современные сенсоры газообразного аммиака используют в качестве детектирующего слоя неорганические полупроводники - оксиды переходных металлов. Принцип детектирования связан с хемосорбцией анализируемого газа на поверхность полупроводника и с изменением его электропроводящих свойств, либо с увеличением массы детектирующего слоя. В процессе хемосорбции аммиак конкурирует с атмосферным кислородом, который сорбируется полупроводником, а также с парами воды. Для детектирования аммиака применяют кондуктометрические и импедансометрические методы, а также метод пьезоэлектрического резонанса. [RU 2110061; RU 97106354; RU 2123685; RU 2110061; RU 2315986]
Основными недостатками адсорбционно-полупроводниковых газовых сенсоров аммиака, которые служат аналогами предлагаемому устройству, являются неудовлетворительная селективность, чрезвычайно высокая температурная зависимость чувствительности и, так называемая, «температурная инерционность» устройств, увеличивающая время детектирования и восстановления сенсора. Существенными недостатками являются также большие габариты и высокая стоимость устройств.
Наиболее близкими по сущности к предлагаемому устройству являются сенсоры аммиака, использующие в качестве детектирующего слоя материалы нового поколения - электропроводящие полимеры. Электропроводящий полимер полианилин (ПАНИ) в форме эмералдиновой соли (ЭС) вступает в прямое химическое взаимодействие с аммиаком, которое описывается уравнением:
В результате быстрой и обратимой реакции образуется эмералдиновое основание (ЭО), свойства которого кардинально отличаются от свойств эмералдиновой соли (Таблица).
Таблица.Свойства эмералдиновой соли и эмералдинового основания ПАНИ
СвойствоФорма
Электропроводность (Сименс/см)
Концентрация спинов (Спин/г)
Цвет
Плотность(Г/см3)
Эмералдиновая соль
10<sup>0</sup>
10<sup>20</sup>
Зеленый
1.40
Эмералдиновое основание
10<sup>-10</sup>
10<sup>18</sup>
Синий
1.23
Сенсоры аммиака на основе ПАНИ обладают высокой чувствительностью и селективностью. Они быстро реагируют на газ, обратимо регенерируются и могут использоваться многократно. Отсутствует температурная зависимость детектирования, оно осуществляется при нормальных температурах. Устройства миниатюрны и просты в исполнении. Сенсор аммиака, заявленный в патенте [US 5,252,292] является наиболее близким по сущности и достигаемому результату.
Обнаружение аммиака может быть основано на разных принципах детектирования, поскольку под воздействием аммиака меняется ряд характеристик ПАНИ. Наиболее часто используется кондуктометрический метод, регистрирующий изменение электропроводности. В устройстве прототипа, сконструированного по принципу «химического резисторам, слой ПАНИ перекрывает зазор между двумя электродами, которые могут быть выполнены из металла, углерода или инертных полупроводников.
Существенными недостатками сенсора, сконструированного по принципу «химического резисторам являются ошибки измерений, нарастающие во времени, и недолговечность устройства. Слабое звено конструкции представляет собой контакт пленки ПАНИ с электродами. Параллельно изменению электропроводности меняется плотность ПАНИ. Пленка полимера испытывает деформации, поэтому в процессе работы в ней формируются трещины. Это ведет к снижению чувствительности и нарастанию ошибки измерений. С течением времени пленка отслаивается от электрода, происходит коллапс устройства.
Технической задачей и положительным результатом является повышение надежности и долговечности сенсора. Это позволит при длительном использовании устройства получать надежные и воспроизводимые результаты.
Указанная техническая задача и положительный результат достигаются при использовании сенсорного устройства в виде частотного LC-генератора, основными элементами которого являются емкость - С, и катушка индуктивности - L. Внутри обмотки катушки, в качестве ее сердечника помещается пластиковая камера, заполненная пористым газопроницаемым материалом. Материал состоит из инертного носителя: пористой матрицы или частиц порошкообразного материала с большой удельной площадью поверхности и детектирующей компоненты - полианилина в форме эмералдиновой соли. ПАНИ в виде слоя наноразмерной толщины покрывает поверхность инертного носителя.
Устройство показано на прилагаемых чертежах, где:
на фиг.1 - общий вид устройства;
на фиг.2 - узел устройства с катушкой индуктивности и камерой заполненной детектирующим материалом;
на фиг.3 - камера, заполненная пористым инертным носителем и слоем полианилина на его поверхности.
Устройство представляет собой частотный LC-генератор - 1, основными элементами которого являются емкость - С - 2, и катушка индуктивности - L - 3. Внутри обмотки катушки индуктивности находится открытая во внешнюю среду камера - 4, содержащая чувствительный к аммиаку полианилин в форме эмералдиновой соли - 5. Полианилин в виде слоя наноразмерной толщины нанесен на инертный носитель с большой удельной площадью поверхности - 6. Камера имеет магистрали ввода - 7 и вывода - 8 регистрируемого газа.
Работа устройства осуществляется следующим образом. Анализируемая воздушная смесь поступает в камеру - 4 через магистраль подачи газа - 7 и удаляется через магистраль - 8. При наличии в ней паров аммиака, полианилин в форме эмералдиновой соли - 5 вступает с аммиаком в химическое взаимодействие. В результате часть эмералдиновой соли, количество которой пропорционально концентрации аммиака, превращается в эмералдиновое основание. Это приводит к понижению магнитной восприимчивости полианилина и влечет за собой изменение индуктивности катушки - 3, связанной с емкостью - 2. Как следствие, меняется частота работы LC-генератора - 1, по величине которой и определяется содержание аммиака в анализируемой смеси.
Такая конструкция сенсора, использующая бесконтактный метод детектирования аммиака, проста и миниатюрна. Она делает устройство надежным и долговечным при сохранении достаточных параметров чувствительности и селективности.