Спосіб визначення компонентів газової суміші

Номер патенту: 1230

Опубліковано: 30.12.1993

Автори: Яковенко Сергій Іванович, Вайнтрауб Марк Абрамович

Завантажити PDF файл.

Формула / Реферат

Способ определения компонентов газовой смеси, заключающийся в пропускании анализируемого газа над облучаемым адсорбционным полупроводниковым чувствительным элементом, отличающийся тем, что на полупроводниковый чувствительный элемент воздействуют излучением в полосе энергетического поглощения адсорбированных на поверхности чувствительного элемента молекул анализируемого компонента при температуре ниже температуры хемосорбции анализируемого компонента на данном чувствительном элементе.

Текст

Изобретение относится к аналитическому приборостроению и может быть использовано для определения и измерения различных компонентов газовой смеси. Измерение концентрации анализируемого компонента с помощью адсорбционных полупроводников чувствительных элементов известен достаточно давно. Известен способ определения концентрации кислорода в воздухе, в котором на поверхность полупроводникового чувствительного элемента воздействуют светом с длиной волны, соответствующей собственному поглощению полупроводника или короче [1]. Однако, во-первых, длина волны 230-290 нм не совпадает с заявляемым; во-вторых. в данном способе облучение не используется для увеличения скорости десорбции с поверхности полупроводника в области необратимой хемосорбции; в-третьих облучаются молекулы анализируемого газа,, а не сам полупроводник. Известен метод ИК-спектроскопии при анализе смесей и идентификации чистых ве ществ [2]. Однако, данный способ измерения реализуется с помощью физической адсорбции, а не с помощью хемосорбции. Более того, при этом температура не может превышать температуру 150-170°С, и по сравнению с обычной температурой хемосорбции температура не может снизиться на 50-70°С, то есть данный способ не лежит в температурном интервале хемосорбции. Наиболее близким к изобретению является способ измерения компонентов газовой смеси, содержащий перестраиваемый по частоте лазер, вход блока управления перестройкой частоты излучения которого подключен к выходу генератора линейно изменяющегося напряжения [3]. Недостатком данного способа измерения является низкая точность и отсутствие гарантированного ответа о наличии либо отсутствии данного компонента в газовой смеси. Это объясняется тем, что в данном способе измерения возбуждаются различные адсорбционные поверхностно-активные центры. Известно, что молекулы различных газов адсорбируются на различных поверхностно-активных центрах. Но данный способ измерения в таком случае предполагает наличие однородной энергетической поверхности, что невозможно в реальных полупроводниках. Поскольку реальная поверхность энергетически неоднородна, так как каждый вид адсорбционных активных центров, имеющий свою энергию возбуждения, находится в равновесии на энергетической поверхности полупроводника только в невозбужденном состоянии, то при активации такого адсорбционного центра произойдет перераспределение энергетических уровней на всей поверхности полупроводника. В результате такого перераспределения мешающие компоненты могут адсорбироваться и на други х поверхностно-активных центрах. Поэтому данный способ измерения и является чрезвычайно неточным, а при низких концентрациях мешающих компонентов не дает гарантированного ответа о наличии либо отсутствии данного компонента. В основу изобретения поставлена задача создания способа определения компонентов газовой смеси, в котором повышение избирательности к анализируемому компоненту обеспечивается воздействием излучения в полосе энергетического поглощения адсорбированных на поверхности чувствительного элемента молекул анализируемого компонента при температуре ниже температуры хемосорбции анализируемого компонента на данном чувствительном элементе. Поставленная задача решается тем, что в способе определения компонентов газовой смеси, заключающемся в пропускании анализируемого газа над облучаемым адсорбционным полупроводниковым чувствительным элементом, согласно изобретению, на полупроводниковый чувствительный элемент воздействуют излучением в полосе энергетического поглощения адсорбированных на поверхности чувствительного элемента молекул анализируемого компонента при температуре ниже температуры хемосорбции анализируемого компонента на данном чувствительном элементе. Наличие воздействия излучения в полосе энергетического поглощения адсорбированных на поверхности чувствительного элемента молекул анализируемого компонента при температуре ниже температуры хемосорбции анализируемого компонента позволяет получить наиболее точный способ определения компонентов газовой смеси с гарантией определения наличия или отсутствия данного компонента. При этом снижение температуры чувствительного слоя необходимо для избирательности данной системы. Таким образом, воздействие излучением на данной полосе энергетического уровня позволяет решить поставленную задачу. Предлагаемый способ измерения отличается от известных физической природой процессов, протекающих при взаимодействии молекул с поверхностью полупроводникового чувствительного элемента. В теоретических работах различных авторов рассмотрен вопрос о влиянии на хемосорбцию электромагнитных излучений при воздействии излучений на полупроводниковый чувстви тельный слой, при котором возбуждаются поверхностноактивные центры [4]. При анализе многокомпонентных газовых смесей улучшение избирательности таким путем достичь не удалось, так как на возбужденных активных центрах происходит хемосорбция имеющихся компонентов. В случае химической адсорбции, адсорбированные частицы образуют единую квантово-механическую систему. В предлагаемом способе измерений хемосорбированные частицы трактуются как "примеси", внедренные в поверхность металла, то есть как некоторые структурные дефекты, нарушающие строго периодическое строение поверхности. При такой же трактовке хемосорбированная частица и решетка участвуют в электронном обмене в пределах единой квантово-механической системы. При трактовке хемосорбированных частиц как поверхностной "примеси" стирается принципиальное различие между хемосорбированными частицами и "биографическими" структурными дефектами. Различие состоит в том, что хемосорбированные частицы способны уходить с поверхности в газовую фазу и приходить с нее на поверхность, в то время как "биографические" дефекты прочно связаны с поверхностью. В ряде теоретических работ было показано, что хемосорбированная частица, рассматриваемая как структурный дефект поверхности, оказывается центром локализации для свободного электрона решетки, служа для него ловушкой и выступая в роли акцептора для свободного электрона [4]. Или же (это зависит от природы частицы) она может служить центром локализации для свободной дырки, выступая в роли донора. Из указанного выше вытекает, что для электронного обмена между решеткой кристалла и адсорбированной на поверхности частицей при недостаточной энергии активации необходимо увеличить либо энергию адсорбированной молекулы либо энергию поверхностных частиц кристалла. В связи с тем, что хемосорбированные частицы способы уходить в газовую фаз у. то при их возбуждении и обмене с частицами кристалла электронами, они не нарушают сложившееся распределение между частицами кристалла. Изобретение поясняется чертежами: на фиг. 1 изображена энергетическая структура газа; на фиг. 2 - модель механизма адсорбционно - десорбционного равновесия; на фиг. 3 и 4 - графики, характеризующие заявляемый способ. Физический смысл предлагаемого способа измерения (определения) компонентов газовой смеси состоит в следующем. Рассмотрим электрон, который необходимо перевести в зону проводимости (фиг. 1). При сообщении атому дополнительной энергии, он может перейти в возбужденное состояние. При этом часть электронов перейдет на более высокие энергетические уровни, а часть уровней окажется свободной. Очевидно, что дополнительная энергия, сообщаемая атому для перевода его в возбужденное состояние, должна быть не меньше ширины запрещенной зоны. Только в этом случае энергия будет достаточной для перевода электрона на более высокий разрешенный уровень. Валентная зона и зона проводимости разделены запрещенной зоной. Ширина запрещенной зоны DE соответствуе т минимальной энергии, которую необходимо сообщить электрону, находящемуся в валентной зоне, чтобы перевести его в зону проводимости. Электрону, находящемуся в валентной зоне совершенно безразлично, за счет какой энергии он получит свою часть DE для перехода в зону проводимости. Такую энергию он может получить за счет теплового, оптического, магнитного, ультразвукового и т.д. возб уждения атома (молекулы). Поскольку механизмы адсорбционно-десорбционного равновесия очень сложны, ограничимся простым рассмотрением модели, заявляемой в формуле изобретения (фиг. 2), где 1-атом (молекула) газа, адсорбированная на чувствительном слое; 2-атом чувствительного слоя, 3-валентная зона атома газа; 4-валентная зона чувствительного слоя; 5-зона проводимости атома газа; 6-зона проводимости атома чувствительного слоя; 7-свободный электрон атома чувствительного слоя; 8-нагреватель чувствительного слоя. Адсорбированный атом газа будет возбуждаться теплом, передаваемым от чувствительного слоя (Т) и излучением (l ) , которое соответствует полосе поглощения данного газа. Таким образом, ширина запрещенной зоны будет преодолена за счет где E1 - собственная энергия электрона, Е2 -энергия, полученная при тепловом возбуждении, E3 - энергия, полученная при возбуждении излучением. Поскольку в многокомпонентной газовой смеси при облучении различной частотой будет возбуждаться только молекулы (атомы) того газа, для которого данная частота лежит в полосе поглощения, то мы и получим механизм избирательного анализа многокомпонентной системы. Снижение температуры ниже температуры хемосорбции здесь также необходимо, иначе член Е2 уравнения (1) может стать достаточным для преодоления электроном запрещенной зоны, то есть Более полно для молекулы анализируемого компонента газовой смеси, энергия, необходимая для хемосорбции, то есть энергия, необходимая для возникновения химической связи с переводом электрона в зону проводимости, на поверхности полупроводникового чувствительного слоя: где Ем01 - энергия не возбужденной молекулы анализируемого компонента; Емв - энергия резонансного возбуждения в полосе поглощения молекулы анализируемого компонента; Емт1 - энергия тепловой активации молекулы анализируемого компонента, адсорбированной на полупроводниковом чувствительном слое; Ехем энергия, достаточная для возникновения химической связи и перевода электрона в зону проводимости. Для молекул остальных компонентов газовой смеси: где Емоі - энергия не возбужденной молекулы моі-ой не анализируемой компоненты; Емті - энергия тепловой активации молекулы мті-ой не анализируемой компоненты, адсорбированной на полупроводниковом чувствительном слое; Ехем - энергия, достаточная для возникновения химической связи и перевода электрона в зону проводимости. Из указанного выше следует, что энергию, достаточную для протекания электронных процессов будут иметь только молекулы анализируемого компонента. Рассмотрим примеры реализации описанного способа измерения. При работе со структурой ZnCoO4 с модификаторами для обнаружения CO было установлено, что полученный чувствительный слой изменяет проводимость при наличии паров этилового спирта, бензина и ацетона. При концентрации компонентов выше 20 мг/м 3 измерение CO становится невозможным, так как сигнал, получаемый за счет воздействия мешающих компонентов, становится сравним с сигналом, получаемым за счет воздействия на чувствительный слой CO при концентрации CO до 10%. Все исследования были проведены на датчике, конструкция которого аналогична датчику по [5]. Температура чувствительного слоя была равна 420-450°С. При снижении температуры чувствительного слоя ниже 200°С датчик не выдал сигнал при концентрации СО до 25% и концентрации мешающих компонентов до 2000 мг/м 3. Выход был найден при воздействии на молекулы СО, адсорбированные на чувствительном слое при температуре 300±10°С светового монохроматического потока излучения в полосе поглощения молекул СО ( l = 2100см -1 при коэффициенте поглощения к=9%). На фиг. 3 и фиг. 4 приведены графики, полученные при температуре чувствительного слоя 300°С при одних и тех же концентрациях компонентов газовой смеси с воздействием и без воздействия светового излучения. Таким образом, в первом случае (см. фиг. 3) удалось повысить избирательность чувствительного слоя к СО, что является частным случаем реализации заявляемого способа измерения. Вторым общим случаем (фиг. 4) явились данные, полученные на сложном оксидном полупроводнике, изготовленном по технологии, описанной в статье "Адсорбционный полупроводный элемент, чувствительный к высоким концентрациям кислорода" [6]. Полупроводниковый чувствительный слой состоит из V2O5+СоО. носителем является Al2O3 ; модификаторами MoO3 и Pd. Работа проводилась на газовой смеси, состоящей из SO2, При температуре чувствительного слоя 450°С выделить компоненты из состава газовой смеси не удалось. Исследования по воздействию излучения проводились при температуре чувствительного слоя 250°С. При этом адсорбированные молекулы газовой смеси облучались резонансным излучением в полосе поглощения исследуемых газов: Работа проводилась в следующей последовательности: - во-первых, при температуре чувствительного слоя 300-350°С проверена селективность чувствительного слоя в анализируемой смеси. Выделить отдельные компоненты не удалось; - во-вторых, в термостатированной кювете при температуре чувствительного слоя 250°С молекулы, адсорбированные на чувствительном слое, поочередно возбуждались резонансным излучением в полосе поглощения каждого конкретного газа с помощью лазеров на органических красителях модели 375 и 420 фирмы "Spectra Physics", США. Контроль спектра проводился с помощью спектрофотометров ИСК-24 и ИСК-29, СССР; - в-третьих, действие излучения проверено на трех контрольных газовых смесях, состоящих из перечисленных газов, - в-четверты х, при воздействии излучения удалось измерить концентрации каждого из компонентов. Ошибка измерений не превышала 10%. При этом газовые смеси были приготовлены лабораторией ВНИИАП, Техникоэкономическое преимущество данного способа измерения состоит в возможности замены нескольких приборов аналогичного назначения на один многокомпонентный газоанализатор, либо выпуск приборов с большим уровнем унификации. Способ может быть использован для разработки приборов нового поколения, для контроля окружающей среды и контроля и управления технологическими процессами.

Дивитися

Додаткова інформація

Назва патенту англійською

Method for determination of components of gas mix

Автори англійською

Vaintraub Mark Abramovych, Yakovenko Serhii Ivanovych

Назва патенту російською

Способ определения компонентов газовой смеси

Автори російською

Вайнтрауб Марк Абрамович, Яковенко Сергей Иванович

МПК / Мітки

МПК: G01N 27/02, G06M 11/00

Мітки: суміші, визначення, газової, компонентів, спосіб

Код посилання

<a href="http://uapatents.com/3-1230-sposib-viznachennya-komponentiv-gazovo-sumishi.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентів України">Спосіб визначення компонентів газової суміші</a>

Подібні патенти