Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
НацІОНАЛЬНИЙ технІЧНИЙ унІВЕРСИТЕТ УкраЇНИ
“ КиЇвський полІтехнІЧНий Інститут ”
Букет олександр іванович
УДК 541.135:543.257
ЕлектрохІмІчНИЙ сенсор ОЗОНУ
для МОНІТОРИНГУ ПОВІТРЯНОГО СЕРЕДОВИЩА
Спеціальність 05.17.03 –технічна електрохімія
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Дисертацією є рукопис
Робота виконана в Національному технічному університеті України "Київський політехнічний інститут" Міністерства освіти і науки України на кафедрі технології електрохімічних виробництв, м. Київ
Науковий керівник: заслужений діяч науки і техніки України,
доктор технічних наук, професор
Чвірук Володимир Петрович
Національний технічний університет України “КПІ”,
завідувач кафедри технології електрохімічних виробництв
Офіційні опоненти: член-кореспондент НАН України, доктор технічних
наук, професор
Зарубицький Олег Григорович
Інститут загальної та неорганічної хімії
НАН України ім. В.І. Вернадського,
завідувач відділом
доктор хімічних наук, професор
Барсуков В’ячеслав Зіновійович
Київський державний університет технологій і дизайну,
завідувач кафедри електрохімічної енергетики і хімії
Провідна установа: Національний технічний університет
“Харківський політехнічний інститут”, м. Харків
кафедра технічної електрохімії
Захист дисертації відбудеться "" жовтня 2002 р. о 16 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.13 при Національному технічному університеті України "Київський політехнічний інститут" за адресою: 03056, Київ-56, пр. Перемоги, 37, корпус № 4, велика хімічна аудиторія.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету України "КПІ".
Автореферат розіслано “ 6 “ вересня 2002 р.
Вчений секретар спеціалізованої вченої ради
кандидат технічних наук, доцент Мотронюк Т.І.
1
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Вирішення низки технологічних, медико-біологічних та наукових проблем пов’язане з застосуванням озону –сильного окислювача з вираженою бактерицидною дією, здатного розкладати до інертних речовин токсичні, канцерогенні та інші забруднювачі природного і техногенного походження. Проте застосування сучасних озонових технологій потребує моніторингу повітряного середовища, оскільки озон є токсичним газом, гранично допустима концентрація (ГДК) якого в робочій зоні складає 0.05, а середньодобова ГДК населених місць – 0.015 ppm. Небезпека забруднення повітря озоном також виникає при експлуатації високовольтної апаратури, джерел іонізуючого випромінювання, а також в електрохімічних виробництвах сильних окислювачів. Серйозним джерелом забруднення повітря населених місць є утворення озону внаслідок фотохімічної взаємодії діоксиду нітрогену з вуглеводневими домішками автомобільних вихлопів під впливом сонячної радіації.
Ефективність заходів з захисту повітря від забруднення озоном визначається надійністю та доступністю засобів визначення його вмісту в газовому середовищі. Світовий парк технічних засобів моніторингу повітряного середовища, у тому числі по озону, здебільшого базується на електрохімічних сенсорах амперометричного типу, яким властиві висока надійність, простота обслуговування, низьке енергоспоживання і доступність. Однак відомі електрохімічні сенсори озону непридатні для моніторингу повітряного середовища, оскільки їх фоновий струм при коливаннях температури і вологості перевищує струмові сигнали при вмісті озону в повітрі на рівні ГДК. Отже, створення електрохімічних сенсорів озону для моніторингу повітряного середовища є актуальною задачею.
Труднощі розробки електрохімічних сенсорів для визначення у повітрі озону на рівні ГДК насамперед обумовлені проблемою створення окислювально-відновних систем, на електродах яких фонові струми окислення води та відновлення кисню в умовах реальних флуктуацій температури і вологості повітряного середовища мають бути нижчими за струмові сигнали відновлення озону. Це висуває проблему створення електрохімічних сенсорів озону у розряд складних науково-технічних задач.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в рамках науково-технічної проблеми створення електрохімічних сенсорів нового покоління для моніторингу повітряного середовища на кафедрі технології електрохімічних виробництв Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”. Робота виконана за проектом №2832 “Розробка електрохімічних сенсорів і генераторів та пристрою для каталітичного розкладання озону”Державного фонду фундаментальних досліджень Міністерства науки і освіти України (1997 р., номер державної реєстрації 0196U012353) і проектом №2397 “Синтез і дослідження композиційних матеріалів на основі електрокаталізаторів та іонообмінників з метою створення нових типів газових електрохімічних сенсорів”(2000 р., номер державної реєстрації 0100U000616) у відповідності з координаційним планом Міністерства освіти і науки України за напрямком 6.4 “Дослідження адсорбційних, каталітичних та корозійних явищ на поверхні твердих тіл з метою розвитку ресурсозберігаючих технологій”. Польові випробування розроблених зразків електрохімічних сенсорів проведені за договорами про науково-технічне співробітництво між НТУУ “КПІ”і низкою фірм приладобудівного профілю України і Російської Федерації та фірмою “Analytical Control Instruments”(Німеччина) у 1998 –рр..
2
Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є створення електрохімічного сенсора озону амперометричного типу, придатного для моніторингу повітряного середовища робочої зони та населених місць. Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:
Об’єкт дослідження –поведінка озону на газодифузійних електродах електрохімічних комірок з твердим протонним та матричним електролітами.
Предмет дослідження –механізм і кінетика розкладання та відновлення озону на каталітично активних і конструкційних матеріалах у системі з твердим протонним та матричним електролітами, розробка сенсора озону та визначення його метрологічних характеристик.
Методи дослідження. У роботі використовували електрохімічні методи: потенцометрія та гальваностатичні і потенціостатичні поляризаційні вимірювання, рН-метрія та кулонометрія. Кількісний та якісний склад озоноповітряних сумішей і розчинів визначали методами аналітичної хімії, у тому числі йодометрією. Питому поверхню порошкових матеріалів визначали методом БЕТ. Метрологічні характеристики розроблених сенсорів визначали за стандартизованими методиками, а результати вимірювань оброблювали статистичними методами з застосуванням програмного забезпечення персональних комп’ютерів.
3
Наукова новизна отриманих результатів:
Практичне значення отриманих результатів. Створено електрохімічний дозатор озоноповітряної суміші, який за визначених умов електролізу в межах допустимої похибки придатний для калібрування газоаналітичних приладів. Створені дво- і триелектродні сенсори озону і діоксиду нітрогену амперометричного типу для моніторингу повітряного середовища робочої зони та населених місць. Визначені метрологічні характеристики сенсорів. За основними технічними характеристиками сенсори переважають кращі зарубіжні зразки. Розроблені сенсори не містять дорогоцінних металів.
Сенсори пройшли тривалі польові випробування та знайшли практичне застосування у виробництві газоаналітичних приладів.
Особистий вклад пошукача. Пошукачем виконаний комплекс досліджень перехідних процесів при одержанні озону електролізом і механізму його розкладання на каталітично активних матеріалах та кінетики відновлення на газодифузійних електродах у системі з матричним електролітом.
4
Встановлено перебіг розкладання озону на каталітично активних матеріалах за електрохімічним механізмом у спряжених реакціях відновлення озону і окислення адсорбованої з атмосферного повітря води.
Встановлено, що в умовах абсорбційного граничного струму відновлення озону на газодифузійних електродах лімітуючою стадією є дифузія протонів у плівці фонового електроліту на основі броміду літію.
Виготовлені і випробувані зразки сенсорів озону і діоксиду нітрогену.
Оброблені літературні і експериментальні дані та оформлені результати роботи у вигляді тез доповідей і статей.
Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень представлені на міжнародних конференціях і симпозіумах “Eurosensors XI” (м. Варшава, 1997 р.), “Sensors Springtime in Odessa” (м. Одеса, 1998 р.), “Защита-98” (м. Москва, 1998 р.), “Электрохимические методы анализа” (м. Москва, 1999 р.), на 46, 50 і 51 з'їздах Міжнародного електрохімічного товариства (м. Ксіамен, Китай, 1995; м. Павіа, Італія, 1999 р.; м. Варшава, Польща, 2000 р.), на 7 Міжнародному Фрумкінському симпозіумі (м. Москва, 2000 р.), “Екологія. Людина. Суспільство” (м. Київ, НТУУ “КПІ”, 1998, 2001 рр.), на 46-му інтернаціональному науковому колоквіумі „Informationstechnologien in Transformationsmärkten“ (м. Ільменау, Німеччина, 2001 р.).
Публікації. За результатами дисертації опубліковано три статті у наукових журналах, один патент України і тези 12 доповідей.
Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, шести розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Загальний обсяг 170 сторінок, у тому числі 6 таблиць, 50 ілюстрацій і 2 додатки. Список використаних джерел включає 242 посилання.
У вступі наведена загальна оцінка проблеми, обгрунтована актуальність роботи, охарактеризовані її наукова новизна та практична цінність, сформульовані мета і задачі роботи.
У першому розділі дисертації узагальнені літературні дані з властивостей та методів одержання озону і галузей його застосування в сучасних технологіях. Наведені джерела забруднення озоном повітря робочої зони та населених місць і методи вимірювання його вмісту, у тому числі на рівні ГДК. Літературні дані показують, що за низкою показників найбільш ефективні методи моніторингу повітряного середовища засновані на використанні електрохімічних сенсорів амперометричного типу. Але сенсори озону цього типу, що є на світовому ринку, за роздільною здатністю непридатні для визначення озону в повітрі на рівні ГДК. Недоліком відомих сенсорів озону також є те, що для їх виготовлення застосовують дорогоцінні метали. Створення електрохімічних сенсорів озону, що відповідають сучасним вимогам, ускладнюється відсутністю в літературі даних з механізму і кінетики взаємодії озону з каталітично активними електродними та конструкційними матеріалами.
5