Термокаталитические и электрохимические сенсоры для определения гидразина

Гидразин применяется в качестве топлива в жидкостных ракетных двигателях, которые надежны и безопасны в эксплуатации, имеют большой срок службы. Смесь гидразина с диметилгидразином применяется в качестве горючего первой и второй ступени ракет типа Титан, а также космического корабля Аполлон. БАСА разработан базовый вариант воздушно-космического самолета с двигательными установками работающими на гидразине и его производных. Развитое промышленное производство гидразина дало возможность в короткие сроки найти применение ему и в других областях науки, техники и сельском хозяйстве. В частности для получения полимеров, физиологически активных веществ, инсектицидов и фунгицидов. Гидразин и продукты его разложения токсичны-, взрыво-, пожароопасны. Предельная концентрация гидразина и несимметричного диметилгидразина в воздухе равна 0,1 мг/м3. Смесь паров гидразина с воздухом воспламеняется при концентрации 4,7−100% об. При контакте гидразина с оксидами меди, железа, кобальта, марганца, а также с веществами имеющими развитую поверхность (уголь, асбест и др.) может произойти его самопроизвольное воспламенение.

В связи с этим актуальны исследования, направленные на создание новых высокоэффективных и совершенствование существующих методов автоматического определения гидразина в технических отсеках транспортных средств и производственных помещениях, где осуществляется заправка и испытания топливных систем аппаратов. Сложность решения вышеуказанной задачи состоит в том, что концентрация гидразина в рассматриваемых газовых системах может отличаться на порядки и получаемая информация должна быть применима для принятия опережающих мер по снижению или устранению взрыво-, пожароопасных концентраций. Поэтому необходимы новые селективные, быстродействующие сенсоры, позволяющие непрерывно и автоматически контролировать содержание гидразина в газовых средах.

Рассматриваемое диссертационное исследование посвящено разработке селективного электрохимического и термокаталитического сенсоров, изучению их метрологических характеристик, созданию непрерывного автоматического метода определения гидразина в газовых смесях.

Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ Сочинского научно-исследовательского центра РАН на 1999;2003 гг. п. 5.4. «Разработка и создание экспрессных методов оценки качества окружающей среды» и плана НИР научного совета аналитической химии РАН.

Цель работы.

Цель работы заключалась в разработке селективного электрохимического и термокаталитического сенсоров с улучшенными метрологическими характеристиками для автоматического, непрерывного экспрессного определения гидразина в газовых средах с целью предотвращения загрязнения окружающей среды и принятия опережающих мер по снижению или устранению взрыво-, пожароопасных концентраций.

Научная новизна.

Разработаны селективные электрохимические и термокаталитические сенсоры для автоматического непрерывного определения гидразина в газовых средах. Селективность электрохимического сенсора обеспечивается за счет использования в чувствительном элементе диффузионной мембраны и проведения электропревращения гидразина при определенном значении потенциала на платиновом электроде в водно-органическом растворе электролита. Селективность термокаталитического сенсора достигается применением в чувствительном элементе катализаторов на основе оксидов переходных металлов, обладающих различной активностью к компонентам газовой смеси. Определены основные метрологические характеристики электрохимического и термокаталитического сенсоров от параметров окружающей среды (температуры, давления и влажности) и условий эксплуатации на реальных объектах. Разработан автоматический непрерывный метод анализа газовых сред замкнутых помещений на содержание гидразина, основанный на использовании электрохимического или термокаталитического сенсора.

Предложены динамический метод приготовления поверочных газовых смесей гидразина с воздухом и азотом, с погрешностью не превышающей 2% отн., основанный на смешивании в потоке гидразина с газом-разбавителем.

Вклад автора.

Автору принадлежат: обоснование и выбор электродов, электролита полимерной диффузионной мембраны электрохимического сенсора гидразина, по результатам электроокисления гидразина на различных твердых электродах в водном, водно-органическом и органических растворах электролитаразработка динамического метода и дозирующих устройств для приготовления поверочных газовых смесей гидразина, основанная на смешивании в потоке гидразина с газом-разбавителемобоснование выбора катализатора на основе оксидов переходных металлов для создания селективного термокаталитического сенсора гидразина, устойчивого к воздействию акустических, вибрационных и шумовых нагрузок в широком диапазонеопределение основных метрологических характеристик термокаталитического и электрохимического сенсоров гидразинарезультаты изучения влияния различных факторов (температуры, давления, влажности газовой среды и содержания в ней других веществ механических и акустических воздействий на погрешность определения гидразина в газовых средах разработанными сенсорамиэкспериментальные данные испытаний автоматического газоанализатора с разработанным термокаталитическим сенсором.

Практическая ценность работы На основании проведенных исследований разработаны методики, термокаталитический и электрохимический сенсоры для экспрессного автоматического непрерывного определения гидразина в газо-воздушных средах. Предложенные методики и сенсоры могут быть использованы для определения и контроля содержания гидразина в технических отсеках транспортных средств и производственных помещениях, где осуществляется заправка и испытания топливных систем летательных аппаратов. Полученные данные аналитического контроля предназначены для принятия опережающих мер по снижению или устранению взрыво-, пожароопасных ситуаций и защите обслуживающего персонала от отравления парами гидразина.

Разработанные термокаталитические и электрохимические сенсоры реализованы в выпускаемых газоанализаторах автоматического контроля за содержанием гидразина в газовых средах.

Основные положения, выносимые на защиту автоматическое непрерывное определение гидразина в газовых средах производственных помещений и технических отсеках транспортных летательных аппаратов в присутствии других горючих газоврезультаты исследования по созданию селективного термокаталитического и электрохимического сенсоров для непрерывного, автоматического определения гидразина в газовых средахметодика и дозирующие устройства для приготовления поверочных газовых смесей динамическим методом с погрешностью не превышающей 2% отн., основанная на диффузии гидразина в поток газа-разбавителярезультаты определения основных метрологических характеристик термокаталитического и электрохимического сенсоровданные метрологической аттестации малогабаритного автоматического термокаталитического газоанализатора гидразинарезультаты исследований по созданию термокаталитического сенсора устойчивого к воздействию в широком диапазоне акустических, вибрационных и шумовых нагрузок;

— результаты определения гидразина в газовых средах разработанными термокаталитическими и электрохимическими сенсорами.

Апробация работы Основные результаты проведенных исследований, а также данные их практического применения докладывались на конференции молодых ученых Сочинского НИЦ РАН (г.Сочи, 1999г)-Всероссийской конференции «Химический анализ веществ и материалов» (г.Москва, 2000г) — Международном экологическом конгрессе (Санкт-Петербург, 2000г).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 7 работ в виде статей и тезисов.

Структура и объем работы Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, выводов и списка литературы. Работа.

Выводы :

1. Разработан автоматический непрерывный метод селективного определения гидразина в газовых средах производственных помещений и технических отсеках транспортных летательных аппаратов, основанный на использовании термокаталитического или электрохимического сенсоров.

2. Предложены методика и дозируемые устройства для приготовления поверочных газовых смесей с погрешностью не превышающей 2% отн., основанной на диффузии гидразина в поток газа-разбавителя.

3. Разработаны селективные термокаталитический и электрохимический сенсоры гидразина. В термокаталитическом сенсоре селективность достигается за счет использования катализаторов на основе оксидов переходных металлов, обладающих различной активностью к компонентам газовой среды. Селективность электрохимического сенсора обеспечивается диффузионной полимерной мембраной, водно-органическим раствором электролита и потенциалом электрода соответствующим электропревращению гидразина.

4. Обоснованы выбор основных компонентов (состав катализатора, раствор электролита, природа полимерной мембраны, потенциал электропревращения и др.) термокаталитического и электрохимического сенсоров гидразина. Установлены и оптимальные параметры их эксплуатации.

5. На модельных газовых смесях гидразина, в соответствии с ГОСТом установлены основные метрологические характеристики разработанных сенсоров и созданных на их основе малогабаритных автоматических газоанализаторов.

6. Впервые разработан селективный, устойчивый к воздействию в w и широком диапазоне вибрации, акустики и шума миниатюрныи термокаталитический сенсор и малогабаритный автоматический газоанализатор гидразина.

7. Стендовыми испытаниями, в условиях реально соответствующим эксплуатации технического отсека транспортного летательного аппарата, показана целесообразность и преимущества разработанного термокаталитического метода, малогабаритного автоматического селективного газоанализатора при определении гидразина в газовых средах.