CC BY
5ДИСТАНЦИОННОЕ ДЕТЕКТИРОВАНИЕ ГАЗООБРАЗНЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИМ ДАТЧИКОМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОКСИДНОГО ФОТОКАТАЛИЗАТОРА
1 1 1 12 3
Хомутинникова Л.Л. , Мешковский И.К. , Литвинов М.Ю. , Евстропьев С.К. ' ' ,
Дукельский К.В. 12
1 Университет ИТМО, г. Санкт-Петербург 2 НПО «ГОИ им. С.И. Вавилова», г. Санкт-Петербург 3 Санкт-Петербургский государственный технологический институт (Технический университет),
г. Санкт-Петербург * E-mail: laralesnyh@yandex.ru DOI 10.24412/2308-6920-2023-6-308-309
Дистанционное детектирование газообразных углеводородов является актуальной задачей для многих отраслей промышленностей. Особенной важной является проблема разработки безопасных дистанционных оптических датчиков. К настоящему времени разработаны фотокаталитические датчики для детектирования горючих газов [1-3]. Однако, используемые в их составе фотокаталические композиты содержат благородные металлы (Pd ([1,2]); Au ([3])), и проблема применения более доступных и эффективных фотокатализаторов является актуальной.
В настоящей работе приводятся результаты разработки методики дистанционного детектирования газообразных углеводородов с помощью волоконно-оптического датчика при применении специально разработанного оксидного фотокатализатора. Детектирование горючих газов основано на измерении температурных изменений, происходящих при экзотермическом фотокаталитическом окислении органических соединений. Изменения температуры фиксируются волоконно-оптическим датчиком с брегговской решеткой.
Для детектирования горючих газов (метан; пары бензина) был разработан фотокаталитический оксидный материал системы ZnO-SnO2-Fe2O3, не содержащий дорогостоящих металлов платиновой группы. Для формирования фотокаталитических материалов был использован простой и универсальный полимерно-солевой метод, описанный ранее в [4]. В процессе разработки было изучено влияние химического состава, кристаллической структуры и морфологии материалов системы ZnO-SnO2-Fe2O3 на их адсорбционные и фотокаталические свойства, что позволило оптимизировать химический состав и структуру фотокатализатора. Исследования показали, что разработанный фотокатализатор состоит из оксидных нанокристаллов, размер которых не превышает 50 нм. Проведенными экспериментами по адсорбции и фотокаталическому разложению органического красителя в водных растворах было показано, что разработанный в работе фотокатализатор обладает высокими адсорбционными и фотокаталическими свойствами, заметно превосходящими характеристики большинства оксидных фотокатализаторов.
В работе была показана способность разработанных фотокатализаторов к генерации химически активного синглетного кислорода под действием УФ-излучения (370 нм) и синего (405 нм) света. Исследование генерации синглетного кислорода проводилось методом регистрации его характерной полосы люминесценции в ближней ИК области спектра (1270 нм).
На рис. 1 представлена схема установки по фотокаталитическому детектированию газообразных углеводородов волоконно-оптическим датчиком. В используемой схеме , баллон с метаном (P = 150 атм) подсоединен через редуктор к закрытой стеклянной трубке, внутрь которой помещена волоконная брэгговская решетка (ВБР), записанная в одномодовом оптическом волокне SMF-28. Оптическое излучение, генерируемое на источнике (ИИ) Thorlabs S5FC1005S, распространялось по волокну и через Y-ответвитель поступало на ВБР, после чего отраженный сигнал регистрировался на оптическом спектроанализаторе (ОСА) Anritsu MS9740B. Детектирование теплового эффекта при фотоокислении горючих газов проводилось по измерению сдвига резонансной длины волны ВБР относительно опорной решетки, также расположенной внутри датчика.
Рис.2а иллюстрирует изменения интенсивности люминесценции синглетного кислорода при периодическом облучении синим светом фотокаталитического элемента датчика. При облучении фотокатализатора протекает реакция окисления газообразных углеводородов и происходит увеличение температуры, регистрируемое волоконно-оптическим датчиком с брегговской решеткой. Характер регистрируемого изменения температуры при периодическом облучении синим светом фотокаталитического элемента датчика приведен на Рис.2б. Увеличение содержания углеводородов в газовой смеси находит свое отражение в величине наблюдаемых температурных изменений.
Рис.1. Схема экспериментальной установки по фотокаталитическому детектированию газообразных углеводородов волоконно-оптическим датчиком, где ВБР - волоконная брэгговская решётка; ИИ - источник излучения; ОСА - оптический спектроанализатор
Эксперименты показали, что разработанный датчик сохраняет свои характеристики при многократном применении, что отражает отсутствие необратимой адсорбции продуктов полного или частичного окисления углеводородов на поверхности фотокатализатора.
100
X
I
S so
П"
и
и
j ь 40
| К
20 9
О
200
■ISO 600 Вр»1я(с)
BOO 1000
ц 10
о
4 13
й Т к
Е
щ 2
О
облучение (<105 ни) • облучение отсутсгвует
• 1 1 t ,V:
4
! • .
" * L
1 Г
1
»»
■ t
. ■ А
* *
* »
• *
. * -
• .*
■ <
.f
200
400 600 Время (с)
300
1000
Рис. 2 а) Характер изменения интенсивности люминесценции синглетного кислорода при периодическом
облучении синим светом фотокаталитического элемента датчика. б) Характер регистрируемого изменения температуры при периодическом облучении синим светом фотокаталитического элемента датчика. Кривая 1 - изменение температуры опорной брегговской решетки; Кривые 2-4 - изменение температуры брегговской решетки с фотокатализатором при объемном содержании паров бензина в воздухе, %: 3.0 (кривая 2); 12.5 (кривая 3); 50.0 (кривая 3)
В результате работы продемонстрирована возможность дистанционного детектирования газообразных углеводородов волоконно-оптическим датчиком с использованием оксидного фотокатализатора системы ZnO-SnO2-Fe2O3.
Работа была выполнена при частичной поддержке гранта РНФ 20-19-00559).
Литература
1. Xia Y., et al, Sensors and Actuators B: Chem., 304. 127334 (2020)
2. Saboor F.H., et al, Sensors and Actuators B: Chem., 223. 429-439 (2016)
3. Gogurla N, et al, Sci. Rep. 4. 6183 (2014)
4. Evstropiev S.K., et al, Chem. Engin. Process. - Process Intens., 142, 107587 (2019)
