空气中丙酮检测

空气中丙酮的检测

前言

丙酮物理性能为:分子量58,比重0.791,沸点56.2’C,熔点一95.4’C,20’C 时蒸汽压24.1kPa,蒸汽相对密度2.0,闪点一9.4’C(杯),爆炸极限2.5%一12.8%。常温时液态具挥发性,与水和其他有机剂完全混溶,无色.有特殊甜味。吸人高浓度(约1000ppm),对鼻腔和咽喉有轻微的刺激,极高浓度下(大于10000ppm)可能造成头疼虚弱、困倦、恶心、酒醉感及呕吐。

丙酮在工业中有着广泛的应用。可以作为很多有机物质的良好溶剂,比如:石油、石蜡、树脂、橡胶、塑胶、油漆等。同时由于其价格便宜,又能与水混溶,也常用作萃取剂。另外,它在化学合成中又是一种重要的原料,可以用来合成甲基异丁基酮、异亚丙基丙酮醋酸、二酮醇等川。此外,丙酮还是动物体物质代谢的一种产物,其浓度可以反映生物体的机体状况。机体中的丙酮浓度过高可以引起酮中毒。由此看来,对丙酮气体的检测很有必要性。此前对丙酮气体的定量检测方法主要有:气相或液相色谱法、分光光度计法、石英晶体微量秤法、光寻址电位传感器(LAPS)法叫和光纤传感器法圈等。这些检测方法检测成本比较昂贵,传感器的制备方法复杂。氧化物半导体气敏传感器,由于其灵敏度高、响应快、体积小、能耗与成本低、操作简单等特点,广泛地应用在对各种目标气体的检测上。在最近几年里,国内外对丙酮半

导体材料的研究取得了一些进展。

丙酮气敏传感器的应用

丙酮气敏传感器可以在众多领域内发挥重要的作用。在工业及公共安全中的应用:丙酮气敏传感器可以监测环境中丙酮气体的泄漏,对于有可能造成的安全和人身健康方面的重大危害做出报警。在医学上的应用:诊断和监测糖尿病和酮酸中毒症。糖尿病患者,脂肪酸氧化作用的速度增加,促使肝脏制造酮体,而丙酮是酮体代谢的最终产物,大量酮体产生时,体内的碱被消耗,造成酮酸中毒。血液中的丙酮通过多孔的血管壁,混于交换气体中,因此患者呼出气体中丙酮的浓度必定与血液中丙酮的浓度成正比，如图l所示。通过对人呼出气体中丙酮气体浓度的检测,可以起到诊断和监测病情的目的困。

在畜牧业中的应用:通过对乳牛呼气中的丙酮气体浓度的

检测.可以监测乳牛的健康状况。对于情况不好的牛只可以及

时采取措施治疗。

在食品质量检测中的应用:通过对肉类食品挥发的气体中

丙酮浓度的检测来评价食物的保鲜状况

氧化物半导体丙酮气敏材料及特性

多种氧化物及复合氧化物可以作为检测丙酮气体的敏感材料,而且通过掺杂改性还可以实现对基质材料性能的调控。这使得氧化物半导体气敏传感器材料有着丰富的选择和优化余地。ZnO基丙酮敏感材料匡。纯的ZnO烧结体对丙酮仅有微弱的敏感性,经过其他金属离子的掺杂后敏感性有很大的改善。掺杂电负性高的酸性金属离子W6+和Mo6+,有利于提高对丙酮的灵敏度。工作温度为500’C时,WO3-ZnO和MoO3-ZnO对浓度为20ppm的丙酮气体的灵敏度可以达到60左右。WO3-ZnO和MoO3-ZnO的响应时间不长于30s,恢复时间在20s之内。响应恢复特性如图2所示。灵敏度随丙酮气体浓度呈线性递增变化,如图3所示,有利于应用在丙酮气体的定量检测中。同时,还具有良好的选择性和抗外来气体干扰的能力,对正己醛、甲基毗嚓其他气体的灵敏度都比较低。

氧化物半导体丙酮气敏材料敏感机理

半导体陶瓷的气敏特性,大多通过待测气体在陶瓷表面的附着、产生某种化学反应(如氧化、还原反应)、于表面产生电子的交换(俘获或释放电子)等作用来实现的。以n型氧化物半导体为例:暴露在空气中的

氧化物陶瓷,通常会出现氧的吸附。这个过程中,存在空气中的自由氧02、物理吸附氧02、化学吸附氧O2-和O、晶格氧02的平衡。化学吸附的过程:

1/2O2+e-=O-

是自由氧从氧化物表面抽取电子过程,形成受主态及表面负空间电荷。促使能带上弯而形成肖特基势垒并出现电子耗尽层,形成表面的高阻态。吸附氧和待测气体分子或其分解中间产物反应,又会释放电子,使得表面电阻下降。从而实现从电阻信号的变化上来检测待测气体种类及其浓度。这种表面过程在不同的半导瓷及不同的气氛中作用不尽相同,大多与陶瓷表面氧原子(离子)的活性(结合能)的情况密切相关。

工作原理及其参数。

工作原理图

工作参数

灵敏度

S=Ra/Rg-Vg/Va（对n型半导体）

Ra——气敏元件在洁净空气中电阻值

Rg——气敏元件在实测气体中电阻值

Va——气敏元件在空气中负载电阻输出电压

Vg——气敏元件在实测气体中负载电阻输出电压

分辨率

a=(Vg-Va)/(Vgi-Va)或者(Ra-Rg)/(Ra-Rgi)

式中Ra、Rg、Va、Vg同上

Vgi——气敏元件在与测定气体同浓度的I气体中检测时负载电阻输出电压

结语

随着社会的发展和人民生活水平的提高,人们对安全、健康和环境保护的要求日益强烈。很多领域需要对低浓度丙酮气体进行高精度的检测。氧化物半导体以其灵敏度高、体积小、能耗与成本低、操作简单等特点,在丙酮气敏传感器的应用中发挥重要作用。在深化氧化物半导体和气体分子相互作用过程研究的基础上,通过有效掺杂,优化材料组成,改进和创新制备方法和工艺,引人催化剂进行表面修饰等,可以提高和改善材料对丙酮气体的灵敏度、检测精度、选择性和稳定性。

参考文献

魏文德有机化工原料大全(第二卷)第一版北京化学工业出版社,1989.355

徐嘉穗.利用薄膜技术制备电化学式丙酮感测器之研究.成功大学硕士论文,

郭斯淦,魏星群SnO::Tio:混合物薄膜在丙酮蒸气中的气敏光谱.化学传感器,1995.1