Study of the sorption of vapors fire and explosion hazard of substances to ensure fire safety in the manufacture of varnishes and paints
Аннотация: Установлена возможность применения сорбционных процессов для обеспечения пожарной безопасности при производстве строительных отделочных материалов, в частности лаков и красок. Проведены эксперименты с использованием углеродных нанотрубок при сорбции паров исследуемых веществ.
Ключевые слова: пожарная безопасностьгазоанализаторнаноматериалы
Автор:Гапеев Артем Александрович | Гаджиев Кямал Замин | Пуганов Михаил Владимирович |
Важным свойством сорбентов в потоке является быстрота сорбционно - десорбционных процессов, определяющих симметричность и ширину пика детекции отдельных веществ в потоке, время и полноту регенерации. В соответствии с поставленной задачей необходимо, чтобы покрытие проявляло высокую селективность к детектируемым веществам, а центры сорбции были энергетически и пространственно доступными.
Установлено, что при увеличении расхода газа-носителя существенно изменяется геометрия пика, фронты сорбции и десорбции выравниваются. Такие пики могут служить основой для количественного определения содержания вещества в потоке. При этом особенностью покрытий из углеродных наноматериалов является рост отклика сенсора при одинаковой концентрации бензола, фенола, других соединений в потоке при увеличении расхода. Это объясняется тем, что детектор на основе пьезовесов (пьезокварцевые резонаторы с покрытием) относится к потоковым. Особенностью эксплуатации пьезокварцевого резонатора с покрытием является то, что функцию разделительной колонки выполняет пленка-рецептор на электродах резонатора. Параметры взаимодействия компонента в потоке газа-носителя в проточных условиях сорбции с пленкой определяются, кроме сорбционного сродства, расходом газа-носителя и массой пленки.
При экспериментировании с диффузионным пробоотборником принципиальное значение приобретает регулирование и оптимизация скорости потока осушенного воздуха, применяемого в качестве газа-носителя.
Также особенностью потоковых детекторов является прямо пропорциональная зависимость площади пика или высоты его при малой ширине от количества вещества, прошедшего через ячейку детектирования и отсутствие зависимости сигнала от скорости потока газа-носителя [1].
Экспериментально установлено, что объем вводимой газовой пробы не должен превышать 10 % от объема закрытой ячейки детектирования, и не ограничен для проточной ячейки детектирования.
Таким образом, для решения технической задачи приемлем только проточный детектор на основе пьезосенсоров с покрытием, обеспечивающим формирование симметричного пика для различных по природе веществ.
Установлено, что сенсор с углеродными нанотрубками менее чувствителен к большинству веществ-тестов, но он позволяет существенно снизить погрешности при количественном определении их в потоке из-за симметричного пика, высокой обратимости сорбции, низкой гидрофильности, универсальности.
Для изучения особенностей распределения газов в модельном аппарате в качестве примера выбраны бензол, толуол и ацетон, пары которых широко распространены при производстве лаков и красок.
Проведены эксперименты с использованием углеродных нанотрубок при сорбции паров исследуемых веществ, получены графики зависимости колебания пьезосенсора от времени.
При проведении экспериментов использовалась миниатюрная ячейка детектирования газов в потоке. Пьезосенсор с селективной пленкой сорбента на электродах помещается в держателе на крышке, расположенном так, чтобы сенсор функционировал в режиме «в линию» относительно потока воздуха. При этом крышка жестко закреплена и совмещена с миниатюрным микропроцессором для возбуждения колебаний, регистрации и преобразования сигнала пьезосенсора и передачи его на цифровое табло или пункт сбора информации.
На крышку плотно надевается корпус ячейки детектирования, который выполнен в виде полой полусферы с рядами отверстий вверху с двух сторон, расположенными в одну линию с сенсором и параллельно относительно потока воздуха или газа. Через отверстия с одной и другой стороны корпуса поток воздуха равномерно омывает регистрирующий элемент, выходит из ячейки детектирования. На пьезосенсоре с двух сторон нанесено пленочное покрытие, которое избирательно сорбирует компоненты из потока. В результате этого изменяется частота колебаний пьезосенсора, что регистрируется и ежесекундно передается на пульт оператора. По изменению сигнала сенсора и градуировочному графику или уравнению, построенному или рассчитанному для каждого сенсора по стандартным смесям тестируемого газа, возможно нахождение содержания этого вещества в контролируемом потоке газов или воздуха.
Установлено, что базовая линия сенсора устойчивая, практически отсутствует дрейф. Пики для всех веществ, кроме фенола узкие и симметричные, влияние воды больше, чем на покрытии из фуллерена, высокочувствительная реакция на толуол.
Природа газа оказывает важное значение на долю просорбированного покрытием количества вещества, находящегося в потоке. Установлено, что толуол, изопропанол, ацетон сорбируются поверхностью углеродных нанотрубок, а фенол, вероятно – по каркасно-ситовому механизму (с проникновением молекул в объем покрытия) [2].
Установлено, что сенсор с углеродными нанотрубками без дополнительной модификации в течение длительного времени ежедневной эксплуатации стабилизирует базовую линию и покрытие. Максимальное изменение сигнала сенсора составляет около 9,2 кГц, что соответствует изменению массы покрытия (в том числе с сорбатом) порядка 8 мкг. Т.е. высокая сорбционная эффективность углеродных нанотрубок и каркасность покрытия приводят не только к самопроизвольным сорбционно-десорбционным процессам, но и принципиально изменяют характер генерирования объемных акустических волн в такой среде. Разность по массе между свеженанесенным покрытием и стабилизированным (выход на постоянную базовую линию) составляет около 4 мкг.
Список литературы