專利名稱：一種用于煤礦火災(zāi)報警的乙烯傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種從煤礦井下或空氣中檢測微量(0.5～100ppm)乙烯的乙烯傳感器，具體地說，含有微量乙烯的空氣或氣體第一步先擴(kuò)散通過凈化催化劑，凈化掉能引起影響的一氧化碳?xì)怏w；第二步再擴(kuò)散進(jìn)入乙烯傳感器進(jìn)行電化學(xué)氧化反應(yīng)，獲得電流信號，從而得到微量乙烯的濃度。
乙烯是煤礦發(fā)生火災(zāi)的標(biāo)志性氣體之一，是繼煤層自燃釋放出大量一氧化碳之后緊接著出現(xiàn)的又一種氣體，所以檢測出微量的乙烯就能預(yù)報煤礦井下火災(zāi)的發(fā)生。目前雖然已有能檢測一氧化碳的傳感器(參見中國統(tǒng)配煤礦總公司印發(fā)的關(guān)于《KG3021型一氧化碳傳感器，506LC一氧化碳敏感元件》技術(shù)鑒定證書，1991年，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所)，如果有效檢測乙烯的傳感器和一氧化碳傳感器配合，就更能提高預(yù)報火災(zāi)的正確性。目前，檢測微量乙烯的方法有紅外吸收法，色譜氫火焰分析法，但由于煤礦的安全需要，不能直接用于煤礦井下分析。
本發(fā)明的目的是提供一種經(jīng)濟(jì)的、適用于煤礦井下大規(guī)模使用的，空氣或氣體中微量(ppm級)乙烯的乙烯傳感器。
本發(fā)明提供了一種用于煤礦火災(zāi)報警的乙烯傳感器，由透氣膜(2)、工作電極(3)、電解液(4)、對面電極(5)、透氣膜(2)透氧膜(6)疊合于殼體中構(gòu)成，工作電極(3)與對面電極(5)間加有恒壓源A，其特征在于在透氣膜(2)前附設(shè)一氧化碳過濾器(1)，其采用的一氧化碳凈化催化劑以CuO2、TiO2、SnO2或MnO2作為載體，Pt和/或Pd貴金屬作為活性成分，貴金屬含量分別為0.01～5.0％wt；其中電極(3)(5)用貴金屬Pt黑催化劑混合，聚四氟乙烯涂覆在聚四氟乙烯透氣膜上構(gòu)成，貴金屬含量在40～95％。
此外，本發(fā)明中所用的透氣膜(2)為聚四氟乙烯透氣膜；所用透氧膜(6)為氟乙烯氟丙烯共聚物；所用電解液為磷酸或硫酸溶液，濃度為0.1～5.0M。
本發(fā)明的原理(

圖1)是采用選擇性的一氧化碳凈化催化劑，首先將氣體中一氧化碳等凈化除去，而空氣或氣體中的微量乙烯擴(kuò)散通過凈化催化劑、聚四氟乙烯透氣膜(透氣率22.7毫升/大氣壓·秒·厘米2)、到達(dá)工作電極催化劑層，在催化劑作用下，與硫酸或磷酸電解液中的水發(fā)生氧化反應(yīng)，生成二氧化碳，同時釋放出電荷；在對面電極上，氧擴(kuò)散通過透氧膜(透氣率2.8×10-5毫升/大氣壓·秒·厘米2)、透氣膜(透氣率同工作電極)，到達(dá)對面電極催化劑層，在催化劑作用下，與電解液中氫質(zhì)子還原生成水，并吸收電荷。通過外電路導(dǎo)通，有電流流過，流過的電流與乙烯濃度成正比，整個反應(yīng)式可用下式表示(1)(2)(3)*所謂透氧膜，實際上對氣體沒有選擇性，由于透氣率小，既使空氣中21％的氧透過的量也小，所以ppm級乙烯濃度透過的量就可以忽略不計了。
(3)式的反應(yīng)是不能自發(fā)進(jìn)行的，必須有外電位來維持，且電位的大小對乙烯的氧化有很大的影響，只有當(dāng)工作電極的電位維持在合適的電位時反應(yīng)才能順利地進(jìn)行，故在外電路中還有一個維持工作電極電位恒定的部分，這就是＂定電位＂的含義。該乙烯傳感器可以在室溫，相對濕度≤98％以下的條件使用，檢測使用范圍為0～100ppm,1000ppm以下的一氧化碳?xì)怏w不會對乙烯傳感器產(chǎn)生干擾。
下面通過實施例對本發(fā)明的技術(shù)給予進(jìn)一步說明實例11.0％Pt+1.0％Pd/MnO2凈化催化劑制備稱重10克MnO2，量取0.025克/毫升的氯鉑酸和氯化鈀溶液各4.0毫升，三者混合均勻，加適量水調(diào)成漿糊狀擠條成φ2×2的顆粒，放進(jìn)管式爐中，氮?dú)夥障?00℃烘干2小時，通氮?dú)?10～30％氫)混合氣還原2小時，降至室溫，鈍化2天后取出。取出后的樣品用去離子水洗氯離子，pH=7,100℃烘干2小時。
實例2電極制備及安裝稱重Pt黑0.15克，量取60％(重量比)聚四氟乙烯乳液0.09毫升，兩者混合均勻，加適量蒸餾水，調(diào)成漿糊狀，涂在兩片面積為2厘米2，厚度為0.2毫米的聚四氟乙烯透氣膜上(透氣率22.7毫升/大氣壓·秒·厘米2)，制成的電極在管式爐中100℃烘干2小時，260℃燒結(jié)5分鐘成型，電極安裝在由聚氯乙烯材料制成的殼體中。
實例3乙烯傳感器性能1由于煤礦中的乙烯是繼一氧化碳大量出現(xiàn)之后才出現(xiàn)的氣體，檢測出微量的乙烯對于煤礦火災(zāi)報警是至關(guān)重量的，所以乙烯傳感器必須具有很高的靈敏度，表1是乙烯傳感器進(jìn)0.5ppm乙烯時的靈敏度實驗。實驗是在2.6升密閉容器中進(jìn)行的，按容積來計算需要注射的乙烯量。從表1中可以看出，該乙烯傳感器完全能檢測出0.5ppm的乙烯，但響應(yīng)時間較長，可能與乙烯的濃度有關(guān)，因為進(jìn)10ppm乙烯時，響應(yīng)時間只要1.5分。
表1乙烯傳感器在0.5ppm乙烯濃度時的靈敏度實驗響應(yīng)時間(分)顯示濃度(ppm)0- 050.210 0.230 0.360 0.490 0.5*以進(jìn)乙烯前為標(biāo)準(zhǔn)實例4乙烯傳感器性能2用實例1制備的凈化催化劑和實例2制作的電極組裝成乙烯傳感器進(jìn)行了各種乙烯濃度下的實驗，其結(jié)果列于表2中。實驗所用恒電位儀由日本北斗電工株式會社制造，用X-Y記錄儀(上海自動化儀表二廠)記錄傳感器輸出電流，實驗溫度為室溫。從表2中可以看出，乙烯傳感器檢測乙烯的線性范圍為0～100ppm。
表2乙烯濃度與傳感器輸出電流的關(guān)系乙烯濃度(ppm) 電流輸出(μA)10 1.020 1.950 4.8100 9.5150 11.5200 12.5
實例5乙烯傳感器性能3由于乙烯傳感器既能檢測微量乙烯，又能檢測出一氧化碳，所以乙烯傳感器中的凈化催化劑必須要把一氧化碳完金凈化掉，以消除一氧化碳對乙烯傳感器的干擾，才能達(dá)到精確檢測乙烯的目的，表3列舉了不同一氧化碳濃度時的四種凈化催化劑凈化實驗結(jié)果，實驗在室溫進(jìn)行，實驗條件同實例3。從表3中可以看出，傳感器未安裝凈化催化劑時，輸出電流很大，說明一氧化碳?xì)怏w對乙烯傳感器的干擾很大。但在凈化催化劑存在時，即使一氧化碳濃度達(dá)到1000ppm，乙烯傳感器也沒有檢測到一氧化碳，說明一氧化碳在擴(kuò)散進(jìn)入到凈化催化劑時，已被完全凈化。
表3凈化催化劑凈化一氧化碳實驗結(jié)果一氧化碳濃度 無凈化催化劑 Pt·Pd/MnO2Pt·Pd/TiO2Pt·Pd/CuO2Pt·Pd/SnO2(ppm) 電流輸出(μA) 電流輸出(μA) 電流輸出(μA) 電流輸出(μA) 電流輸出(μA)100 19 0 0 0 0200 38 0 0 0 0300 56 0 0 0 0400 75 0 0 0 0600 1100 0 0 01000 1800 0 0 0實例6乙烯傳感器性能4因為空氣或氣體中含有水汽，特別是煤礦井下含有飽和水汽，乙烯傳感器中的凈化催化劑抗水汽性能如何是表明乙烯傳感器是否具有實用價值的檢測儀器，表4列舉了凈化催化劑抗水汽性能。實驗是先將凈化催化劑放置于含有飽和水汽(相對濕度為95～98％)的密閉容器中，7天后，再進(jìn)行乙烯傳感器凈化一氧化碳的實驗，重復(fù)進(jìn)行。從表4中可以看出，凈化催化劑既使在飽和水汽中放置50天，凈化效果仍然很好。
表4凈化催化劑抗水汽性能一氧化碳濃度(ppm)傳感器輸出電流(μA)100020004000600010000
權(quán)利要求
1．一種用于煤礦火災(zāi)報警的乙烯傳感器，由透氣膜(2)、工作電極(3)、電解液(4)、對面電極(5)、透氧膜(2)透氣膜(6)疊合于殼體中構(gòu)成，工作電極(3)與對面電極(5)間加有恒壓源A，其特征在于在透氣膜(2)前附設(shè)一氧化碳過濾器(1)，其采用的一氧化碳凈化催化劑以CuO2、TiO2、SnO2或MnO2作為載體，Pt和/或Pd貴金屬作為活性成分，黃金屬含量分別為0.01～5.0％wt；其中電極(3)(5)用貴金屬Pt黑催化劑混合，聚四氟乙烯涂覆在聚四氟乙烯透氣膜上構(gòu)成，貴金屬含量在40～95％。
2．按權(quán)利要求1所述用于煤礦火災(zāi)報警的乙烯傳感器，其特征在于所用的透氣膜(2)為聚四氟乙烯透氣膜。
3．按權(quán)利要求1所述用于煤礦火災(zāi)報警的乙烯傳感器，其特征在于所用透氧膜(6)為氟乙烯氟丙烯共聚物。
4．按權(quán)利要求1所述用于煤礦火災(zāi)報警的乙烯傳感器，其特征在于所用電解液為磷酸或硫酸溶液，濃度為0.1～5.0M。
全文摘要
一種用于煤礦火災(zāi)報警的乙烯傳感器,由透氣膜、工作電極、電解液、對面電極、透氧膜透氣膜疊合于殼體中構(gòu)成,工作電極與對面電極間加有恒壓源A,在透氣膜前附設(shè)一氧化碳過濾器,其采用的一氧化碳凈化催化劑以CuO
文檔編號G01N27/26GK1228535SQ9811381
公開日1999年9月15日 申請日期1998年3月5日 優(yōu)先權(quán)日1998年3月5日
發(fā)明者董永來, 李文釗, 于春英, 江義 申請人:中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所