一種新型工業(yè)廢氣檢測裝置及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及環(huán)境領(lǐng)域，具體涉及一種新型工業(yè)廢氣檢測裝置及其制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著我國工業(yè)化的推進，目前，工業(yè)廢氣的排放已經(jīng)對環(huán)境造成很大的污染。工業(yè)廢氣是指企業(yè)廠區(qū)內(nèi)燃燒和生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的各種排入空氣的含有污染物氣體的總稱。包括有二氧化碳、硫化物、氮化物等。
[0003]工業(yè)廢氣的危害主要有對人體、對植物和對環(huán)境的危害，對工業(yè)廢氣的檢測能夠最大程度上減小其對人體等的危害。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明針對【背景技術(shù)】存在的問題，提供一種新型工業(yè)廢氣檢測裝置及其制作方法。
[0005]本發(fā)明提供了以下的技術(shù)方案:
[0006]一種新型工業(yè)廢氣檢測裝置，該廢氣檢測裝置由信號讀取系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)組成，信號讀取系統(tǒng)是基于固體電解質(zhì)型氣體傳感器，固體電解質(zhì)型氣體傳感器包括加熱板、布置在加熱板上的釔穩(wěn)定氧化鋯(YSZ)基板(1)和布置在YSZ基板上的鉑(Pt)參考電極
(4)、敏感電極A (3)和敏感電極B (5)，其中敏感電極A和敏感電極B分別布置在Pt參考電極的兩側(cè)，敏感電極A的材質(zhì)為氧化鎢納米顆粒摻雜納米氧化鎳粉，敏感電極B的材質(zhì)為納米Sn02粉ο
[0007]優(yōu)選的，所述YSZ基板為摻雜8mol % Y203，其物理大小為6mm*4mm*0.2mm,米用電化學方法腐蝕出兩個l*2mm區(qū)域的納米多孔結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)分別用來放置敏感電極A和敏感電極B ;在YSZ基板的納米多孔區(qū)域上制作直徑0.1-0.3mm的鉑金圓點作為YSZ基板與電極的連結(jié)；敏感電極A和敏感電極B的厚度均為0.5mm，敏感電極B中SnOjfi米粉的粒徑為15_22nm0
[0008]—種新型工業(yè)廢氣檢測裝置的制造方法，該廢氣檢測裝置由信號讀取系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)組成，信號讀取系統(tǒng)是基于固體電解質(zhì)型氣體傳感器，固體電解質(zhì)型氣體傳感器包括多孔釔穩(wěn)定氧化鋯(YSZ)基板，和布置在YSZ基板上的鉑(Pt)參考電極、敏感電極A和敏感電極B，其中敏感電極A和敏感電極B分別布置在Pt參考電極的兩側(cè)；其中，
[0009]a.取YSZ基板先后用水和無水乙醇多次超聲清洗，烘干后待用；
[0010]b.取鉑漿，在清洗過后的YSZ基板的中間制作l*2mm大小的細條狀鉑漿帶，在YSZ的多孔區(qū)域分別制作一個小的鉑漿圓點，大批量生產(chǎn)時，可以采用絲網(wǎng)印刷工藝；
[0011]C.取三段鉑絲分別粘在YSZ片子的剛涂好鉑漿的區(qū)域，然后將YSZ基板放置在紅外燈下烘烤數(shù)小時；
[0012]d.取適量敏感電極材料A、B，分別放入瑪瑙研缽中充分研磨后加入少量去離子水，調(diào)配成粘稠狀漿料A、B，分別將漿料A、B于基板多孔結(jié)構(gòu)處涂上形成傳感器的兩個敏感電極A、B，厚度為0.5mm ；
[0013]e.將上步驟得到的基板放入馬弗爐高溫800°C燒結(jié)兩小時；
[0014]f.在“幾”形Pt加熱板印有Pt電極的一面均勻涂上一層無機膠，然后將加熱板與上步驟中得到的基板粘在一起，放入馬弗爐中200°C燒結(jié)20分鐘，取出，即得傳感器原型器件。
[0015]優(yōu)選的，
[0016](1)多孔釔穩(wěn)定氧化鋯(YSZ)⑵制備:
[0017]采用雙槽電化學腐蝕法制備多孔結(jié)構(gòu)YSZ ；
[0018]a.取YSZ平板(8mol % Y203摻雜，6mm*4mm*0.2mm)，先后用水和無水乙醇多次超聲清洗，烘干；
[0019]b.配制預(yù)處理溶液:按照質(zhì)量份數(shù)，1-1.8%茶皂素，2%蘋果酸，其余為純凈水，然后將YSZ平板投入其中，完全浸沒，在50-58°C條件下處理20-28min，隨后用微波處理2min，洗凈自然干燥備用；
[0020]所述微波處理的參數(shù)為:2450MHz、65W，輻照2_5s，間隔lOmin，一共照射3_5次；
[0021]c.配制腐蝕溶液，取HF(體積份數(shù)40% )和去離子水按體積比1:5，適量添加高錳酸鉀混合，放入雙電槽電化學裝置，腐蝕槽與夾具均為耐腐蝕的聚四氟乙烯材料，電極為柱狀金屬Pt，夾具將腐蝕槽分為兩個互不連通區(qū)域，夾具中央具有兩個l*2mm特定形狀的孔洞；
[0022]d.腐蝕過程在黑暗條件下進行，裝置所用電源為恒流源，施加腐蝕電流密度為40mA/cm2，經(jīng)過30min，在YSZ平板上形成兩個l*2mm區(qū)域的多孔結(jié)構(gòu)⑵，制作完畢清洗后保存在無水乙醇中；
[0023](2)敏感電極材料A制備:
[0024]a.合成氧化鎢納米顆粒:稱取1.5gNa2W04溶于45mL去離子水中，在攪拌情況下，滴加濃度為3mol/L的HC1溶液至鎢酸沉淀完全；然后離心分離，將沉淀物放入小燒杯中，加入30mL去離子水，再加入75gKN03，劇烈攪拌，形成漿糊狀物，在180°C下水熱反應(yīng)12h，自然冷卻至室溫；將反應(yīng)物(沉淀)用去離子水充分洗滌，再用乙醇洗滌，過濾，在80°C下脫水干燥，得到產(chǎn)物即氧化鎢納米顆粒；
[0025]b.氧化媽納米顆粒摻雜氧化鎳:取質(zhì)量比為3:1的氧化媽納米顆粒與納米鎳粉放入攪拌器中，使其充分混合；然后將混合材料放入真空管式爐中，加熱至300°C，保溫4h，使鎳粉充分氧化，最后自然降溫至室溫；
[0026](3)敏感電極材料B制備:
[0027]a.首先將粒徑為15-22nm的SnOjfi米粉在80°C真空干燥箱中干燥12小時；
[0028]b.稱取干燥的Sn02納米粉2.0g，然后向其中加入4.0ml氯鉑酸溶液，濃度為10mmol/L，浸漬完全后將其超聲15min，使其混合均勻；
[0029]c.將混合物靜置6h，再放入真空干燥箱中在80°C干燥12h，干燥后將混合物在500°C下燒結(jié)12h，自然降至室溫，即得敏感電極B。
[0030]本發(fā)明的有益之處在于:
[0031]本發(fā)明通過基于固體電解質(zhì)型氣體傳感器，對于工業(yè)廢氣的檢測達到了出乎意料的靈敏度和超快的響應(yīng)恢復(fù)速度，能及時地檢測工業(yè)廢氣的有害物含量，具有很大的市場前景。
【附圖說明】
[0032]圖1為雙電槽電化學裝置示意圖；
[0033]圖2為本發(fā)明的檢測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034]圖3為YSZ平板多孔結(jié)構(gòu)示意圖；
[0035]圖4為本發(fā)明的氣體傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0036]本發(fā)明技術(shù)發(fā)明的設(shè)計主要出于對以下幾點的考慮:
[0037]氣體傳感器
[0038]氣體傳感器主要是指能夠在空氣或某一特性的環(huán)境內(nèi)，將目標氣體的種類及濃度等按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)化為可檢測信號的一種器件或裝置。檢測的方式主要有測試電流、電阻、電位、熱量、溫度等。根據(jù)氣敏傳感器的工作特性，主要分為半導體式、固體電解質(zhì)式等。
[0039]固體電解質(zhì)
[0040]固體電解質(zhì)類氣體傳感器一般都是電化學型傳感器，主要由電解質(zhì)、敏感電極和參考電極組成，電解質(zhì)是其重要組成部分。根據(jù)載流子的不同，導體可以分為電子導體和離子導體，后者即電解質(zhì)，除了一般的液體電解質(zhì)，還有一些離子晶體也具有高的離子導電率，這類固體導電體被稱作固體電解質(zhì)(solidelectrolyte)，包括陶瓷、玻璃、無機金屬鹽和一些有機高分子材料。
[0041]固體電解質(zhì)中導電離子可以為陽離子也可以是陰離子，其主要是由材料本身的缺陷決定的。
[0042]釔穩(wěn)定氧化鋯(YSZ)
[0043]穩(wěn)定氧化鋯/釔穩(wěn)定氧化鋯(YSZ)是最有用的一種固體電解質(zhì)，常溫下，氧化鋯(Zr02)是一種單斜晶體，離子導電率很低，當摻雜入適量的二價或三價立方對稱氧化物(Y203、MgO、CaO、Sc203)對其進行處理，可以表現(xiàn)出離子導電性，具有高的氧離子導電率、優(yōu)異的化學穩(wěn)定性、以及熱穩(wěn)定性和機械性，在固體氧化物燃料電池和氣體傳感器領(lǐng)域已被廣泛應(yīng)用。
[0044]多孔結(jié)構(gòu)YSZ
[0045]多孔結(jié)構(gòu)YSZ在元素組成上看依然是由原來互聯(lián)的原子組成，但是具有獨特的多孔疏松結(jié)構(gòu)。其比表面積大，利于氣體在三相界面(氧化鋯、電極、氣體)上發(fā)生反應(yīng)，提高靈敏度。本發(fā)明采用雙槽電化學腐蝕法制備YSZ的多孔區(qū)域，制作過程簡單，多孔區(qū)域形貌易控制。
[0046]氧化鎢氣敏性質(zhì)
[0047]氧化鎢為η型金屬氧化物半導體，是一種表面電阻控制型氣敏材料。氧化鎢晶體表面的原子性質(zhì)活躍，容易吸附氣體分子，而氣體分子吸附在晶體表面時，會使其內(nèi)部載流子濃度發(fā)生相應(yīng)變化，表現(xiàn)為傳感器的電阻變化。氧化鎢氣敏傳感器氣體吸脫附產(chǎn)生電阻變化的機理即氣敏機理非常復(fù)雜，目前為止研究者們尚無統(tǒng)一的認識。研究表明，氧化鎢對N02、HS2、S02等多種氣體均有較好的氣敏特性。然而，單純的氧化鎢薄膜的靈敏度、選擇性等多有不足，本發(fā)明制備了氧化鎢納米顆粒，可以增加材料與待測氣體的接觸面積，提高靈敏度，此外，復(fù)合了對氣體吸附具有催化作用或選擇性的氧化鎳顆粒，提高了敏感電極對氮氧化物氣體的選擇性。
[0048]3]102氣敏性質(zhì)
[0049]Sn02屬于η型半導體，由于氧空位或錫離子的存在，氣敏效應(yīng)明顯，一般認為其氣敏機理是表面吸附控制型機理。在潔凈的空氣中加熱到一定的溫度時，02會在Sn02表面吸附，形成多種吸附氧物種，電子由Sn02晶粒向吸附氧轉(zhuǎn)移，在Sn02晶粒表面形成耗盡層，敏感材料的電導降低，而在暴露于還原性被檢測氣氛(H2、C0、碳氫化合物氣體)中時，被檢測氣體與吸附氧物種發(fā)生反應(yīng)，Sn02晶粒表面或晶界處的吸附氧脫附，耗盡層變薄，從而引起電導增加，通過材料電導的變化來檢測氣體。本發(fā)明在Sn02納米薄膜基礎(chǔ)上添加Pt修飾，使其大大提高了對C0的檢測靈敏度。
[0050]對于釔穩(wěn)定氧化鋯基NOx傳感器的敏感機理，當傳感器置于檢測氣體環(huán)境中時，三相界面(氧化鋯、電極、氣體)上會發(fā)生一系列化學反應(yīng)，由于敏感電極與參考電極的催化速率不同，那么就會在敏感電極與參考電極之間形成一個電勢差，電勢差的大小反映了待測氣體的濃度大小，從而達到檢測氣體及其濃度的目的。由此可以知道，電極材料的電化學和化學催化活性，電極微結(jié)構(gòu)等是敏感電極考慮的主要因素。
[0051]圖2為本發(fā)明的工業(yè)廢氣檢測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，該工業(yè)廢氣檢測裝置10由信號讀取系統(tǒng)1和信號處理系統(tǒng)組成。
[0052]實施例1:
[0053]—種新型工業(yè)廢氣檢測裝置的制造方法，該廢氣檢測裝置由信號讀取系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)組成，信號讀取系統(tǒng)是基于固體電解質(zhì)型氣體傳感器，固體電解質(zhì)型氣體傳感器包括多孔釔穩(wěn)定氧化鋯(YSZ)基板，和布置在YSZ基板上的鉑(Pt)參考電極、敏感電極