Elektrokémiai érzékelők használata toxikus gázok mérésére

Átírás

1 MUNKABIZTONSÁG 2.5 Elektrokémiai érzékelők használata toxikus gázok mérésére Tárgyszavak: munkabiztonság; toxikus anyag; detektálás; elektrokémiai eljárás; érzékelő; veszélyes anyag. Az elektrokémiai érzékelők az egyik leggyakoribb típusú érzékelők a hordozható gázdetektorokban. A több érzékelős, zárt terű rendszerek általában oxigénérzékelőt, tűzveszélyes, ill. éghető anyag érzékelőt és 1 3 darab, a toxikus gázok mérésére szolgáló elektrokémiai érzékelőt tartalmaznak. A toxikus gázok mérésére alkalmas egyérzékelős detektorok ott terjedtek el, ahol csak egyfajta toxikus gáz van jelen. A rendelkezésre álló nagyszámú, toxikus gázt kimutató elektrokémiai érzékelő ellenére még mindig sok téves információ és félreértés létezik az érzékelők teljesítményjellemzőivel és alkalmazásuk korlátaival kapcsolatban. A gázok detektálása Anyagspecifikus elektrokémiai érzékelők rendelkezésre állnak számos toxikus gáz így például a H 2 S, CO, SO 2, Cl 2, klór-dioxid, NH 3, foszfin, etilén-oxid, NO 2, O 3 mérésére. Az érzékelők kis méretűek, kicsi az áramigényük, kiváló a linearitásuk és a reprodukálhatóságuk és hoszszú az élettartamuk. A detektálás közvetlenül végrehajtható: a belépő gáz az érzékelőn elektrokémiai reakcióba lép, amely változást okoz az érzékelő elektromos kimenetén. A változás arányos a jelen levő gáz mennyiségével. Az elektrokémiai érzékelőket úgy alakítják ki, hogy minimálisra csökkentik a zavaró szennyeződések hatását, a lehető legspecifikusabbá téve ezáltal a mért gáz adatait. Egy tipikus elektrokémiai érzékelő felépítése az 1. ábrán látható. A gáz az elektrokémiai érzékelőhöz egy külső diffúziós terelőfalon át érkezik, amely áteresztő a gázra, de nem áteresztő a folyadékra nézve. Vannak kapilláris diffúziós terelőfalat tartalmazó érzékelők, ez a terelőfal korlátozza és ellenőrzi a gáz mennyiségét. Az érzékelő elektród

2 egy speciális detektálási reakciót katalizál. Az érzékelő függvényében a mérendő anyag az érzékelő elektród felszínén oxidálódik vagy redukálódik. A reakció következtében az érzékelő elektród potenciálja nő vagy csökken a mérőelektród potenciáljához képest. Az elektródokat az érzékelővel huzalok kapcsolják össze. A berendezés biztosítja az áramot az érzékelő számára és leolvassa az érzékelő kimenetén keletkező jelet. 1. külső nedvesség elleni terelőfal 2. diffúziós terelőfal 3. diffúziós kapilláris 4. H 2 S-érzékelő elektród 5. áramszedő (érzékelő) 6. elválasztó 7. referenciaelektród 8. áramszedő (referencia) 9. elválasztó 10. számláló elektród 11. áramszedő (számláló) 12. elválasztó 13. elektrolittároló 14. kanóc 15. konnektor csatlakozók 1. ábra Tipikus elektrokémiai érzékelő felépítése Az elektrokémiai érzékelők stabilak és hosszú élettartamúak, kicsi az áramfelhasználásuk. Felbontóképességük az érzékelő és a jelen levő szennyeződés függvényében +/ 0,1 ppm vagy kisebb. Széles hőmérséklet-tartományban ( C) használhatók. Az érzékelő nem korrigált kimenő jelét jelentősen befolyásolja a hőmérséklet változása, ezért az érzékelőkhöz hőmérséklet-kiegyenlítő szoftvert és/vagy hardvert telepítenek.

3 A legegyszerűbb kialakítású érzékelők két elektródos rendszert alkalmaznak, amely az érzékelő elektród potenciálját közvetlenül hasonlítja össze a mérőelektród potenciáljával. A három elektródos rendszerekben az érzékelő és a referencia elektródok közötti potenciálkülönbséget mérik. Miután a referencia elektródot védik a reakcióktól, a potenciálja állandó, ami megbízható alappontot ad az összehasonlításhoz. Az érzékelő elektród potenciáljának változása kizárólag a gázkoncentráció változásától függ. Az érzékelőben keletkezett áram arányos a jelen levő gáz mennyiségével. Az 1 ppm gázmennyiségre jutó áram mennyisége széles koncentrációtartományban állandó, ami megmagyarázza a három elektródos elektrokémiai érzékelők kiváló linearitását. Miért nem mennek tönkre a H 2 S-érzékelők még nagy gázkoncentráció esetén sem? Az elektrokémiai érzékelőkkel végzett mérések detektálási reakciókon alapulnak. A H 2 S elektrokémiai érzékelőn végbemenő oxidációja jó példája a nem fogyasztó elektrokémiai érzékelő detektálási mechanizmusának. A H 2 S az érzékelő elektródon oxidálódik: H 2 S + 4 H 2 O = H 2 SO H e - A mérőelektród a levegő oxigéntartalmának vízzé alakításával kiegyenlíti az érzékelő elektródon végbemenő reakciót: 2 O H e - = 4 H 2 O Minden, az érzékelőelektródon oxidálódó H 2 S molekulából 8 elektron termelődik. A keletkező áram az érzékelőelektródon oxidálódó H 2 S molekulák számának a függvénye. Minden 1,0 ppm, a levegőben mért H 2 S-hez az érzékelő 0,7 µa nyers kimenő áramot jelez, ami széles koncentrációtartományban lineáris (10 ppm esetén a kimenő áram 7,0 µa, 100 ppm esetén 70,0 µa stb). Az érzékelőelektród hatásfoka nagy, tehát az érzékelő könnyen oxidálja a belépő H 2 S-t. Ha a belépő gáz koncentrációja nagyobb, mint amennyit az érzékelő elektród oxidálni képes, az érzékelő telítődik, a kimenő jel maximális értéket ér el, és nem nő tovább. Amint a gázkoncentráció a légtérben ezen kritikus koncentráció érték alá csökken, az érzékelő károsodás nélkül gyorsan regenerálódik.

4 A reakcióban keletkező kénsav a kénsavas elektrolitban halmozódik fel. A felhasznált víz a reakció során regenerálódik. A detektálási reakcióban felhasználódnak a H 2 S-molekulák, az akkumulátor által szolgáltatott áram és az oxigén. Ha az érzékelő akár nyomokban is oxigént tartalmazó légkörbe kerül, a légkörből közvetlenül újra feltöltődik. Ez az oka a nem fogyó elektrokémiai érzékelők hosszú élettartamának. Az érzékelő élettartamát nem befolyásolja az általa mért szennyező anyag, a detektálási reakció során nem fogy, és naponta kalibrálható H 2 S gázzal az élettartamának a megrövidítése nélkül. Hasonló, az érzékelőt nem fogyasztó reakciókat alkalmaznak egyéb toxikus gázok (CO, SO 2, Cl 2, klór-dioxid, NO 2, ózon, foszfin) mérésére. Miután az elektrolit tartalmaz bizonyos mennyiségű oldott oxigént, a nem fogyó érzékelők rövid időszakokban még oxigén hiányában is detektálják azt a szennyeződést, amelynek mérésére tervezték. Az elektrokémiai érzékelők típusai A reakció elősegítése érdekében előfeszültséget alkalmaznak az elektrokémiailag kevésbé aktív gázok (HCl, etilén-oxid, nitrogén(ii)-oxid) detektálására. Az előfeszültséggel működő érzékelőknél az első telepítésük során, illetve akkor, ha az előfeszültség fenntartására használt áramforrás megszakad, sokáig esetenként 24 óráig vagy még tovább tart a stabilizálás. Néhány gáz (NH 3, HCN) az érzékelőt elfogyasztó reakciókban detektálható. A HCN-érzékelő arany érzékelő elektródot tartalmaz, amely a detektálási reakcióban fogy. Ha az arany teljesen elfogyott, az érzékelőt cserélni kell. Az ammóniaérzékelő esetében az elektrolit fogy. Az ammóniaérzékelő élettartama a jelen levő NH 3 mennyiségétől függ: 1 év az élettartama, ha folyamatosan 2 ppm, 6 hónap, ha 4 ppm és 3 hónap, ha 8 ppm az NH 3 koncentrációja. Ez az érzékelőtípus csak akkor használható, ha az NH 3 környezeti háttér koncentrációja elegendően alacsony, hogy az érzékelő működési időtartama biztosítható legyen. Így nem használható baromfi telepen, vagy nitrát műtrágyát gyártó üzemben, ahol az ammónia koncentrációja a környezetben elérheti a ppm-et, ezért az érzékelő élettartama csak néhány hét lehet. A zavaró gázok hatása Az elektrokémiai érzékelők alkalmazási korlátainak egyike a zavaró gázok azaz amelyeket nem akarnak mérni az érzékelővel jelenléte.

5 Az anyagspecifikus érzékelők csak azokat a gázokat mérik, amelyek detektálására kialakították őket. Minél nagyobb az érzékelő specifikussága, annál kevésbé befolyásolják az érzékelőt más gázok. Az elektródok öszszetétele, az elektrolit típusa és a zavaró gázok eltávolítására szolgáló szelektív szűrők alkalmazása növeli az érzékelő specifikusságát. A CO-érzékelő nagyon hasonló a H 2 S mérésére használt érzékelőhöz. A trükk a mérésben: a H 2 S ne érje el a CO-érzékelő elektródot. A legtöbb CO-érzékelő tartalmaz egy belső, a H 2 S és más savas gázok eltávolítására szolgáló aktív szén szűrőt, amely ezeket a gázokat eltávolítja, mielőtt elérnék az érzékelő elektródot. Így a CO mérését nem befolyásolja a vizsgált légtér H 2 S-tartalma. Míg a szűrő alkalmazása növeli a detektálás specifikusságát, eltávolításával kiszélesíthető az érzékelő alkalmazása számos más gázra. A szűrőt nem tartalmazó CO-érzékelők például kettős célú érzékelőként kerülnek forgalomba a CO és a H 2 S párhuzamos detektálására. Az érzékelő a CO-ra és a H 2 S-re egyaránt reagál, egy nem szétválasztott jelet ad, amelyet a berendezés használójának kell értelmeznie. A legnépszerűbb elektrokémiai érzékelők egyike a négy elektródos COSH érzékelő, amely két, a CO és a H 2 S mérésére szolgáló, különálló érzékelőt tartalmaz egy házban. Mindegyik érzékelő elektród egy-egy független, anyagspecifikus jelet ad és egyedileg kalibrálható. A specifikusság növelése érdekében a belépő gáz először a H 2 S elektródon halad át. A CO-érzékelőt zavaró H 2 S-t a H 2 S elektródon elektrokémiai detektálási reakcióban eltávolítják, így nem lesz jelen abban a gázban, amely eléri a CO érzékelő elektródát. Az érzékelő tehát különbséget tud tenni a CO és a H 2 S között, minimális zavarással az érzékelők kimenetein. Zavaró hatások azonban a fentiek ellenére fennállnak. Pozitív zavarás esetén az eredmények a leolvasón nagyobbak, negatív zavarás esetén pedig kisebbek a valóságos értékeknél. Fontos a zavaró hatások kimeneti értékekre gyakorolt hatásainak pontos ismerete, ezért a felhasználóknak tanulmányozniuk kell a felhasználói kézikönyvet vagy a helyes értékek megerősítése érdekében fel kell venniük a kapcsolatot a berendezések gyártóival. Összeállította: Regősné Knoska Judit Henderson, R.: Using electrochemical sensors for toxic gas measurement. = Occupational Hazards, 67. k. 2. sz p. 60., Fussell, E.: Gas detection confusion could cause chaos. = InTech, 51. k. 11. sz p. 58.