CN101482510A

CN101482510A - 纳米氧化镁在检测气体中醋酸乙烯中的应用

Info

Publication number: CN101482510A
Application number: CNA2009100368027A
Authority: CN
Inventors: 曹小安; 巫承洲; 温强; 王泽华; 高倩倩; 朱惠嫦
Original assignee: Guangzhou University
Current assignee: Guangzhou University
Priority date: 2009-01-20
Filing date: 2009-01-20
Publication date: 2009-07-15
Anticipated expiration: 2029-01-20
Also published as: CN101482510B

Abstract

本发明涉及纳米氧化镁的新用途，即纳米氧化镁在检测醋酸乙烯中的应用。实现上用途的具体方法是：(1)将醋酸乙烯浓度为2～2000ppm的气体样品以400mL/min的流速流经加热至331℃的表面涂有纳米氧化镁的陶瓷电加热管的外表，产生化学发光，用波长为425nm的滤波片检出光波信号，然后将每一气体样品的光波信号强度和醋酸乙烯浓度进行线性回归处理，得到醋酸乙烯含量与气体的光波信号强度的线性方程；(2)采用步骤(1)中检测气体样品的光波信号强度的相同方法检测得到待测气体所发出的光波信号强度，将该光波信号强度值代入步骤(1)所得到的线性方程，算得待测气体中醋酸乙烯的含量。

Description

纳米氧化镁在检测气体中醋酸乙烯中的应用

技术领域

本发明涉及测量领域，具体涉及利用物质的化学特性检测其含量。

背景技术

醋酸乙烯(CH₂＝CHOOCCH₃)是一种用途广泛的化学药剂，主要用于有机合成(如合成维尼纶)、制备粘结剂和涂料工业等，但是醋酸乙烯对人体和环境都具有较大的危害性。醋酸乙烯对人体健康危害主要体现在其蒸汽会刺激眼睛、皮肤和呼吸道，高浓度或长时间接触会引起皮肤刺激(起泡，灼伤，皮炎)，眼睛刺激，肺损伤，中枢神经系统改变以及心肝损伤。另外，由研究表明醋酸乙烯具有高的潜在致癌性，被加利福尼亚环境保护机构的环境健康危害物评估署认定为动物致癌物。醋酸乙烯对环境的危害主要体现在其易燃性：醋酸乙烯蒸气与空气可形成爆炸性混合物；遇明火、高热能引起燃烧爆炸；与氧化剂能发生强烈反应；极易受热、光或微量的过氧化物作用而聚合；其蒸气比空气重，能在较低处扩散到相当远的地方，遇明火会引着回燃。目前，监测醋酸乙烯的方法主要是气相色谱法和气相色谱-质谱法，其中气相色谱-质谱法具有很高的选择性及灵敏度，检出限也较好，但所用仪器的体积庞大，操作复杂，不能即时检测，而且价格昂贵，维修成本高。

纳米氧化镁是随着纳米材料技术的发展而出现的一种新型功能精细无机材料，其粒径介于1-100nm，具有碱性氧化物的通性，且高度耐火和绝缘，广泛应用于高级陶瓷材料、电器绝缘材料、化妆品、香粉、油漆、橡胶填充剂、酸性气体吸附剂、催化剂载体等领域，有着广阔的应用前景和巨大的经济潜力，但未见该材料在检测醋酸乙烯方面的报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题提供一种纳米氧化镁的新用途。

上述新用途是纳米氧化镁在检测气体中醋酸乙烯中的应用。

本发明人实验中发现，适宜的条件下含醋酸乙烯的气体在纳米氧化镁材料上可产生催化发光现象，便联想到利用该现象可检测气体中醋酸乙烯的含量，进而研究出实用的检测方法，该方法是：

(1)将醋酸乙烯浓度为2～2000ppm的气体样品以400mL/min的流速流经加热至331℃的表面涂有纳米氧化镁的陶瓷电加热管的外表，产生化学发光，用波长为425nm的滤波片检出光波信号，然后将每一气体样品的光波信号强度和醋酸乙烯浓度进行线性回归处理，得到醋酸乙烯含量与气体的光波信号强度的线性方程；

(2)采用步骤(1)中检测气体样品的光波信号强度的相同方法检测得到待测气体所发出的光波信号强度，将该光波信号强度值代入步骤(1)所得到的线性方程，算得待测气体中醋酸乙烯的含量。

本发明上述方法中，检出光波信号和将所得光波信号强度和醋酸乙烯气体浓度的数据进行线性回归处理的仪器为公知的微弱发光检测仪或其它类似仪器。

为了更好地实施本发明所述的方法，使醋酸乙烯气体在加热的纳米氧化镁外表产生化学发光，本发明还提供一种传感器，该传感器由石英管、陶瓷电加热管、检波波长为425nm的滤波片和光电倍增管组成，其中，所述的陶瓷电加热管插在石英管内；所述的滤波片设在石英管的外侧，受光面与陶瓷电加热管平行；所述的光电倍增管与光学滤波片同轴并串设在光学滤波片的背光面；其特征是所述的陶瓷电加热管外表涂有纳米氧化镁材料。

本发明利用醋酸乙烯气体在预设的条件下氧化发光特性设计出醋酸乙烯气体传感器，并使用该传感器检出波长为425nm的光谱信号，从而测出被测气体的醋酸乙烯气体浓度，具有简单、稳定、快速、准确优点，可广泛用于工业生产中的在线检测、环境监测以及生物医学中。

以下通过具体实施例和效果实验来帮助公众更好地理解本发明的技术方案所预期的有益效果。

附图说明

图1为一种实施本发明方法的检测系统结构示意图。

图2是用不同干涉滤波片测量醋酸乙烯气体的催化发光的相对强度和信噪比的曲线图，其中

是相对发光强度曲线，

是信噪比曲线。

图3是不同催化温度下测量醋酸乙烯气体的催化发光的相对强度和信噪比的曲线图，其中

是相对发光强度曲线，是信噪比曲线。

图4是不同载气流速下测量醋酸乙烯气体的催化发光的相对强度曲线图。

图5是纳米氧化镁对不同物质的催化发光强度的比较图。

图6是纳米氧化镁在100小时内对醋酸乙烯气体的催化发光强度的变化图。

图7是醋酸乙烯浓度和发光强度的标准曲线。

图8是700s内5次重复注射醋酸乙烯的发光强度比较图。

具体实施方式

例1(醋酸乙烯气体传感器的制作)

参见图1，本发明所述的醋酸乙烯传感器双点划线框内的部件组成，其中，一陶瓷电加热管1插在具有气体进口2-1和气体出口2-2的石英玻璃管2内构成化学发光反应室，陶瓷电加热管1的黑色部分涂有纳米氧化镁；光学滤波片3的检波波长为425nm，设在石英玻璃管2的外侧，受光面与陶瓷电加热管平行；光电倍增管4与光学滤波片3同轴，串设在光学滤波片3的背光面。

例2(检测系统的组成)

下述实验所采用的检测系统如图1所示，本系统由双点划线框内的醋酸乙烯气体传感器、中国科学院生物物理研究所研制的微弱发光检测仪5和温度控制器6组成，其中，温度控制器5采集陶瓷电加热管1的表面温度(即反应室温度)反馈控制醋酸乙烯气体传感器中的陶瓷电加热管1输出功率，使石英玻璃套2的表面保持恒温；所述醋酸乙烯气体传感器中光学滤波片3传出的光信号经光电倍增管4转变成电信号后再送入微弱发光检测仪6放大和处理。

例3

本例是采用例1所述传感器组成例2所述检测系统进行多种纳米材料对醋酸乙烯气体的响应比较，本发明方法所述的气体流速、反应室内的温度和光学滤波片的检波波长等技术参数的摸索以及本发明方法和传感器的灵敏度、选择性、检测极限范围、检测精度和使用寿命等技术效果的实验。

下述实验中，所述的醋酸乙烯气体以及其他有机气体均以空气为载气。

一、纳米氧化镁对醋酸乙烯气体的响应

1、仪器：如图1所示，其中陶瓷电加热管1所涂的纳米材料为MgO，另设分别涂有纳米Al₂O₃、MgAl₂O₄、MgAl₂O₄、Er₂O₃、Nd₂O₃、SnO、Pr₆O₁₁和In₂O₃的对照。

2、方法：分别将1000ppm的醋酸乙烯气体(Vinyl acetate)、乙醛气体(Acetaldehyde)、甲醇气体(Methanol)和乙醇气体(Ethanol)从气体入口(2-2)通入，然后在表1Selectedconditions一栏所示的温度(Temp)和波长(Wavelength)下测量相对发光强度。

3、结果：实验结果如表1所示，8种材料中，纳米MgO对醋酸乙烯(Vinyl acetate)催化活性及选择性最好。

表1

二、波长、温度和载气流速对纳米MgO催化活性的影响

1、仪器：如图1所示。

2、方法：

(1)波长对纳米MgO的催化活性影响

将1000ppm的醋酸乙烯气体从气体入口(2-1)通入，然后在催化温度331℃，载气流速400mL/min条件下采用波长分布在400～575nm的8种干涉滤波片测量醋酸乙烯气体的催化发光的相对强度和信噪比。

(2)温度对纳米MgO的催化活性影响

将1000ppm的醋酸乙烯气体从气体入口(2-2)通入，然后在载气流速400mL/min、催化温度200～500℃条件下采用波长425nm的干涉滤波片测量醋酸乙烯气体的催化发光的相对强度和信噪比。

(3)载气流速对纳米MgO催化活性的影响

将1000ppm的醋酸乙烯气体从气体入口(2-2)通入，然后在载气流速55～610mL/min、催化温度331℃条件下采用波长425nm的干涉滤波片测量醋酸乙烯气体的催化发光的相对强度。

实验(1)和(2)中信噪比的测量方法为：以空气为试验气体，用与相应实验同样的方法测得系统的噪声强度，然后与发光信号强度相比即可。

4、结果

(1)波长对纳米MgO的催化活性影响

结果如图2所示，波长在400～460nm时，相对发光强度随波长增大而增大，但由于陶瓷电加热管在高温下产生的热辐射噪音信号也随波长增大而增大，在波长为425nm时，信噪比最大。

(2)温度对纳米MgO的催化活性影响

结果如图3所示，随着温度升高，催化发光的强度显着升高，但由于热辐射导致的背景信号也显着升高，当温度调节在331℃时，信噪比最大。

(3)载气流速对纳米MgO催化活性的影响

结果如图4所示，载气流速在55～400mL/min，发光强度随流速的增加而增大；流速为400mL/min时，发光强度最大；流速为400～610mL/min时，发光强度随流速增加而略降。

三、纳米MgO的催化发光选择性和寿命

1、仪器：仪器如图1所示。

2、方法：

(1)选择性：将浓度均为200ppm的醋酸乙烯、乙醛、乙酸、苯、乙醇、甲醛、甲醇、氨水和乙酸乙脂气体分别通入图1所示的仪器，在载气流速为400mL/min，加热温度为331℃，检测波长为425nm的可见光的发光强度。

(2)

3、结果：

(1)选择性：

(2)寿命：

三、本发明传感器性能研究

1、选择性：将浓度均为200ppm的醋酸乙烯、乙醛、乙酸、苯、乙醇、甲醛、甲醇、氨水和乙酸乙脂气体分别通入图1所示的仪器，在载气流速为400mL/min，加热温度为331℃，检测波长为425nm的可见光的发光强度。

结果如图5所示，乙醛、乙醇、甲醇的发光强度分别为醋酸乙烯发光强度的13.5％、10.2％、5.5％，而其它一些常见气体，如乙醇、甲醛、苯、氨水、乙酸没有产生发光现象，可见本体系对醋酸乙烯具有很好的选择性。

2、寿命：将浓度均为1000ppm的醋酸乙烯气体通入图1所示的仪器，在载气流速为40OmL/min，加热温度为331℃，在第0、5、10、20、30、40、55、60、70、80、90、100小时检测波长为425nm的可见光的发光强度。

结果如图6所示，纳米氧化镁持续催化醋酸乙烯发光100小时后发光强度并没有明显的降低。

3、检测范围及准确性

(1)标准曲线的建立：将陶瓷管加热1至331℃，然后含2～2000ppm醋酸乙烯的气体以400ml/min的载气流速通入石英管2，检测波长为425nm的可见光的强度。

以醋酸乙烯浓度(C，ppm)为横坐标，相对发光强度(I)为纵坐标作图，得醋酸乙烯浓度和发光强度的关系图(见图7)，从该图可知，在2～2000ppm(7～7020mg/m³)范围内醋酸乙烯浓度与化学发光强度间呈良好线性关系，回归方程为：I＝1.657C-2.101；线性相关系数r＝0.9994；检出限为1.0ppm(3.5mg/m³)(I为相对发光强度，C为醋酸乙烯浓度，每一数据点都是由两次重复试验平均所得)，700s内5次重复注射1000ppm的醋酸乙烯50ml的相对标准偏差(RSD，n＝5)为1.18％，如图8所示。

2、气体中醋酸乙烯的检测：用将陶瓷管加热至331℃，然后分别将预先配制的样品1、样品2和样品3以400ml/min的载气流速通入石英管，检测波长为425nm的可见光的相对强度I＝1.657C-2.101，并按方程I＝1.657C-2.101计算醋酸乙烯的浓度C。其中，样品1为醋酸乙烯和醋酸的混合气体，样品2为醋酸乙烯、苯和氨的混合气体，样品3是醋酸乙烯和甲醛混合气体。结果如表2所示，检测结果与预配浓度基本相符。

表2

Claims

1、纳米氧化镁在检测醋酸乙烯气体中的应用。

2、一种检测醋酸乙烯气体的方法，该方法由以下步骤组成：

3、实施权利要求2所述方法的传感器，该传感器由石英管、陶瓷电加热管、检波波长为425nm的滤波片和光电倍增管组成，其中，所述的陶瓷电加热管插在石英管内；所述的滤波片设在石英管的外侧，受光面与陶瓷电加热管平行；所述的光电倍增管与光学滤波片同轴并串设在光学滤波片的背光面；其特征是所述的陶瓷电加热管外表涂有纳米氧化镁材料。