Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка мобильной мультисенсорной системы мониторинга атмосферного воздуха (его приземного слоя) для качественного и количественного обнаружения газов основных приоритетных загрязнителей атмосферного воздуха (ОПЗАВ)

Номер контракта: 14.577.21.0144

Руководитель: Масленников Александр Владимирович

Должность: Доцент

Организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева"
Организация докладчика: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Нижегородский государственный технический университет им.Р.Е.Алексеева"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
мультисенсор, экологический мониторинг, течеискание, электронный нос, основные приоритетные загрязнители атмосферы, сенсор, аммиак, сероводород, диоксид серы.

Цель проекта:
Проблема на решение которой направлен проект: В число основных приоритетных загрязнителей атмосферного воздуха (ОПЗАВ), его приземного слоя, входят аммиак (NH3), диоксид серы (SO2) и сероводород (H2S). В настоящее время в России существует потребность в недорогих мобильных станциях атмосферного мониторинга ОПЗАВ в реальном времени (РД 52.04.186-89). Число существующих стационарных автоматизированных станций мониторинга (АСМ) - 680 при потребности около 3000 [РД 52.04.186-89]. Также существует необходимость модернизации существующих ,. Руководство по контролю загрязнения атмосферы // Госгидромет СССР. М.: 1991. С.92-100], контроль которых осуществляется повсеместно и круглосуточно на земном шаре. Сегодня в России практически полностью отсутствуют средства мониторинга атмосферного воздуха, основанного на передвижных (мобильных) станциях, т.к. такая станция стоит несколько сотен тысяч долларов (отечественные аналоги), а по мнению специалистов Росгидромета потребность России в таких станциях исчисляется несколькими тысячами. Кроме этого, необходимо отметить возрастающую роль анализа воздуха “по месту”, связанную с террористическими угрозами. Эту проблему нельзя решить на основе ни химико-аналитических методов, ни традиционных аппаратурных физико-химических методов, т.е. на старой элементной базе газоаналитического приборостроения. В связи с этим, все больше газоаналитических задач решается с помощью миниатюрных приборов, работа которых основана на твердотельных, выполненных по технологии микроэлектроники, датчиках – химических сенсорах Кроме этого, в последнее время все больше сложных газоаналитических задач многокомпонентного контроля воздуха решаются с помощью приборов, основанных на многовариантных твердотельных датчиках - мультисенсорах (мультисенсорных системах), изготовленных с помощью технологий микроэлектроники. Например, для контроля взрывчатых веществ, наркотических веществ и ядовитых веществ предлагаются приборы, в основе работы которых лежат мультисенсорные системы, так называемые, «электронные носы». Актуальность прикладных научных исследований, направленных на создание таких мультисенсорных систем, обусловлена рядом существенных преимуществ в сравнении с традиционными газоаналитическими методами: отсутствие предварительной пробоподготовки, очень малое время однократного анализа (анализ одной пробы за 10 мин.), что дает решающее преимущество в производительности анализов в единицу времени, портативность, малые энергопотребление и материалоемкость, а также изготовление самой мультисенсорной системы и основных конструктивных узлов прибора с помощью технологии микроэлектроники, что дает еще одно решающее преимущество – относительная дешевизна. Высокая степень автоматизации анализа с помощью данного прибора не требует высококвалифицированного оператора; имеется возможность исполнения в дистанционном беспроводном варианте. В результате выполнения проекта впервые в России будет создана мобильная (переносная) станция мониторинга ОПЗАВ в атмосферном воздухе на базе мультисенсорной системы, состоящей из матрицы неселективных сенсоров. Впервые в качестве чувствительных слоев будут использованы пленки функциональных полимеров на основе полидиметилсилоксанов (ПДМС), полиалкилметакрилатов (ПАМА) или сополимеры алкилметакрилатов (ПАМА) со стиролсульфонатом (СС) с ионносвязанными катионами органических красителей двух классов: трифенилметанового ряда и акридинового ряда различной степени модификации (СМ) от 0.02 до 0.30. Цель проекта : Разработка первой отечественной мобильной (переносной) мультисенсорной системы мониторинга атмосферного воздуха (его приземного слоя) для количественного и качественного обнаружения газов входящих в перечень основных приоритетных загрязнителей атмосферного воздуха ОПЗАВ (аммиак, диоксид серы и сероводород) в воздухе населенных мест.

Основные планируемые результаты проекта:
При выполнении ПНИЭР должны быть получены следующие научно-технические результаты:
1) Отчет о ПНИЭР, содержащий:
а) Обзор и анализ современной промышленно-экономической, научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках НИР, включая маркетинговую информацию по мировому и отечественному рынкам приборов для экологического мониторинга, обзор и анализ современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках НИР.
б) Обоснование направления исследований, включая рассмотрение возможных способов решения поставленных технологических задач.
в) Результаты теоретических и экспериментальных исследований.
г) Технико-экономическую оценку результатов ПНИЭР.
д) Обобщение и выводы по результатам ПНИЭР.
е) Рекомендации и предложения по использованию результатов ПНИЭР.
2) Рабочий макет (прототип) разработанного устройства, отвечающий требованиям технического задания, позволяющий осуществлять одновременный качественный и количественный анализ газов - ОПЗАВ в диапазоне концентраций 0,5 - 10 ПДКсс.
3) Протоколы лабораторных и промышленных испытаний.
4) Комплект научно-технической документации (разовый технологический регламент, инструкции, методики расчета и обработки информации, исходные данные на проектирование) для подготовки опытно-конструкторских работ по производству мультисенсорной системы для мониторинга воздуха населенный мест.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Конечный продукт разработки по проекту – это портативная, переносная станция мониторинга газов - ОПЗАВ в приземном слое атмосферного воздуха, которую предполагается устанавливать в штатных местах отбора проб на территории населенных мест, городов, крупных мегаполисов, промышленных объектов, а также для мониторинга «по месту» службами Роспотребнадзора и санитарно-эпидемиологическими службами, ФСБ и МЧС. По данным специалистов Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды и НПО «Химавтоматика», являющейся ведущим разработчиком комплексных станций мониторинга в России, таких передвижных станций на территории Германии насчитывается около 760 штук, поэтому они оценивают в первом приближении рынок РФ в 1500 штук. Таким образом:
- 1-й сегмент рынка сбыта связан с потребностями Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, ее межрегиональных территориальных управлений.
- 2-й сегмент рынка связан с потребителями – промышленными предприятиями нефтехимической промышленности, химической и пищевой промышленности (особо холодильная отрасль промышленности), и нацелен на контроль качества воздуха промышленных предприятий, так называемой, рабочей зоны.
- 3-й сегмент рынка связан с потребителями – контролирующими органами Санэпиднадзора и Роспотребнадзора.
- 4-й сегмент рынка связан с потребителями служб ФСБ и МЧС: таможенные посты и противодействие терроризму; предупреждение экологических катастроф и мониторинг атмосферного воздуха в зоне стихийных бедствий и техногенных катастроф.
Кроме этого, как уже отмечалось, при вариации чувствительных слоев данная система может быть использована для решения широкого круга задач газового анализа и атмосферного мониторинга.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Результаты проведенной ПНИЭР могут быть использованы:
- в исследовательской практике как информативный и незаменимый инструмент исследования тонких полимерных пленок с целью определения их газоадсорбционных и газодиффузионных свойств, что может явиться основой создания мультисенсорной системы для исследования жидких сред.
- при создании новых мультисенсорных систем, так называемых «электронных носов» для использования их в различных отраслях производств (табачная, парфюмерная и др.).
- в учебно-методическом процессе для подготовки молодых квалифицированных кадров, специализирующихся в области приборостроения, автоматизации технологических процессов и аналитической химии.
В результате исследований, выполняемых в рамках НИР, будут получены:
- новые зависимости связывающие химическое и фазовое строение полимеров с их газоадсорбционными, газодиффузионными и сенсорными свойствами;
- новые конструкционные решения по созданию мультисенсорной системы на основе матрицы неселективных сенсоров.

Текущие результаты проекта:
1) Выполнен обзор технологий синтеза функциональных полимеров с катионами органических красителей.
2) Разработан лабораторный регламент синтеза функциональных полимеров двух классов модифицированных органическими красителями. 
3) Синтезированы функциональные полимеры модифицированные органическими красителями (6 ед).
4) Разработана методика нанесения тонких полимерных пленок на поверхность чувствительного элемента (ЧЭ).
5) Разработано техническое задание на автоматизированную установку (АУс) для нанесения тонких полимерных пленок на поверхность чувствительного элемента.
6) Проведены испытания АУс согласно технического задания.
) Разработана эскизная конструкторская документация на датчики с чувствительными элементами в конструкции ОВО- и ПАВ-сенсоров.
8) Разработана Программа и методики исследования чувствительных слоев (ЭИ-ЧС)
9) Поведены исследования газоадсобционных и газодиффузионных свойств тонких пленок функциональных полимеров, модифицированных органическими красителями в присутствии газов –ОПЗАВ.
10) Разработана ЭКД на испытательные стенды (ИСт1 и ИСт2) для исследования свойств тонких пленок функциональных полимеров модифицированных катионами органических красителей на основе методов опто-акустического исследования.  11) Изготовлены стенды ИСт1 и ИСт2 для исследования газодсорбционных и газодиффузионных свойств тонких пленок функциональных полимеров, модифицированных органическими красителями в присутствии газов –ОПЗАВ на основе методов опто-акустического исследования.
12) Произведен монтаж и пуско-наладочные работы испытательных стендов для исследования свойств тонких пленок функциональных полимеров модифицированных катионами органических красителей на основе методов опто-акустического исследования ИСт1 и ИСт2.  13) Разработана эскизная конструкторская документация на автоматизированную установку для нанесения тонких полимерных пленок на поверхность ЧЭ.
14) Изготовлена АУс для нанесения ТПП на ЧЭ. 
15) Разработаны конструкции ПВО и ПАВ сенсоров для использования в качестве основных элементов ЭО (ИнП).
16) Выполнен обзор алгоритмов обработки (АО) для выделения аналитического сигнала мобильной мультисенсорной системы (МСС) для определения оптимального.
17) На основе обзора разработан алгоритм обработки группового отклика от ЧЭ ММС для выделения аналитического сигнала в присутствии газов-ОПЗАВ.
18) Разработано техническое задание на программное обеспечение для микроконтроллера, реализующего алгоритм обработки группового отклика от ЧЭ ММС для выделения аналитического сигнала в присутствии газов-ОПЗАВ. МК для ЭО.
Разрабатывается системное ПО для реализации алгоритма выделения аналитического сигнала для блока обраболтки экспериментального образца.
20) Проведено маркетинговое исследование существующих решений в области мониторинга воздуха населенных мест.
21) Разработана эскизная конструкторская документация на испытательный стенд для исследования характеристик ММС в потоке газо-воздушной смеси содержащей газы-ОПЗАВ.