Регистрация / Вход
Прислать материал

14.577.21.0144

Аннотация скачать
Общие сведения
Номер
14.577.21.0144
Тематическое направление
Рациональное природопользование
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева"
Название доклада
Разработка мобильной мультисенсорной системы мониторинга атмосферного воздуха (его приземного слоя) для качественного и количественного обнаружения газов основных приоритетных загрязнителей атмосферного воздуха (ОПЗАВ)
Докладчик
Масленников Александр Владимирович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Разработка экспериментального образца (ЭО) первого отечественного мобильного (переносного) мультисенсорного аппаратно-программного комплекса (АПК) мониторинга атмосферного воздуха (его приземного слоя) для решения задачи количественного и качественного обнаружения газов входящих в перечень основных приоритетных загрязнителей атмосферного воздуха ОПЗАВ (аммиак, диоксид серы и сероводород) в воздухе населенных мест.
Актуальность и новизна исследования
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.
Актуальность прикладных научных исследований, направленных на создание мультисенсорной системы мониторинга, 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 модифицированные катионами органических красителей.
Описание исследования

1. Выполнен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей проблему создания сети станция атмосферного мониторинга, удовлетворяющей требованиям, предъявляемым специалистами РОСГИДРОМЕТА, и проведены патентные исследования.

2. Проведены исследования спектров поглощения пленок органических красителей в присутствии газов – основных приоритетных загрязнителей атмосферы (аммиак, сероводород и диоксид серы).

3. Выполнены маркетинговые исследования, в отношении анализа возможных сфер потребления мобильных станций мониторинга ОПЗАВ, с учетом их потенциальных параметров и характеристик и анализа потенциала и рыночных перспектив разработки мультисенсорных систем, предназначенных для идентификации, сравнения и количественного определения расширенного состава химических веществ, для решения практических задач в различных отраслях промышленности и жизнедеятельности.

4. Выполнен анализ потенциальных поставщиков элементной базы, комплектующих, а также рынка производственных услуг, с учетом специфики технологии нанесения тонких полимерных пленок на поверхность сенсоров. Разработана методика нанесения тонких полимерных пленок на поверхность чувствительных элементов для обеспечения воспроизводимости полученных результатов. Изготовлена автоматизированная установка (Аус) для нанесения тонких полимерных пленок на поверхность чувствительных элементов.

5. Проведен обзор имеющихся технологий синтеза функциональных полимеров с катионами органических красителей (индикаторами). Разработан лабораторный регламент синтеза функциональных полимеров нескольких классов, содержащих органические красители на основе которого выполнен синтез функциональных полимеров разных классов, модифицированных катионами органических красителей.

6. Проведены экспериментальные исследования газоадсорбционных и газодиффузионных свойств тонких пленок функциональных полимеров модифицированных катионами органических красителей в присутствии газов  - ОПЗАВ с целью определения классов полимеров, дающих наилучшие аналитические отклики в присутствии газов - ОПЗАВ для последующего использования их в конструкции мобильной мультисенсорной системы.

7. Проведены исследования экспериментального образца мобильной мультисенсорной системы мониторинга воздуха населенных мест.

Результаты исследования

1) Проведены исследования влияния газов – ОПЗАВ на спектры поглощения поликристаллических пленок трех органических красителей различных классов. Предложено использовать трифенилметановый краситель – бриллиантовый зеленый в синтезе функциональных полимеров для сенсоров диоксида серы и сероводорода, а акридиновый краситель – в синтезе функциональных полимеров для сенсоров аммиака, и оба красителя – в синтезе функциональных полимеров для сенсоров мультисенсорной системы мониторинга атмосферного воздуха.

2) Синтезированы функциональные полимеры модифицированные катионами органических красителей, предназначенные для использования в качестве чувствительных слоев сенсоров.

3) Разработана методика нанесения тонких полимерных пленок на поверхность сенсоров и на ее основе создана автоматизированная система (АУс) для обеспечения стабильности и воспроизводимости результатов нанесения тонких полимерных пленок на поверхность сенсоров.

4) Разработаны конструкции сенсоров – оптического плосковолноводного (ПВО) и на поверхностно-акустических волнах (ПАВ).

5) Разработаны программы и методики экспериментального исследования чувствительных слоев на основе которых созданы испытательные стенды (ИСт1 и ИСт2) для исследования свойств тонких пленок функциональных полимеров модифицированных катионами органических красителей на основе методов опто-акустического  исследования.

6) Проведены экспериментальные исследования газоадсорбционных и газодиффузионных свойств тонких пленок функциональных полимеров модифицированных катионами органических красителей в присутствии газов  - ОПЗАВ с целью определения классов полимеров, дающих наилучшие аналитические отклики в присутствии газов-ОПЗАВ для последующего использования их в конструкции ЧЭ (ЭИ-ЧС). Показано, что исследованные полимеры имеют соразмерные отклики в присутствии газов – ОПЗАВ (аммиак, сероводород, диоксид серы), что говорит о возможности их использования в качестве чувствительных слоев сенсорных элементов для создания мобильной мультисенсорной системы атмосферного мониторинга.

7) Проведен обзор алгоритмов обработки информации с целью определения оптимального для обработки группового отклика чувствительных элементов (сенсоров), с целью выделения аналитического сигнала.

8) Разработан алгоритм выделения АС – концентрации газов ОПЗАВ в газо-воздушной смеси на основе метода скользящего среднего.

9) Разработано техническое задание на программное обеспечение и выбор аппаратного обеспечения микроконтроллера для экспериментального образца (ЭО), реализующего алгоритм выделения АС.

10) Разработано программное обеспечение для реализации алгоритма выделения АС для блока обработки экспериментального образца.

11) 1 Разработаны программа и методики экспериментальных испытаний (ПМЭИ) ЭО.

12) Разработана ЭКД на ЭО.

13) Разработано прикладное программное обеспечение для ЭО, обеспечивающее визуализацию и обработку полученной информации, в удобном для конечного пользователя виде.

14) Создана мультисенсорная система, обеспечивающая одновременный отклик в присутствии газо-воздушной смеси, содержащей газы – основные приоритетные загрязнители атмосферы (ОПЗАВ).

Практическая значимость исследования
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 ПНИЭР, 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.