Определение углекислого газа в окружающем воздухе

Углекислый газ является парниковым газом, который значительно влияет на изменение климата. Выбросы углекислого газа увеличиваются, в первую очередь из-за деятельности человека, такой как сжигание ископаемого топлива, вырубка лесов и промышленные процессы. Для решения проблемы повышения уровня углекислого газа необходимо контролировать концентрацию углекислого газа в атмосфере.

Датчики для определения углекислого газа используют несколько принципов работы, включая инфракрасное поглощение, электрохимическое и твердотельное зондирование. Датчики инфракрасного поглощения используют принцип, согласно которому молекулы углекислого газа поглощают определенные длины волн инфракрасного света. Измеряя количество инфракрасного света, поглощаемого углекислым газом, можно определить концентрацию углекислого газа в воздухе. Электрохимические датчики работают, измеряя электрический ток, генерируемый при окислении углекислого газа на электроде. Твердотельные датчики используют принцип адсорбции газа для измерения концентрации углекислого газа [1].

Так в качестве сенсора на присутствие углекислого газа в газовой атмосфере может применяться углеродный нанокриста-лический материал на основе пиролизованного полиакрилонитрила (ППАН). В присутствии углекислого газа сопротивление ППАН увеличивается, что позволяет определять данный газ [2-3].

Рассмотрим взаимодействие молекулы углекислого газа с молекулярным кластером ППАН. В первом случае исследуем процесс адсорбции молекулы на поверхности полимера. Расчеты проводились по-луэмпирическим методом PM6. Молекула газа подводится к слою полимера, интервал движения составляет 0,1 Å. На каждом этапе фиксировалась полная энергия системы, которая позволила построить графическую зависимость (рис. 1.)

Рис. 1. Зависимость энергии от расстояния между молекулой CO 2 и ППАН

Отсутствие минимума на данной зависимости свидетельствует об отсутствии адсорбционного взаимодействия между углекислым газом и полимером (рис. 2).

_>и«х^^*>*еж>

Рис. 2. Взаимодействие молекулы CO 2 c ППАН

Следует отметить, что ППАН имеет слоистую структуру, монослои которого подобны графиту. Рассмотрим как взаимодействует молекула газа с двухслойной структурой. Данное взаимодействие моделировалось внедрением молекулы через боковую поверхность в межслоевое пространство полимера. Оптимизация геометрических параметров позволила обнаружить адсорбционный комплекс « ППАН+СО2» (рис. 3).

Рис. 3. Образование химической связи между молекулой углекислого газа и полимера

Сравнение физико-химических свойств образовавшегося комплекса с характеристиками «чистого» полимера позволило установить ряд отличий. Например, адсорбция газа приводит к изменению ширины запрещенной зоны (рис. 4).

ППАН |||||||■|■■■||||| I I mini

-20.0   -17.5   -15.0   -12.5   -10.0    -7.5    -5.0    -2.5     0.0

Energy (eV)

Рис. 4. Значение запрещенной зоны

Это отличие и может позволить ППАН выступить в качестве сенсорного устройства. Полимер будет менять свои проводящие свойства при обнаружении газа в атмосфере.

Датчики для определения углекислого газа имеют несколько применений, включая мониторинг качества воздуха в помещениях, управление производственными процессами и исследования климата. При мониторинге качества воздуха в помещении датчики используются для обеспечения того, чтобы концентрация углекислого газа в помещениях находилась в допустимых пределах. Высокий уровень углекис- лого газа в помещениях может вызывать усталость, головные боли и другие проблемы со здоровьем. В управлении промышленными процессами датчики исполь- зуются для контроля концентрации углекислого газа в выхлопных газах процессов горения. В исследованиях климата датчики используются для измерения концентрации углекислого газа в атмосфере, что- бы лучше понять динамику изменения климата.

Заключение: Датчики для определения углекислого газа необходимы для контроля концентрации этого парникового газа в атмосфере. Различные типы датчиков используют разные принципы работы, и каждый из них имеет свои преимущества и недостатки. Инфракрасные абсорбционные датчики широко используются благодаря их точности и надежности, тогда как электрохимические и твердотельные датчики более экономичны [4]. Датчики для определения углекислого газа имеют несколько применений, включая мониторинг качества воздуха в помещениях, управление производственными процессами и исследования климата. Поскольку мир продолжает бороться с проблемой повышения уровня углекислого газа, датчики для определения углекислого газа будут играть жизненно важную роль в смягчении последствий изменения климата.