Sensores activos de alta sensibilidad para detectar H2S (g) en aire, construídas con SuO2, dopado nanocristalino

Abstract

El objetivo principal de este trabajo de investigación y desarrollo es la obtención de un sensor de gases de alta sensibilidad, construido con láminas delgadas de material sensible nanocristalino (SnO2 dopado) para detectar de (10 a 15) ppm de gas sulfhídrico (H2S) en aire y para ser empleado como dispositivo de seguridad ambiental en la planta de cracking de petróleo de una importante empresa petrolera argentina. El gas H2S se genera en el proceso industrial de la planta y, aún en bajas concentraciones, resulta tóxico. Este trabajo de tesis no se refiere, solamente, a la construcción del sensor sino que requiere de numerosos estudios necesarios para sintetizar y evaluar las propiedades de los materiales nanocristalinos empleados, para diseñar el dispositivo, conocer el funcionamiento del sensor y las variables que lo afectan. Han surgido, como se verá, varios temas y aplicaciones originales que han merecido ser patentados (patentes en trámite). Se comenzó estudiando en la bibliografía extranjera y en la legislación argentina, las causas que determinaran la necesidad de medir concentraciones tan bajas del gas tóxico. Los posibles y graves efectos de la exposición reiterada del personal de la planta a una atmósfera de unas decenas de ppm de H2S (g) en aire conducen a la probabilidad de adquirir cáncer en un año de trabajo con jornadas laborales de 8 horas diarias. Los temas señalados, determinaron las características principales que debía reunir el sensor de gas para considerarlo confiable: altas sensibilidad y selectividad, operar en un rango amplio de temperatura y con tiempos cortos de respuesta y de recuperación. Otras características, no menos importantes, fueron: que el sensor fuese robusto, transportable y económico de fabricar. Se consideró, inicialmente, emplear sensores resistivos desarrollados en el DEINSO, basados en materiales semiconductores de estado sólido que reunían las condiciones antes mencionadas, aunque útiles para la detección de concentraciones mayores de H2S (g). Los sensores de H2S (g) en aire, construidos inicialmente en el DEINSO, con películas gruesas microcristalinas de SnO2 puro (y, posteriormente, dopado) tenían alta sensibilidad que les permitía detectar como mínimo 50 ppm del gas tóxico en aire y su temperatura de operación (To) era del orden de (350-450)oC. Cuando se aumentó la sensibilidad del sensor construyéndolo con el mismo material, en láminas delgadas nanocristalinas, la To disminuyó a (180-200)oC y aún a rangos menores de To. En este trabajo, se necesitaba detectar entre 10ppm y 15ppm del H2S (g) en aire.

The main objective of this research and development work is to obtain a highly sensitive gas sensor, built with thin sheets of sensitive nanocrystalline material (doped SnO2) to detect (10 to 15) ppm of hydrogen sulfide gas (H2S) in air and to be used as an environmental safety device in the oil cracking plant of an important Argentine oil company. H2S gas is generated in the plant's industrial process and, even in low concentrations, is toxic. This thesis work does not refer only to the construction of the sensor but requires numerous studies necessary to synthesize and evaluate the properties of the nanocrystalline materials used, to design the device, understand the operation of the sensor and the variables that affect it. . As will be seen, several original themes and applications have emerged that have merited patenting (patents pending). The causes that determined the need to measure such low concentrations of the toxic gas began to be studied in foreign literature and in Argentine legislation. The possible and serious effects of repeated exposure of plant personnel to an atmosphere of a few tens of ppm of H2S (g) in air lead to the probability of acquiring cancer in a year of work with work days of 8 hours a day. The issues indicated determined the main characteristics that the gas sensor must have to be considered reliable: high sensitivity and selectivity, operating in a wide temperature range and with short response and recovery times. Other characteristics, no less important, were: that the sensor was robust, transportable and economical to manufacture. Initially, it was considered to use resistive sensors developed at DEINSO, based on solid-state semiconductor materials that met the aforementioned conditions, although useful for the detection of higher concentrations of H2S (g). The H2S (g) sensors in air, initially built at DEINSO, with thick microcrystalline films of pure (and later doped) SnO2, had high sensitivity that allowed them to detect at least 50 ppm of the toxic gas in air and its temperature. operation (To) was of the order of (350-450)oC. When the sensitivity of the sensor was increased by building it with the same material, in thin nanocrystalline sheets, the To decreased to (180-200)oC and even to lower To ranges. In this work, it was necessary to detect between 10ppm and 15ppm of H2S (g) in air.