CN110702744B

CN110702744B - 一种专用于船体尾气的处理装置与感测***

Info

Publication number: CN110702744B
Application number: CN201910986919.5A
Authority: CN
Inventors: 马强; 刘刚; 郭俊杰; 徐海东; 张少君; 刘新建; 王连海; 苑仁民
Original assignee: Shandong Jiaotong University
Current assignee: Shandong Jiaotong University
Priority date: 2019-10-17
Filing date: 2019-10-17
Publication date: 2020-06-19
Anticipated expiration: 2039-10-17
Also published as: CN110702744A

Abstract

现有的船体尾气净化感测装置都存在着一定程度上的问题，如经济成本高，可靠性差，后期维护困难等问题。本发明通过锐钛矿型二氧化钛成长硫化铅及铅锑硫量子点来进行气体的电性量测，结构简单，大大减小了柴油机尾气净化感测***的占地面积，更加便于船上的安装、后期的维护以及更换。制作成本低，作用显著增强，也大大提高了整体的高效性和操作的可靠性。

Description

一种专用于船体尾气的处理装置与感测***

技术领域

本发明涉及船舶环保领域，更具体地讲，涉及一种专用于船体尾气的处理装置及其感测***。

背景技术

伴随着海运行业的迅猛增长，目前也在经历着严重的地区环境空气污染情况，沿海居民的健康受到环境污染的影响，空气污染问题成为迫在眉睫的问题。若想实现我国航运业的健康、持久的发展，必须尽快解决航运业带来的空气污染问题。

船舶排放是港口城市和内陆河地区空气污染的主要来源，严重影响区域空气质量，对全球空气和人们的居住环境、身体健康带来严重负面影响。对于较为采用的船舶柴油机而言，通常使用的燃油为黏度高、硫含量高、残碳高的劣质燃油，船舶所排放的尾气中含有多种对人体健康有害的大气污染物，比如 CO、SO₂、碳氢化合物、氧化合物以及颗粒物等。然而当下对于船舶尾气处理装置较为繁琐复杂，成本很高，因此急需一种专用于船体尾气的处理装置及其感测***，以满足实际的需要。

发明内容

因此，针对现有技术上存在的不足，提供本发明的示例以基本上解决由于相关领域的限制和缺点而导致的一个或更多个问题，安全性和可靠性大幅度提高，有效的起到保护设备的作用。

按照本发明提供的技术方案，本发明公开了一种专用于船体尾气的处理装置，专用于船体尾气的处理装置包括Pb-S材料制品或Pb-Sb-S材料制品，Pb-S材料制品或Pb-Sb-S材料制品通过如下制备工艺制得：

第一步，将基板裁切成所需大小，清洗吹干后镀上叉指电极，将镀好的叉指电极进行150℃退火，

第二步，旋涂30nm的TiO₂两次后进行500℃退火；

第三步，利用连续离子层吸附法将硫化铅量子点或铅锑硫量子点成长在二氧化钛上；

第四步，进行300℃退火。

进一步的，基板为载玻片，经清洁液、去离子水、丙酮、乙醇清洗后，再用氮***吹干，将叉指电极利用溅镀***镀于基板上。

进一步的，取0.1g的30nm的TiO₂，并以1:1的方式与无水乙醇配制成TiO₂旋涂溶液，将其均匀搅拌与震荡后，旋涂于基板上，转数为10秒1700rpm、20秒2000rpm，重复该步骤两次，并进行500℃退火。

进一步的，使用去离子水与无水甲醇配制0.05M的Pb(NO3)2与0.1M的Na2S∙ 9H2O，经磁石搅拌后，倒入玻璃培养皿中，将已经旋涂且退火的TiO₂基板泡入Pb(NO3)2溶液中30秒，取出并用去离子水清洗，再加热板上烤干，再泡入Na2S∙9H2O溶液中30秒，取出后用甲醇清洗，烤干，泡完所需的层数后，在氮气下进行300℃退火。

进一步的，使用无水乙醇配制0.1M的SbCl3，利用磁石将其搅拌均匀后，倒入玻璃培养皿中，将已经旋涂且退火的TiO2基板泡入Pb(NO3)2与Na2S∙9H2O溶液中合成出PbS量子点后，再将其泡入0.1 M的SbCl3 15秒，取出，用无水乙醇清洗、烤干，再泡入Na2S∙9H2O60秒取出，使用无水甲醇清洗并烤干，来回泡至所需的层数，最后，再将其回泡至SbCl3溶液中，取出、清洗、烤干后，在氮气下进行300℃退火。

进一步的，专用于船体尾气的处理装置还包括铜基座，将制备完成的Pb-S材料制品或Pb-Sb-S材料制品黏于铜基座的基板上，使用漆包线作为连接两端的桥梁，再以银胶进行固定，最后将基座黏贴于船体的测量区内。

本发明还公开了一种气体感测***，气体感测***包括气体测量箱，气体测量箱内设有基座和气体侦测器，基座上设有感测装置，感测装置为上述的专用于船体尾气的处理装置，气体测量箱由电源供应器提供电源，气体测量箱还连接有第一电表和第二电表，其中第一电表用于感测装置的电性测量，第二电表利用电压纪录气体测量箱的动态浓度，气体测量箱具有进气口和出气口，进气口处连接有流量控制器和空气泵，流量控制器连接有气体钢瓶，气体感测***还包括计算机，计算机能够观测记录数值变化。

本发明还公开了一种船体机构，该船体机构具有尾气感测设备，其中尾气感测设备包括上述的的专用于船体尾气的处理装置。

现有的尾气净化感测装置都存在着一定程度上的问题，如经济成本高，可靠性差，后期维护困难等问题。本发明通过锐钛矿型二氧化钛成长硫化铅及铅锑硫量子点来进行气体的电性量测，结构简单，大大减小了柴油机尾气净化感测***的占地面积，更加便于船上的安装、后期的维护以及更换。制作成本低，作用显著增强，也大大提高了整体的高效性和操作的可靠性。

附图说明

图1为本发明材料制备流程示意图。

图2为本发明TiO₂退火参数示意图。

图3为本发明PbS合成示意图。

图4为本发明PbSbS合成示意图。

图5为本发明基板基座示意图。

图6为本发明气体感测***示意图。

图7为本发明在暗室下通入一氧化碳对于30nm TiO₂电阻值的变化示意图。

图8为本发明在暗室下通入一氧化碳对于TiO₂-PbS电阻值的变化示意图。

图9为本发明在暗室下通入一氧化碳对于TiO₂-Pb₅Sb₈S₁₇电阻值的变化示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。生活中有许多无色无味的气体，随着船舶工业发展快速的成长，除了原先生活环境的气体外，多了更多对人体有害的气体。这些有害气体并不一定能由嗅觉去判断它的存在，当人体长时间待在这种环境下，对于身体可能会造成一定程度的损害。经由气体传感器去代替人类嗅觉，能在更低浓度时就感受到有害气体的存在，并实时处理，避免更大的灾害发生。

气体传感器具备将空气中特定气体转换成电流、电压及电阻的能力，由接收到的电讯号去进行动态的监测与判断，目前气体传感器分为许多种，例如:电化学气体传感器、半导体气体传感器及接触燃烧式气体传感器。而足够的稳定性、对于不同气体的选择性、短时间内的快速侦测以及对于不同浓度的高灵敏度，以上种种条件都是一个理想的气体传感器所需具备的。

众所周知的，半导体是一种导电性介于导体跟绝缘体之间的材料，分为p型与n型。气体大致上可分为两种:氧化性气体及还原性气体，根据不同性质的气体，对于材料的吸脱附也会有不同的电阻变化。

对于p型半导体而言，因为主要载流子为电洞，氧化性气体将会带走表面上的电子，使得电洞浓度上升电阻下降，换言之，还原性气体则是给予表面更多自由电子，使其电子电洞对复合，造成电洞浓度下降，电阻上升。相反的，主要载流子为电子的n型半导体，当氧化性气体带走了表面自由电子时，电子浓度就会下降而电阻值会上升，而还原性气体给予更多电子时，电子浓度上升也会电阻值下降。

为了更好的说明，本发明中，主要的待测气体为还原性气体一氧化碳。利用材料去感测一氧化碳，当一氧化碳气体分子吸附于材料表面并给予表面更多电子时，如下式：

2CO + O₂ ^-→2CO₂ + e^-

CO + O^-→ CO + e^-

CO + O₂ ^-→ CO₂ + 2e^-

对于n型的TiO₂-Pb₅Sb₈S₁₇而言，电子浓度会上升，电阻值则会下降，当材料表面对于一氧化碳分子脱附速率大于吸附速率时，如下式，此时的电子浓度会下降，电阻值则会上升至起始的背景值。

O₂+ e^-→ O₂ ^-

在刚通入气体的情况下，材料对于气体的吸附速率会大于脱附速率，此时的电阻值会快速下降，但随着气体通入量的增加，材料表面气体吸附的能力逐渐达到饱和，吸附速率则会趋于缓慢，电阻值也跟着缓慢下降，当材料表面的吸脱附速率相当时，电阻值将会达成平衡的状态。换而言之，在关闭气体后，腔体内的气体浓度开始上升，此时的脱附速率会大于吸附的速率，电阻值将快速上升，直到气体降回一开始的背景值后，电阻值也将达成平衡。

连续离子层吸附反应法(SILAR)具备快速合成的特点，首先，分别准备阴离子与阳离子溶液，因退火完成的二氧化钛带有负极性，所以将其浸泡于阳离子溶液中与阳离子进行结合，再清洗掉多余的阳离子，接着泡入阴离子溶液中，让附着于二氧化钛表面的阳离子与阴离子产生反应并得到所需的材料，取出后再以相同方式清洗多于阴离子。此外，可通过不同的阴阳离子溶液去进行置换得到不同的材料及控制浸泡时间与次数得到所期望的量子点数量与大小。

本发明所涉及的Pb-S材料制品或Pb-Sb-S材料制品通过如下制备工艺制得：

如图1，首先将基板裁切成适当大小，清洗吹干后镀上叉指电极，将镀好的叉指电极进行150℃退火，让电极上的原子排列更整齐，第二步，旋涂30nm的TiO2两次后进行500℃退火，使二氧化钛成锐钛矿结构。第三步，利用连续离子层吸附法(SILAR)将硫化铅或铅锑硫量子点成长在二氧化钛上，最后进行300℃退火完成整个流程。

制作叉指电极

本发明采用载玻片作为基板，因为TiO2层需进行500℃退火，如果使用较薄的玻璃基板，会造成基板变形。将基板裁切成适当大小，经清洁液、去离子水、丙酮、乙醇清洗后，再用氮***吹干。最后，将叉指电极利用溅镀***镀于基板上。溅镀完成的电极，须经由退火让电极与基板的接触更好。

TiO2层

取0.1g的TiO₂，并以1:1的方式与无水乙醇配制成TiO₂旋涂溶液，将其均匀搅拌与震荡后，旋涂于基板上，转数为10秒1700rpm、20秒2000rpm，重复该步骤两次，并进行500℃退火(退火参数如图2)。

PbS量子点合成

如图3所示，使用去离子水与无水甲醇配制0.05M的Pb(NO3)2与0.1M的Na2S∙9H2O，经磁石搅拌后，倒入玻璃培养皿中，将已经旋涂且退火的TiO₂基板泡入Pb(NO3)2溶液中30秒，取出并用去离子水清洗，再加热板上烤干，再泡入Na2S∙9H2O溶液中30秒，取出后用甲醇清洗，烤干，泡完所需的层数后，在氮气下进行300℃退火。

PbSbS量子点合成

如图4所示，使用无水乙醇配制0.1M的SbCl3，利用磁石将其搅拌均匀后，倒入玻璃培养皿中，将已经旋涂且退火的TiO2基板泡入Pb(NO3)2与Na2S∙9H2O溶液中合成出PbS量子点后，再将其泡入0.1 M的SbCl3 15秒，取出，用无水乙醇清洗、烤干，再泡入Na2S∙9H2O60秒取出，使用无水甲醇清洗并烤干，来回泡至所需的层数，最后，再将其回泡至SbCl3溶液中，取出、清洗、烤干后，在氮气下进行300℃退火。

装置成型

将制备完成的制品黏于铜基座上，使用漆包线作为连接两端的桥梁，再以银胶进行固定，如下图5所示，最后将基座黏贴于测量区内。

气体感测***

本发明还公开了一种气体感测***，如图6所示，所述的气体感测***包括气体测量箱，所述的气体测量箱内设有基座和气体侦测器，所述的基座上设有感测装置，所述的感测装置为上述的专用于船体尾气的处理装置，所述的气体测量箱由电源供应器提供电源，所述的气体测量箱还连接有第一电表和第二电表，其中所述的第一电表用于所述的感测装置的电性测量，所述的第二电表利用电压纪录所述的气体测量箱的动态浓度，所述的气体测量箱具有进气口和出气口，所述的进气口处连接有流量控制器和空气泵，所述的流量控制器连接有气体钢瓶，所述的气体感测***还包括计算机，所述的计算机能够观测记录数值变化。

具体的，所述的气体感测***的使用方法如下：

将专用于船体尾气的处理装置放置于基座上，并利用电源供应器驱动所述的气体测量箱，将其开启并进行热机，同时开启流量控制器、第一电表和第二电表以及空气泵，以空气泵作为载流空气，载流空气在气体测量箱内流动再经由出气阀排出，当专用于船体尾气的处理装置在载流空气流动下电阻值达稳定时，开启气体钢瓶并利用流量控制器控制气体流入的流量，通过进气阀将气体送入气体测量箱内，通过气体侦测器进行动态的气体浓度侦测，当专用于船体尾气的处理装置感受到不同浓度的气体时产生的电讯号，通过电表与计算机进行观测与纪录，当气体浓度不再上升时，即会同时关闭两端气体出入口，使气体测量箱内维持一固定浓度直到专用于船体尾气的处理装置的电性测量达一稳定值后，才会再次开启出入口，利用载流气体将气体送出气体测量箱。

下面探讨三种材料在暗室下侦测一氧化碳的电性变化，在同一个空间中放入制备出材料与一氧化碳侦测器进行同步侦测，以此达到动态监测的目的。在n型半导体的二氧化钛上进行不同量子点的掺杂，一氧化碳又为还原型气体，提供样品表面电子，所以主要载流子为电子再加上气体通入后给予的电子，使得电阻值会下降。

图7-图9分别为在暗室下给予1V偏压情况下，通入一氧化碳前后电阻值的变化，会发现n型的二氧化钛在感测到一氧化碳浓度后，电阻值会开始下降直到饱和的状态电阻值持平，随着载流空气带走量测区内的一氧化碳导致浓度下降时，电阻值会逐渐回升至未通入前的状态。图7为30nmTiO2在一氧化碳通入前后的电阻值变化，未通入前达稳定电阻值为66MΩ，当气体达饱和时电阻值逐渐下降至61.5MΩ，在浓度200ppm情况下，未掺杂的二氧化钛电阻变化率为4.5MΩ。图8为当掺杂硫化铅量子点后，在一氧化碳浓度55ppm环境下，电阻值从175MΩ下降至155MΩ，与前者相比在低浓度下电性就有了显著的变化。图9为掺杂Pb5Sb8S17量子点后在一氧化碳60ppm环境下，电阻值从44MΩ下降至35MΩ，虽然变化量与掺杂PbS相比差了一点，但在低浓度下已经比250ppm的未掺杂二氧化钛高出两倍左右。

本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims

1.一种船体感测***的使用方法，所述的船体感测***包括气体感测***，所述的气体感测***包括气体测量箱，所述的气体测量箱内设有基座和气体侦测器，所述的基座上设有专用于船体尾气的处理装置，其中，所述的专用于船体尾气的处理装置包括Pb-Sb-S材料制品，所述的Pb-Sb-S材料制品通过如下制备工艺制得：

第一步，将基板裁切成所需大小，清洗吹干后镀上叉指电极，将镀好的叉指电极进行150℃退火，其中，将叉指电极利用溅镀***镀于所述的基板上；

第二步，取0.1g的30nm的TiO₂，并以1:1的方式与无水乙醇配制成TiO₂旋涂溶液，将其均匀搅拌与震荡后，旋涂于所述的基板上，转数为10秒1700rpm、20秒2000rpm，重复该步骤两次，并进行500℃退火；

第三步，使用无水乙醇配制0.1M的SbCl₃，利用磁石将其搅拌均匀后，倒入玻璃培养皿中，将已经旋涂且退火的TiO₂基板泡入Pb(NO₃)₂与Na₂S·9H₂O溶液中合成出PbS量子点后，再将其泡入0.1M的SbCl₃ 15秒，取出，用无水乙醇清洗、烤干，再泡入Na₂S·9H₂O60秒取出，使用无水甲醇清洗并烤干，来回泡至所需的层数；

第四步，回泡至SbCl₃溶液中，取出、清洗、烤干后，在氮气下进行300℃退火；

所述的专用于船体尾气的处理装置还包括铜基座，将制备完成的Pb-Sb-S材料制品黏于所述的铜基座的基板上，使用漆包线作为连接两端的桥梁，再以银胶进行固定，最后将所述的基座黏贴于所述的船体的测量区内；

所述的气体测量箱由电源供应器提供电源，所述的气体测量箱还连接有第一电表和第二电表，其中所述的第一电表用于所述的专用于船体尾气的处理装置的电性测量，所述的第二电表利用电压纪录所述的气体测量箱的动态浓度，所述的气体测量箱具有进气口和出气口，所述的进气口处连接有流量控制器和空气泵，所述的流量控制器连接有气体钢瓶，所述的气体感测***还包括计算机，所述的计算机能够观测记录数值变化；

其特征在于，所述的气体感测***的使用方法如下：

将所述的专用于船体尾气的处理装置放置于基座上，并利用电源供应器驱动所述的气体测量箱，将其开启并进行热机，同时开启流量控制器、第一电表和第二电表以及空气泵，以空气泵作为载流空气，载流空气在气体测量箱内流动再经由出气阀排出，当所述的专用于船体尾气的处理装置在载流空气流动下电阻值达稳定时，开启气体钢瓶并利用流量控制器控制气体流入的流量，通过进气阀将气体送入气体测量箱内，通过气体侦测器进行动态的气体浓度侦测，当所述的专用于船体尾气的处理装置感受到不同浓度的气体时产生的电讯号，通过电表与计算机进行观测与纪录，当气体浓度不再上升时，即会同时关闭两端气体出入口，使气体测量箱内维持一固定浓度直到所述的专用于船体尾气的处理装置的电性测量达一稳定值后，才会再次开启出入口，利用载流气体将气体送出气体测量箱。

2.根据权利要求1所述的一种船体感测***的使用方法，其特征在于，所述的基板为载玻片。

3.根据权利要求1所述的一种船体感测***的使用方法，其特征在于，裁切好的基板经清洁液、去离子水、丙酮、乙醇清洗后，再用氮***吹干。