Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Elektroda.pl
Please add exception to AdBlock for elektroda.pl.
If you watch the ads, you support portal and users.

Noworoczna opowieść o platynie, katalizie i czujniku gazów palnych

AlekZ 01 Jan 2021 00:00 3516 4
  • Noworoczna opowieść o platynie, katalizie i czujniku gazów palnych
    Jeśli mowa jest srebrem, a milczenie złotem, to słuchanie jest platyną- ten zwrot ułożył autor aforyzmów Andrzej Majewski (ur. 1966). Posłuchajcie więc tej opowieści.

    Dziś platyna jest cennym metalem, ale nie zawsze tak było.
    Za datę odkrycia platyny uważa się rok 1735. Hiszpański wyraz "platina", którego użył Antonio de Ulloa można tłumaczyć jako "sreberko". Było to więc pogardliwe określenie tego metalu, ówcześnie uważanego za nieprzydatny. Używano jej więc do XIX wieku do fałszowania monet. Wykryte podróbki kazano wrzucać do morza. Doszło nawet do tego, że gdy w 1819 r. odkryto na Uralu duże złoża platyny, pierwszymi wyrobami z tego metalu w tym rejonie były obrączki, łańcuchy, a nawet obręcze na beczki. Można je oglądać w Muzeum Górniczym w Petersburgu. Ponadto rząd rosyjski polecił wybijać z tego metalu monety 3-, 6- i 12-rublowe. Monety te bito w latach 1828-1845. Rosja wraz z wycofaniem się z bicia na szeroką skalę platynowych monet pozwoliła na bardzo korzystny dla Brytyjczyków kontrakt. Zasoby platyny, które przechowywali Rosjanie zostały bowiem sprzedane firmie brytyjskiej Johnson Matthey. Ze względu, że kopalnie platyny na Uralu podupadły, to Brytyjczycy stali się de facto monopolistami na rynku platyny pomimo, że sami nie posiadali żadnej kopalni tego metalu na własność.
    Już po pierwszej wojnie światowej platyna kosztowała kilkukrotnie więcej od złota...
    **************
    Chemicy pod koniec wieku XVIII zwrócili uwagę na chemiczną odporność platyny i zaczęli używać jej do wytwarzania tygli i innej aparatury chemicznej. Nauczono się robić z platyny cienkie blaszki i druty. Z biegiem czasu platyna znalazła szereg zastosowań. Zaczęto ją stosować jako materiał na oporniki do pomiaru temperatury (np. słynne Pt100) oraz styki i kontakty, bowiem jako metal szlachetny nie śniedzieje. Platynę stosowano także niekiedy w pierwszych żarówkach i lampach elektronowych na przepusty próżnioszczelne ze szkłem. Później opracowano do tego celu tani stop żelaza z niklem, pokrywanym miedzią, zwany u nas „fenikumą” lub drutem miedziopłaszczowym. W literaturze z b. ZSRR natomiast ten stop nazywają „platynitem”.
    Platyna odegrała też pewną rolę w definiowaniu jednostki światłości. Otóż światłość 1 kandeli to była światłość 1/600000 metra kwadratowego ciała doskonale czarnego w temperaturze krzepnięcia platyny przy ciśnieniu 1 atmosfery fizycznej. Ta definicja została zastąpiona inną w 1979 r.
    Elektroda z platyny, omywana gazowym wodorem pod ciśnieniem atmosfery, zanurzona w roztworze kwasu solnego o odpowiednim stężeniu i temperaturze jest z kolei znana jako elektroda wodorowa, stanowiąca elektrodę odniesienia o potencjale 0V.
    Drucik platynowy był stosowany przy analizie metali - na niego nanosiło się próbkę badanej soli i obserwowało się kolor płomienia.
    W wieku dwudziestym platyna, a raczej jej związki znalazły zastosowanie w leczeniu nowotworów. Najbardziej znana jest cisplatyna PtCl2(NH3)2. Niestety, ten lek daje dużo efektów ubocznych.
    Największą jednak chyba rolę pełni platyna jako katalizator. Nie chodzi tu tylko o katalizatory samochodowe, służące głównie do utleniania lotnych związków organicznych, ale też o ważne katalizatory stosowane w syntezie chemicznej.
    Produkcja kwasu azotowego odbywa się obecnie powszechnie metodą Ostwalda. W metodzie tej następuje utlenianie amoniaku na katalizatorze platynowo- rodowym do tlenku azotu NO w temperaturze 800-900 stopni. Bez katalizatora reakcja ta biegnie do azotu, co jest niepożądane: właśnie przecież z azotu atmosferycznego otrzymuje się najpierw amoniak, a z niego tlenek azotu NO, aby ostatecznie (po utlenieniu do NO2 i N2O3) otrzymać kwas azotowy i saletrę amonową, będący cennym nawozem sztucznym. Bez katalizatora cały trud byłby daremny i trud otrzymania cennych półproduktów byłby zniweczony. Czas przebywania tlenu i amoniaku na kontakcie (katalizatorze) jest szacowany na zaledwie około 100 mikrosekund. Wystarcza to jednak do tego, aby reakcja zaszła z dużą wydajnością. Opisana reakcja jest przykładem katalizy heterogenicznej. Katalizator jest ciałem stałym, ale reagenty są w innym stanie skupienia: są gazami.
    Platyna, obok palladu znajduje też ważne zastosowanie przy katalitycznym uwodornianiu węglowodorów a także redukcji wielu związków organicznych wodorem. Oczywiście wszystko to nie wyczerpuje zastosowań platyny. Platyna jest też katalizatorem utleniania wodoru w ogniwach paliwowych.
    W tym miejscu kilka słów o katalizatorach. Definicja z dawnej szkoły podstawowej, jakoby katalizator nie brał udziału w reakcji chemicznej, a ułatwiał jej zachodzenie jest niewłaściwa i nie ujmuje należycie sprawy. Bez wchodzenia w termodynamikę i wyjaśnianie, czym jest energia aktywacji można jednak wyjaśnić, że katalizator bierze udział w reakcji chemicznej, ale na końcu się znów odtwarza.
    Powiedzmy, że chcielibyśmy przeprowadzić reakcję syntezy:
    A+B->C, ale reakcja ta zachodzi w sposób nas niezadowalający: np. za trudno, za wolno, z małą wydajnością. Można jednak czasem poprowadzić reakcję z katalizatorem:
    A+K->AK
    A potem:
    AK+B->C+K
    Na końcu więc katalizator odtworzył się i jest „gotów” by wziąć udział w kolejnej reakcji. Czasami jako obrazowy przykład działania katalizatora przywodzi się imprezę towarzyską, na której spotyka się pewna liczba osób nieznanych sobie. Impreza jest więc drętwa… Wystarczy jednak, że oto przyjdzie jedna osoba, która jest wspólnym znajomym pozostałych, aby szybko nawiązać nowe relacje między nieznanymi osobami.
    Jak więc widzimy, platyna z „platiny”, tego lekceważonego „sreberka”, poważanego jedynie przez fałszerzy monet stała się cennym i poszukiwanym metalem. Obecnie myśli się już o eksploracji asteroid w celu wydobycia tego kruszca.
    Przyszła pora, aby wspomnieć to i owo o czujnikach gazów palnych. Kiedyś do dyspozycji górników była jedynie lampa Davy’ego. Była to lampa z palącym się wewnątrz płomieniem, otoczona gęstą siatką metalową. Dzięki tej siatce płomień z wnętrza lampy nie mógł „przeskoczyć” na zewnątrz i spowodować wybuchu metanu zgromadzonego w kopalni. Jednak w obecności metanu płomień w lampie palił się niespokojnie lub zmieniał barwę, co stanowiło ostrzeżenie dla górników. Lampa była także pożyteczna w przypadku obecności dwutlenku węgla. Gdy stężenie tlenu spadało do ok. 17% lampa gasła.
    Obecnie znanych jest wiele rodzajów czujników elektronicznych. Mogą to być różne czujniki elektrochemiczne bądź katalityczne. Jedną ze znanych firm, która je produkuje jest firma Figaro (seria TGS). Chyba jednym z najstarszych czujników tego typu był też AF50. Czujniki katalityczne są wykonywane najczęściej w technologii grubowarstwowej. Na podłoże ceramiczne jest nadrukowana odpowiednia warstwa czujnikowa oraz grzałka. Warstwa czujnikowa ma właściwości katalityczne (katalizuje utlenianie np. gazów palnych) i jednocześnie ma duży współczynnik temperaturowy oporności. Katalizator wymaga jednak do pracy właściwej temperatury- stąd obecność grzałki. W zbyt niskiej temperaturze reakcja utleniania wykrywanego gazu nie będzie zachodzić. Utlenianie nie będzie też zachodzić, gdy w badanym gazie nie będzie tlenu lub będzie go niewiele. Np. w 100% atmosferze metanu czujnik nie wykaże jego obecności. Dlatego w danych katalogowych widać ładne linie proste jedynie dla stosunkowo niedużych stężeń gazów.

    *******************

    Na zakończenie pokażę, jak w najprostszy sposób można zbudować „krewniaka” tych nowoczesnych czujników.
    W pierwszym rzędzie wybrałem sobie z worka stosowną obudowę.
    Noworoczna opowieść o platynie, katalizie i czujniku gazów palnychobudow..JPG Download (578.94 kB)
    Potem wyfrezowałem w kapselku dziurę, aby badany gaz mógł wchodzić do wnętrza czujnika.
    Noworoczna opowieść o platynie, katalizie i czujniku gazów palnychdekiel..JPG Download (623.01 kB)
    W otwór ten została zamontowana gęsta metalowa siatka i zgrzana do kapselka.
    Noworoczna opowieść o platynie, katalizie i czujniku gazów palnychzgrzewanie...siatki.JPG Download (430.31 kB)
    Noworoczna opowieść o platynie, katalizie i czujniku gazów palnychsiatka go..a2.JPG Download (386.35 kB)
    Osobno przygotowałem oczyszczony 15 cm odcinek drutu platynowego, którego oporność na zimno to ok. 15 omów. Stąd zainteresowani łatwo obliczą, jaka była średnica użytego drutu😊.
    Drut ten zwinąłem w spiralkę i przygrzałem do doprowadników dolnej części czujnika.
    Noworoczna opowieść o platynie, katalizie i czujniku gazów palnychzgrzewanie..utu.JPG Download (416.49 kB)
    Czujnik został przykryty kapselkiem i zgrzany. Gotowe!
    Noworoczna opowieść o platynie, katalizie i czujniku gazów palnychzamykanie ...budowy.JPG Download (399.16 kB)
    Pozostało w szereg z czujnikiem włączyć opornik drutowy ok. 16 omów, zaś w drugiej gałęzi użyć potencjometr drutowy, budując mostek czterogałęźny. Napięcie zasilania to ok. 14V, zaś prąd pobierany 0,4A. Przy takim zasilaniu temperatura drucika jest taka, że wyraźnie żarzy się, zaś w obecności palnego gazu katalityczne utlenianie na jego powierzchni zachodzi bardzo wydajnie. Sprowadzając mostek prawie do równowagi bez obecności gazu palnego woltomierz wskazuje kilkadziesiąt mV.
    Noworoczna opowieść o platynie, katalizie i czujniku gazów palnychbez ga..JPG Download (666.53 kB)
    Wystarczy teraz nakryć czujnik kolbą, do której chwilę wcześniej psiknąłem odrobinkę gazu od zapalniczki. Drucik wyraźnie rozgrzewa się (silniejsze świecenie), a miliwoltomierz wskazuje kilkaset mV.
    Noworoczna opowieść o platynie, katalizie i czujniku gazów palnychgaz.JPG Download (630.28 kB)
    W tym przypadku grzałka wykonana z platyny jest jednocześnie czujnikiem. Wskutek utleniania gazu palnego temperatura drucika- katalizatora wzrasta. Ponieważ platyna ma znaczny współczynnik temperaturowy oporności (3,9*10^-3 K^-1) wzrasta oporność drucika i mostek jest wytrącany ze stanu równowagi.
    Platyna jest odporna na działanie tlenu, więc po zmianie atmosfery na pozbawioną gazu palnego układ powraca do stanu poprzedniego. Taki czujnik jest jednak dość wrażliwy na ruch powietrza, co objawia się pewnymi fluktuacjami. Czujnik ten, rzecz jasna jest nieselektywny. Zareaguje na ró zne gazy i pary palne: metan, propan- butan, alkohol i in.
    Oczywiście dziś mamy dobre czujniki i nikt nie będzie ich musiał robić samemu. Popularne czujniki serii TGS kosztują kilkadziesiąt złotych.
    Widzimy jednak pewne podobieństwo tych czujników do dawnej lampy Davy’ego. Została po niej gęsta, metalowa siatka. Pełni dziś ona raczej funkcję osłony czujnika przed kurzem, aniżeli przed „przeskoczeniem” płomienia z czujnika na otoczenie, bowiem temperatura pracy warstw jest niższa niż temperatura drucika platynowego, którego użyłem. Płomień lampy zastąpiły nowoczesne warstwy czujnikowe, zaś wizualną obserwację płomienia zastąpił sygnał elektryczny z czujnika.

    Cool! Ranking DIY
    Can you write similar article? Send message to me and you will get SD card 64GB.
    About Author
    AlekZ
    Vacuum tubes specialist
    Offline 
    Has specialization in: technika próżniowa
    AlekZ wrote 1703 posts with rating 1655, helped 71 times. Live in city Marki. Been with us since 2003 year.
  • Szkolenia SonelSzkolenia Sonel
  • #2
    bambus94
    Level 25  
    Ja swego czasu przeprowadzałem podobne doświadczenie które wyszło mi całkiem przypadkiem. A mianowicie katalityczne utlenianie etanolu na miedzianym druciku.
    Spirala z drutu miedzianego ok 0,3mm średnicy, długość sprężynki ok 1,5cm. Rozgrzane za pomocą palnika i umieszczona w oparach etanolu utrzymywało swoją barwę jak na filmie.
    Słabo z ostrością bo telefon nie ogarniał takiego kadru.

    Link


    Próbowałem tego samego ze srebrnym drutem o podobnych rozmiarach ale już nie działało tak samo.
  • Szkolenia SonelSzkolenia Sonel
  • #3
    And!
    Admin of Design group
    Dobra opowieść noworoczna, dzięki! Platynę kojarzyłem najbardziej z starymi aparatami zapłonowymi.

    Te czujniki np. AF50 z "sygnalizatorów ulatniania się gazu" zużywają się po kilku latach (tracą czułość), na czym polega efekt starzenia tych elementów?

    Już wiem skąd pochodzi nazwa czujników PT100 i PT1000, Pt - platyna, nie skojarzyłem tego wcześniej :)

    Niezły czas publikacji 01.01.2021 godzina 00:00
  • #4
    fotomh-s
    Level 22  
    AlekZ wrote:
    Mogą to być różne czujniki elektrochemiczne bądź katalityczne.

    A czy elektrochemiczne czujniki tlenu mają wewnątrz jakieś cenne metale (nie mam tutaj na myśli pozłacanych pinów)? Czy takie zużyte czujniki tlenu ktoś skupuje? Mają jakąś wartość?
    Trochę mi się tego nazbierało.

    Często widuję urządzenia 4 gazowe, jednak w konfiguracji bez sensora gazów palnych, problemem jest oczywiście to że żre sporo prądu bo posiada element grzejny. Do tej pory jednak nie wiedziałem jak to do końca działa. Swoją drogą czujniki gazów palnych do Ventis MX4 nie są okrągłe, tylko takie nieco podłużne i mają 2 dziury, w przeciwieństwie do tych od wykrywaczy nieszczelności, wie ktoś czemu? Są tam może 2 druciki? Czujnik od spodu ma 4 piny.

    Tak to wygląda:
    Noworoczna opowieść o platynie, katalizie i czujniku gazów palnych
  • #5
    Piotr_2021
    Level 6  
    fotomh-s wrote:
    AlekZ wrote:
    Mogą to być różne czujniki elektrochemiczne bądź katalityczne.

    A czy elektrochemiczne czujniki tlenu mają wewnątrz jakieś cenne metale (nie mam tutaj na myśli pozłacanych pinów)? Czy takie zużyte czujniki tlenu ktoś skupuje? Mają jakąś wartość?
    Trochę mi się tego nazbierało.

    Często widuję urządzenia 4 gazowe, jednak w konfiguracji bez sensora gazów palnych, problemem jest oczywiście to że żre sporo prądu bo posiada element grzejny. Do tej pory jednak nie wiedziałem jak to do końca działa. Swoją drogą czujniki gazów palnych do Ventis MX4 nie są okrągłe, tylko takie nieco podłużne i mają 2 dziury, w przeciwieństwie do tych od wykrywaczy nieszczelności, wie ktoś czemu? Są tam może 2 druciki? Czujnik od spodu ma 4 piny.

    Tak to wygląda:
    Noworoczna opowieść o platynie, katalizie i czujniku gazów palnych


    Faktycznie kształt jest nietypowy. Industrial Sientific ma na niego patent. Pod jedną siatką jest czujnik a pod drugą element odniesienia. Oba spięte w mostek - przynajmniej tak to opisują w patencie:
    https://patents.google.com/patent/US20030180445
    Znakomita większość czujników gazów wybuchowych ma kształt walca.

    Odnośnie zużytych czujników tlenu to nie moją wartości: https://www.citytech.com/en-gb/loader/frame_l....citytech.com/en-gb/technology/02-sensors.asp
    Tak to już jest że sensory tlenu zużywają się najszybciej, choć w ostatnich latach pojawiły się produkty o czasie pracy rzędu 4 lat i to gwarantowanych przez producenta.