基于催化转化的丙酮分析仪

　　1 引言

　　丙酮是一种无色透明的液体，易溶于水及大多数有机溶剂，易挥发。人体一旦由于不慎吸入丙酮会受到很大的伤害。所以实时检测环境中丙酮的含量对人体健康和安全生产是非常重要的。

　　本文设计了一种丙酮分析仪，其原理是利用催化将丙酮转化成 CO2，通过传感器检测 CO2浓度，间接检测丙酮浓度。

　　2丙酮检测原理

　　实验发现，在丙酮光解过程中进行加温处理，较高的温度促进了丙酮转化的速度，但是光解生成的 CO在高温下发生氧化，生成了 CO2：

　　可以看出丙酮在紫外线和高温的作用下分解反应生成 CO2气体，采用成熟的定电位电化学原理对 CO2进行检测，就可以达到间接检测丙酮的目的。但是，实验表明，加温后的丙酮转化速度比较慢，并且转化后的其它生成物会影响电化学二氧化碳传感器的输出，不利于丙酮的快速分析和精确测量，所以必须改进其转化方法。

　　3 丙酮分解催化机理

　　TiO2具有化学性质稳定、抗化学和光腐蚀、难溶、无毒、催化活性高、成本低等优点，是常用的光催化剂。TiO2对气体反应的催化原理是：TiO2的能带结构是由一个充满电子的低级能带(价带)和一个空的高级能带组成，两个区域之间的部分称为禁带。 禁带是有宽度的，TiO2的带隙能为 3.0~3.2eV，使用能量大于禁带宽度的光对 TiO2进行照射，就会使价带上的电子被激发跃迁到导带上,此时在价带上会产生空穴。电子和空穴分别与吸附到 TiO2粒子表面的物质作用,显示出了很强的氧化或还原能力。使用波长小于 400nm的光照射时, 价带电子被激发到导带, 使电子或空穴得到分离。

　　研究表明, 由于 OH 自由基的氧化分解能力很强，气体反应物可以被其氧化分解，最终分解为 CO2和水。所以丙酮在其作用下的反应过程发生变化为：

　　在紫外线和 TiO2催化剂的共同作用下，丙酮基本上可以完全反应，反应的产物为 CO2和水，确保了丙酮测量的准确性。

　　由于晶体型TiO2催化剂载流子复合速率快会导致光催化活性不高，所以使用一种新型的纳米 TiO2。这种 TiO2可以增大催化剂的比表面积和禁带带宽，从而进一步提高 TiO2的催化效率。表 1 为丙酮转化效率的比较。

　　4丙酮分析仪

　　丙酮分析仪的工作原理为：含有丙酮的混合气体通过丙酮反应器，丙酮在高温、紫外线照射和催化剂作用下转化成 CO2，利用二氧化碳传感器对反应器的输出进行检测，并经 A/D 转换将传感器的模拟信号转化成数字信号，然后由单片机对信号进行处理，将结果在显示设备上输出。