Selektive Messung organischer Rauchgaskomponenten mittels halbleitender mesoporöser WO3-Schichten

Abstract

Flüchtige organische Volatile, die als Markersubstanzen für unterschiedliche Stadien einer Holzverschwelung signifikant sind, wurden in dieser Arbeit mittels Halbleiter-gassensoren nachgewiesen und mit Hilfe der linearen Diskriminanzanalyse getrennt. Als sensitive Schicht wurde dabei hauptsächlich auf geordnetes mesoporöses Phosphor-Wolframoxid, das durch das Hart-Templateverfahren hergestellt wird, zurück-gegriffen. Mesoporöse Materialien bieten durch ihr hohes Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis einen optimalen Zugang für organischen Volatile und Gase im Allgemeinen. Im Rahmen der Arbeit wurden Rauchgasanalysen mittels GC/MS und einem mobilen Massenspektrometer durchgeführt. Dabei tritt ein temperaturabhängiger Anstieg der Volatile Furfural und Hexanal auf. Daneben kommt Guajacol als Rauchgaskomponente vor.Im Folgenden wurden die auf leicht unterschiedliche Art präparierten geordneten mesoporösen Phosphor-Wolframoxid-Sensormaterialien analytisch charakterisiert (REM, XRD, Stickstoff-Physisorption) und auf ihre optimale Temperatur hinsichtlich der angebotenen Markersubstanzen untersucht. Im nächsten Teilabschnitt wurde der Einfluss der Konzentration der zu messenden Gase untersucht. Durch Vergleiche mit zwei Referenzsensoren wurde gezeigt, dass die geordneten mesoporösen Phosphor-Wolframoxid-Sensoren sowohl gegenüber dem Phosphor-Wolframoxid-Referenzsensor als auch dem herkömmlichen Wolframoxid-Referenzsensor bezüglich der Sensitivität deutlich im Vorteil sind. Ferner wurde das Ansprechverhalten (Zeitkonstanten) der verwendeten Halbleitergas-sensoren untersucht. Die annähernd gleichen Zeitkonstanten der geordnet mesoporösen Phosphor-Wolframoxid-Sensoren auf die Markervolatile weisen auf lokale Gleich-gewichte hin.Zur Steigerung der Selektivität wurde im darauf folgenden Abschnitt auf das temperaturzyklische Multisignal-Gewinnungsverfahren zurückgegriffen. Mit Hilfe eines auf schnell ändernde Bedingungen innerhalb der Erwärmungsphase von Holz angepassten Dreiecks-Zyklus wurden Messungen mit unterschiedlichen Konzentra-tionen der verwendeten Markersubstanzen durchgeführt. Die Resultate der temperaturzyklischen Messungen wurden mit Hilfe einer auf Temperaturzyklen optimierten LDA (Lineare Diskriminanzanalyse) ausgewertet. Die Ergebnisse zeigen eine Auftrennung der Markersubstanzen insbesondere bei vor-angehender Datennormierung. Darauffolgend wurden Messungen unbekannter Stoffe den durch die LDA separierten Markersubstanzen zugeordnet. Hier zeigt sich, dass bei den verwendeten Sensoren die unbekannten Stoffmessungen zuverlässig identifiziert, d.h. den richtigen Marker-substanzen zugeordnet werden können. Auch definierte Konzentrationen eines bestimmten unbekannten Stoffes lassen sich mittels einer hierarchischen LDA dem richtigen Substanzkonzentrationsbereich zuordnen.Durch Verwendung der temperaturzyklischen Multisignalgenerierung mit anschließender LDA-Auswertung kann also eine Selektivitätssteigerung der Halbleiter-gassensoren sowie eine Trennung der für die unterschiedlichen Brandstadien signifikanten Markervolatile (a-Pinen, Furfural, Guajacol und Hexanal) erreicht werden. Dadurch wird es möglich, eine beginnende Holzverschwelung (als Vorstadium eines Holzbrandes), z.B. in einer Holztrocknungsanlage, bereits in einem frühen Stadium selektiv spezifischen Markervolatilen zuzuordnen und geeignete Maßnahmen zur Brandverhütung zu ergreifen.