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Estudio de sensores ópticos basados en óxido de estaño (SnO2) para la medición de etileno

El etileno es un gas incoloro presente en procesos industriales petroquímicos para la obtención de diversos plásticos. Pese a no ser considerado tóxico, su elevada inflamabilidad y reactividad supone un riesgo en el caso de fugas y escapes. Pero el etileno también es emitido en concentraciones mucho menores en el proceso de maduración de las plantas y sus frutos, en el orden de ppb o incluso unas pocas ppm. Algunos métodos de medición de etileno son muy precisos y costosos, mientras que otros requieren un proceso de toma de muestras. Los sensores electroquímicos suponen actualmente la opcion más económica y permiten la medición en tiempo real. En este Trabajo Fin de Máster, sin embargo, se presenta una alternativa: los sensores ópticos basados en Lossy Mode Resonances (LMR). Utilizando esta tecnología, se han evaluado tres sensores distintos, con una nanocapa de SnO2 y dos de ellos con capa adicional de paladio. Todos ellos han conseguido medir concentraciones de etileno de hasta 16 ppm, con líımites de detección menores a 11 ppm. De entre ellos, el sensor sin paladio ha sido estudiado en profundidad debido a sus mejores prestaciones, mostrando inmunidad a la temperatura, tiempos de respuesta menores al minuto y tiempos de recuperación menores a 5 minutos, una mayor sensibilidad a la humedad que al etileno, y sensibilidad cruzada al amoniaco, al acetileno y al dióxido de carbono. Frente a los sensores electroquímicos, los sensores investigados permitirían una medición más rápida in-situ, la monitorización simultánea de varias zonas de grandes cámaras y su uso en la industria petroqu ímica por su seguridad en ambientes explosivos. Asimismo, el límite de detección podría ser reducido profundizando el estudio del paladio.

Etilenoa industria petrokimikoan presentzia nabaria duen gas koloregabea da, plastiko ezberdinen produkziorako beharrezkoa dena. Toxikoa kontsideratzen ez den arren, gas honen sukoitasun eta erreaktibitate altuek arriskua ekar lezakete ihesik gertatuz gero. Baina etilenoa landareek eta haien fruituek ere igortzen dute euren heltze-prozesuetan, konzentrazio askoz txikiagoetan, mila miloiko parteetan (ppb) eta baita miloiko parte (ppm) gutxi batzuetan ere. Etilenoa neurtzeko prozesu batzuk oso zehatzak eta garestiak dira, eta beste batzuek laginen beharra dute. Gaur egun, sentsore elektrokimikoek aukera ekonomikoena suposatzen dute eta denbora-errealean (real-time) neur dezakete. Master Amaierako Lan honetan, hala ere, alternatiba bat aurkezten da: Lossy Mode Resonances (LMR)-etan oinarritutako sentsore optikoak. Teknologia honekin hiru sentsore ezberdin ebaluatu dira, SnO2 nanogeruza dutenak eta hauetako bi baita paladiozko geruza gehigarri bat ere. Hirurak etilenozko 16 ppm-ko konzentrazioak neurtzera iritsi dira, 11 ppm baino gutxiagoko hautemate-mugekin (limit of detection). Ezaugarri hobeak zituenez, hauen artean paladiorik gabeko sentsorea sakontasunez aztertu da. Sentsore honek tenperaturarekiko immunitatea, minutu bat baino gutxiagoko erantzun-denborak eta 5 minutu baino gutxiagoko berreskurapen-denborak, hezetasunarekiko sentsibilitate altuagoa etilenoarekiko baino, eta amoniakoarekiko, azetilenoarekiko eta karbono dioxidoarekiko sentikortasun gurutzatua erakutsi ditu. Sentsore elektrokimikoekin alderatuz, ikertutako sentsoreek neurketa azkarragoa in-situ eta ganbera handietako eremu ezberdinen aldibereko monitorizazioa ahalbidetuko lukete, eta baita industria petrokimikoetako ingurune leherkorretan erabili ahal izatea ere. Gainera, hautemate-muga murriz liteke paladioaren erabileran sakonduz gero.

Ethylene is a colourless gas present in petrochemical industrial processes for the production of several plastics. Although it is not considered toxic, its high flammability and reactivity poses a risk in the event of leakages. But ethylene is also emitted in much lower concentrations in the ripening process of plants and their fruits, in the order of ppb or even a few ppm. Some ethylene measurement methods are very accurate and expensive, while others require a sampling process. Electrochemical sensors are currently the cheapest option and allow real-time measurement. In this Master Thesis, however, an alternative is presented: optical sensors based on Lossy Mode Resonances (LMR). Using this technology, three different sensors have been evaluated, with a SnOtext2 nanocoating and two of them with an additional palladium layer. All of them have been able to measure ethylene concentrations down to 16 ppm, with detection limits below 11 ppm. Among them, the sensor without palladium has been studied in depth due to its better performance, showing immunity to temperature, response times of less than one minute and recovery times of less than 5 minutes, a higher sensitivity to humidity than to ethylene, and cross-sensitivity to ammonia, acetylene and carbon dioxide. Compared to electrochemical sensors, the sensors investigated would allow faster in-situ measurements, simultaneous monitoring of several areas of large chambers and their use in the petrochemical industry for their safety in explosive environments. Furthermore, the detection limit could be reduced by further study of palladium.