El sulfuro de hidrógeno (H2S) es un gas nocivo que se caracteriza por su característico hedor que recuerda al de los huevos podridos. [1] Se le conoce con varios nombres coloquiales, como gas de alcantarilla, gas de pantano y gas de estiércol. [2] Este gas se encuentra de forma natural en el petróleo crudo, el gas natural, las aguas termales y ciertos alimentos. En la naturaleza, el H2S es un subproducto común de la descomposición de materia orgánica, como desechos humanos y animales, en sistemas sépticos y de alcantarillado debido a procesos bacterianos. [3] Además, se produce industrialmente en cantidades significativas a través de actividades e instalaciones como la extracción de petróleo y gas natural, el refinado, el tratamiento de aguas residuales, hornos de coque, curtidurías, fábricas de papel kraft y vertederos. [4]
Un sensor de sulfuro de hidrógeno o sensor de H2S es un sensor de gas para la medición de sulfuro de hidrógeno . [5]
El sensor H2S es un sensor semiconductor de óxido metálico (MOS) que funciona mediante un cambio reversible en la resistencia causado por la adsorción y desorción de sulfuro de hidrógeno en una película con material sensible al sulfuro de hidrógeno como películas gruesas de óxido de estaño y películas delgadas de oro . El tiempo de respuesta actual es de 25 ppb a 10 ppm en menos de un minuto.
El principio fundamental que subyace a la detección de gases en los sensores de gas basados en MOS se basa en alteraciones de la conductividad o resistividad eléctrica del MOS. En los MOS, que funcionan dentro de rangos de temperatura típicos y en condiciones atmosféricas ordinarias, la presencia de oxígeno atmosférico da como resultado la formación de una capa superficial empobrecida en electrones, que adsorbe o quimisorbe las moléculas de oxígeno del aire circundante. Inicialmente, cuando la capa superficial se expone al aire, los iones de oxígeno como O−2, O− y O2 se adsorben en los granos de óxido metálico, lo que provoca un efecto de flexión de banda y la creación de una región de empobrecimiento conocida como campo de carga espacial.
Cuando partículas específicas del gas objetivo entran en contacto con la superficie de los granos de óxido metálico, interactúan con los aniones de oxígeno, lo que provoca una modificación de la concentración de electrones en los materiales de óxido metálico. En consecuencia, esta alteración induce un cambio en la conductividad, generando así una señal de respuesta electrónica que se puede cuantificar. El mecanismo de detección empleado por los sensores de gas de óxido metálico está vinculado a la adsorción de iones y especies en sus superficies. Cuando el sensor de gas se expone al oxígeno, se forman partículas de oxígeno adsorbidas, y los átomos de oxígeno extraen electrones del interior del óxido metálico. La secuencia de reacciones resultante ilustra la cinética de este proceso de adsorción.
O2(gas)⇔O2 (absorbido),
O2(absorbido)+e−⇔O−2, (<100∘C),
O−2+e−⇔2O− (100−300∘C),
yO−+e−⇔O2−(>300∘C).
La composición de los iones de oxígeno quimisorbidos en los sensores de gas depende de la temperatura de funcionamiento. A temperaturas inferiores a 100 °C, predominan los iones O−2, mientras que en el intervalo entre 100 °C y 300 °C, predominan los iones O−. A temperaturas superiores a 300 °C, los iones de oxígeno quimisorbidos predominantes pasan a ser O2−.
Los gases peligrosos que se producen de forma natural se pueden clasificar en dos grupos en función de sus efectos oxidantes y reductores. Los gases como NO2, NO, N2O y CO2 se consideran agentes oxidantes, mientras que H2S, CO, NH3, CH4 y SO2 entran en la categoría reductora. Cuando un sensor de gas de MOS de tipo n se expone a un gas oxidante, el gas objetivo interactúa con los iones de oxígeno circundantes y captura electrones en la superficie del sensor. Esta interacción conduce a una reducción de la concentración de electrones dentro del MOS. Dado que los electrones son los principales portadores de carga en los MOS de tipo n, su conductancia disminuye cuando se exponen a gases oxidantes.
En cambio, en un sensor de gas MOS de tipo p, los huecos actúan como portadores de carga primarios. Cuando se exponen a gases oxidantes, los electrones extraídos aumentan la concentración de huecos dentro del MOS. En consecuencia, la conductancia del MOS de tipo p aumenta en presencia de gases oxidantes. La figura 1 proporciona un diagrama esquemático que ilustra el mecanismo de detección para MOS de tipo n y tipo p.
Este tipo de sensor ha estado en constante desarrollo debido a la naturaleza tóxica y corrosiva del sulfuro de hidrógeno: