СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ СОСТАВА ЖИДКИХ РАСТВОРОВ ЭЛЕКТРОЛИТОВ Российский патент 1997 года по МПК G01N27/26 

Изобретение относится к области химии и может быть использовано для физико-химического анализа водных проб.

Аналогами изобретения являются вольтамперометрические способы анализа и исследования жидких растворов электролитов. Эти способы основаны на изучении зависимости силы тока в электролитической ячейке от потенциала, погруженного в анализируемый раствор индикаторного электрода. [1] При реализации вольтамперометрических способов в анализируеый раствор помещают электроды, в анализируемый раствор вводят индифферентный электролит, затем на электроды от внешнего источника подают напряжение, в итоге получают зависимость величины тока от разности потенциалов, по которой и определяют состав раствора. Недостатком вольтамперометрических методов является повышенная сложность ячеек, в которых проводится исследование состава раствора, затрудняющая, в частности их использование непосредственно в анализируемых средах (например, в водоемах, водотоках, технологических трубопроводах, на линиях сбросов).

Аналогами предлагаемого способа являются кондуктометрические методы исследования состава растворов. Различают два вида кондуктометрии: контактную и бесконтактную. Наиболее распространены контактный никзочастотный и бесконтактный высокочастотный методы [2]
В прямой кондуктометрии концентрацию электролита определяют по электропроводности его раствора. Достоинством прямой кондуктометрии является простота измерительной ячейки, позволяющей анализировать концентрированные растворы кислот и другие растворы агрессивных веществ, а также использовать этот метод для анализа проб природных и сточных вод непосредственно в точке контроля.

Основные недостатки это, во-первых, определение электропроводности (сопротивления), информативность которой недостаточна, во-вторых, необходимость пропускания электрического тока через раствор, находящийся в измерительной ячейке, накладывает ограничения на использование метода.

В бесконтактных методах измерения проводят с применением емкостных ячеек (C-ячеек) или индуктивных ячеек (L-ячеек), которые представляют собой сосуды из диэлектрика, которые, в первом случае, имеют с внешней стороны не менее двух металлических электродов или, во-втором случае, помещены в магнитное поле катушки индуктивности. Помимо C- и L-ячеек применяются их различные комбинации. Общей особенностью бесконтактных методов является то, что электроды C-ячейки и катушка индуктивности соединяются с высокочастотным генератором, то есть измерения проводятся в условиях переменного электромагнитного поля.

Основным недостатком бесконтактных методов также является определение электропроводности (сопротивления) раствора.

Аналогом изобретения является кулонометрический способ анализа. По этому способу в изучаемый раствор помещают два электрода и пропускают через него электрический ток, при этом осуществляют в растворе и на электродах электрохимические превращения, затем на основании измерения количества электричества делают вывод о составе раствора. Для кулонометрического анализа необходимо соблюдение следующих условий: электрохимическое превращение вещества должно протекать со 100% -ным выходом по току, т.е. должны отсутствовать побочные электрохимические и химические процессы. Нужны надежные способы определения количества электричества и установления момента завершения электрохимической или химической реакции. [3] Необходимость соблюдения вышеописанных условий делает непригодным кулонометрический способ для анализа неподготовленных проб природного и технологического происхождения.

Прототипом предлагаемого способа является потенциометрический способ анализа. Он основан на измерении электродвижущих сил обратимых гальванических элементов. Обычно гальванические элементы, используемые в потенциометрии, включают пару электродов, которые могут быть погружены в один и тот же раствор (элемент без переноса) или в два различных по составу раствора, имеющих между собой жидкостный контакт (элемент с переносом). Для определения концентраций ионов в растворе наиболее пригодны элементы с переносом. Такой элемент включает индикаторный электрод, действующий обратимо к иону, активность (или концентрация) которого определяется, и второй электрод вспомогательный. Вспомогательный электрод должен иметь постоянный потенциал. [4]
Для определения концентрации в исследуемый раствор погружают один или оба электрода, затем, по наступлении равновесия, определяют значение электродного потенциала, после чего вычисляют концентрацию определяемого иона в растворе (Справочник по физико-химическим методам исследования объектов окружающей среды/ Аранович Г. И. Коршунов Ю.Ц. Ляликов Ю.С. справочник по физико-химическим методам исследования объектов окружающей среды Л. Судостроение, 1979).

Недостатком потенциометрического способа является необходимость включения в состав измерительного устройства специального электрода сравнения с целью создания гальванического элемента это приводит к использованию сложных, т. е. изготовленных из нескольких частей, электродов (например, ионселективных электродов).

Техническим результатом предлагаемого способа является упрощение той части измерительного устройства, которая непосредственно контактирует с исследуемым раствором; это упрощение заключается в отказе от включения в измерительную часть гальванического элемента. Результат достигается тем, что измерения проводят в ячейке из диэлектрического материала, в которую помещают электроды одинаковой природы, с помощью которых исследуют характеристики раствора; в ячейке создают постоянное магнитное поле с силовыми линиями, параллельными кратчайшей прямой между электродами, в котором и находятся эти электроды; затем сразу после включения постоянного магнитного поля измеряют изменение разности потенциалов между электродами во времени.

Отличием заявляемого способа от прототипа является то, что в прототипе потенциал измеряется после наступления равновесия в изучаемой системе, а в предлагаемом способе изучают изменение электрохимических характеристик в неравновесных условиях.

Другие существенные отличия заявляемого технического решения от известных видны из таблицы. известного технических решений".

На фиг. 1 дана схема измерительной ячейки; на фиг. 2 изменение разности потенциалов между электродами при включении постоянного магнитного поля.

Пример. Для выполнения измерения была собрана ячейка, включающая 1) стеклянную ячейку; 2) раствор; 3) отверстия для ввода электродов; 4) краник для слива раствора; 5) электроды; 6) обмотка из медного провода; 7) источник постоянного тока; 8) регистрирующее устройство.

Методика выполнения измерений заключалась в следующем.

В стеклянную ячейку помещали электроды, которые представляли собой отрезки медной проволоки, поверхность которой была предварительно зачищена наждачной бумагой. Затем ячейк у с электродами промывали исследуемым раствором, который сливался через краник 4. В опытах использовали раствор хлорида натрия в дистиллированной воде. После промывки в ячейку заливали новую порцию раствора. Затем включали в катушке постоянный ток, величина которого равнялась 0,4 А. Начиная с момента включения тока, с интервалом в 10 с измеряли разность потенциалов между электродами 5 или измеряли величину тока, или измерения сопротивление раствора. Эти измерения показали, что удобно детектировать разность потенциалов. Изменение величины разности потенциалов между электродами 5 после включения постоянного тока в катушке (т.е. после создания постоянного магнитного поля в ячейке) на примере раствора хлорида натрия с концентрацией, равной 300 г/л, показано на рис. 2.

Как показали измерения, в первые 30-60 с после включения катушки разность потенциалов оставалась приблизительно постоянной. Затем она начинала увеличиваться и после достижения максимума начинала уменьшаться до некоторой постоянной во времени величины, отличной на 0,2-0,5 мВ от исходной. Высота и площадь пика зависели от концентрации раствора, с ее уменьшением они уменьшались. В случае, если в ячейку заливали дистиллированную воду, то после включения постоянного магнитного поля пики не наблюдались.

Тот факт, что в дистиллированной воде пики не наблюдались, а в растворе электролита (NaCl) они появлялись, указывает на то, что предложенный способ можно использовать для исследования жидких растворов электролитов.

Реализация предложенного способа позволит получить измерительные устройства, в которых с изучаемым раствором будут контактировать лишь электроды простейших конструкции (например, выполненные в виде двух металлических пластин). В тоже время наиболее сложные и дорогостоящие узлы будут находиться вне контакта с раствором. Это позволяет проводить исследования растворов электролитов (воды) непосредственно в трубопроводах, технологических емкостях и водных объектах.

Использование: физико-химический анализ и исследование водных проб. Сущность изобретения: способ исследования состава жидких растворов электролитов, находящихся в ячейке из диэлектрического материала, заключается в измерении электрических характеристик электродов, опущенных в раствор электролита. В ячейку помещают одинаковые электроды. В ячейке создают постоянное магнитное поле с силовыми линиями, параллельными кратчайшей прямой между электродами. После включения постоянного магнитного поля получают кинетическую зависимость потенциал - время на основании которой определяют количественный состав раствора. 2 ил. 1 табл.

Способ исследования состава жидких растворов электролитов, находящихся в ячейке из диэлектрического материала, заключающийся в измерении электрических характеристик электродов, опущенных в раствор электролита, отличающийся тем, что в ячейку помещают одинаковые электроды и создают в ней постоянное магнитное поле с силовыми линиями, параллельными кратчайшей прямой между электродами, в котором находятся эти электроды, затем сразу после включения постоянного магнитного поля получают кинетическую зависимость потециал - время, на основании которой определяют количественный состав раствора.