СПОСОБ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА Российский патент 2003 года по МПК G01N27/48 

Заявляемое изобретение относится к измерительной технике, а именно к электрохимическому анализу, и может быть использовано при создании аппаратно-программных средств для анализа растворов в различных отраслях науки и техники, промышленности, экологии, а также для электрохимических исследований многокомпонентных растворов в широком диапазоне концентраций.

Известны различные способы для измерения параметров динамической вольт-амперной зависимости нестационарного тока электрохимической ячейки при подаче поляризующего напряжения на ее рабочий и вспомогательный электроды. Однако фактором, ограничивающим точность измерения и минимально определяемые концентрации компонентов в растворе, является емкостная составляющая тока, обусловленная процессом перезарядки (заряда-разряда) нелинейной емкости двойного ионного слоя. Для выделения информативной фарадеевской составляющей из суммарного тока применяют разностный метод, основанный на измерении разности токов двух ячеек. В одной ячейке содержится эталонный раствор без анализируемых компонентов или с известным их содержанием, а в другой - исследуемый раствор. Иногда вместо второй ячейки используется конденсатор, емкость которого предварительно подбирается (Б.С. Брук, Полярографические методы, М. : Энергия, 1972, с.130). Однако такой способ сложен и не дает полного устранения емкостной составляющей тока.

Известен способ вольтамперометрического анализа, включающий получение динамической вольт-амперной зависимости границы раздела рабочий электрод - раствор при прямом и обратном направлениях циклической развертки поляризующего напряжения и последующее дифференцирование полученной зависимости по напряжению. Перед дифференцированием проводят эквипотенциальное суммирование токов, получаемых при прямом и обратном направлениях изменения поляризующего напряжения. Способ защищен патентом РФ 2101697, G 01 N 27/00, опубл. 1998 г.

Описанный способ является одной из разновидностей реализации разностного метода измерения, он обеспечивает полную компенсацию емкостного тока, однако не позволяет учесть вклад химических реакций (определить химический ток), требует проведения записи протяженных вольтамперометрических кривых и их последующей математической обработки, не может быть использован для безэталонных измерений концентрации и требует обязательного проведения калибровочных измерений, что значительно усложняет его, кроме того, метод уступает по чувствительности инверсионным методам, поскольку является циклическим.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ, относящийся к постояннотоковой инверсионной потенциометрии. Способ описан в патенте США 5891322, G 01 N 27/26, oпубл. 1999 г., где реализован процесс кулонометрического измерения параметров электрохимической ячейки. Этот способ выбран в качестве прототипа заявляемого способа.

Способ включает потенциометрическое концентрирование ионов металла на поверхности электрода при потенциале, превышающем потенциал поляризации металла, последующее электрохимическое растворение осадка с поверхности электрода в гальваностатическом режиме, повторение по крайней мере дважды цикла осаждения и электрохимического растворения. При этом производится измерение продолжительности каждого цикла электрохимического растворения. Далее по измеренным временным интервалам вычисляют фарадеевский заряд ионов и концентрацию металла в пробе.

Способ позволяет проводить безэталонные измерения за счет проведения циклов многократного электрохимического растворения и осаждения. Однако способ не обеспечивает точного определения "химического тока". При измерении необходимо проводить дифференцирование хронопотенциометрических кривых и далее поиск границ пиков, что существенно усложняет алгоритм измерения и затрудняет автоматизацию процесса измерения.

Заявляемым изобретением решается задача повышения точности и чувствительности способа электрохимического анализа растворов сложного химического состава в широком диапазоне концентраций элементов в растворе в автоматическом режиме.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе электрохимического анализа, включающем потенциостатическое концентрирование анализируемых элементов на поверхности электрода, последующее растворение осадка в гальваностатическом режиме, повторение циклов растворения и осаждения, контроль потенциала рабочего электрода и временных интервалов растворения, последующий расчет величины фарадеевского заряда и оценку концентрации определяемого компонента в пробе, согласно изобретению второе и последующие осаждения проводят в гальваностатическом режиме до значения потенциала, соответствующего началу растворения определяемого компонента, а растворение заканчивают при значении потенциала, соответствующем окончанию растворения определяемого компонента, между операциями растворения и осаждения изменяют направление тока, осуществляют контроль временных интервалов осаждения, циклы повторяют до постоянства временных интервалов в каждой операции, сопоставляя величины зарядов ионов, осажденных и растворенных в каждом цикле, определяют величину "химического тока", для каждого определяемого элемента измерения повторяют.

Рассчитывают значение фарадеевских зарядов по формуле
Q(i)=I•ΔT(i),
где i - номер цикла, i=1, 2, 3...;
Q(i) - значение фарадеевского заряда в i-м цикле в микро- или нанокулонах;
I - значение тока в мА или мкА;
ΔT(i) - разность между i-м и последним временными интервалами в операции в мс;
оценивают по величине зарядов концентрацию металла в пробе.

Вычисление "химического тока" проводят по формуле
I_хим(i)={Q^oc(i)-Q^pac(i)}/{ΔT^oc(i)+ΔT^pac(i)},
где i - номер цикла, i=2, 3, 4...;
I_хим(i) - ток, эквивалентный вкладу химических реакций на поверхности рабочего электрода, в i-м цикле в мА или мкА;
Q^oc(i) - фарадеевский заряд осаждения в i-м цикле в микро- или нанокулонах;
Q^pac(i) - фарадеевский заряд растворения в i-м цикле в микро- или нанокулонах;
ΔТ^oc(i) - разность между i-м и последним временными интервалами в операции осаждения в мс;
ΔT^pac(i) - разность между i-м и последним временными интервалами в операции растворения в мс.

Наличие отличительных от прототипа признаков позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию "новизна".

В процессе поиска не выявлено технических решений, содержащих признаки, сходные с отличительными признаками заявляемого способа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "изобретательский уровень".

Возможность решения поставленной задачи обусловлена тем, что величина тока, протекающего через рабочий электрод, в общем случае определяется двумя основными составляющими: нестационарным фарадеевским током, вызванным вкладом в электродные реакции ионов искомого компонента, и током заряда-разряда емкости двойного ионного слоя, являющейся в свою очередь функцией потенциала рабочего электрода. Соответственно, суммарный заряд равен сумме двух зарядов: фарадеевского заряда и заряда емкости двойного ионного слоя.

При проведении последовательных циклов осаждение-растворение в области потенциала поляризации искомого элемента величина заряда емкости двойного слоя остается неизменной от цикла к циклу. Величина фарадеевского заряда, максимальная в первом цикле, будет далее уменьшаться от цикла к циклу.

Это обусловлено тем, перед началом циклов растворение-осаждение проводится потенциометрическое концентрирование ионов на рабочем электроде. При первом растворении большая часть осажденного компонента переходит в раствор, что приводит к образованию значительного градиента концентрации данного компонента в приэлектродной области, причем этот градиент из-за диффузии будет уменьшаться во времени. По этой причине при следующем осаждении на рабочем электроде выделится существенно меньшая часть ионов компонента, поскольку часть ионов вследствие диффузии успеет покинуть область двойного ионного слоя и переместится в толщу раствора. Процесс будет продолжаться до тех пор, пока не установится некоторое равновесное состояние (квазистационарный режим), при котором градиент концентрации искомого компонента будет определяться только средним во времени значением потенциала рабочего электрода.

Таким образом, величина заряда, рассчитанная как произведение тока на разность продолжительности растворения/осаждения текущего цикла и соответствующего установившегося значения, будет равна фарадеевскому заряду растворения/осаждения искомого компонента и, следовательно, определяет концентрацию последнего в растворе.

В свою очередь соотношение фарадеевских зарядов осаждения в предыдущем и растворения в последующем цикле характеризует влияние химического механизма реакции и, следовательно, позволяет учесть вклад химических реакций в электродные процессы с помощью эквивалентного "химического тока".

Заявляемое изобретение иллюстрируется чертежами, приведенными на фиг. 1-5.

На фиг.1 приведена схема электрохимической ячейки.

На фиг.2 приведена функциональная схема анализатора.

На фиг. 3 - график зависимости напряжения на рабочем электроде от времени.

На фиг. 4 - график изменения продолжительности интервала растворения от цикла к циклу.

На фиг.5 - график зависимости фарадеевcкoгo заряда растворения кадмия от времени.

На фиг.6 - калибровочный график.

Заявляемое изобретение реализовалось следующим образом. В электрохимическую ячейку 1, содержащую вспомогательный электрод 2, рабочий электрод 3 и электрод сравнения 4, заливали пробу исследуемого раствора.

Отработку способа проводили на электрохимическом анализаторе, функциональная схема которого (см. фиг. 2) содержала электрохимическую ячейку 1 с анализируемым раствором, к которой подключен потенциостат/гальваностат 5, соединенный с блоком 6 цифроаналогового и аналого-цифрового преобразования. Микропроцессорный контроллер (блок управления) 8 по команде оператора, вводимой с клавиатуры 9, производил задание режимов поляризации ячейки и обрабатывал полученные данные. Результаты обработки отражались на дисплее 7.

При анализе природных проб на первом этапе в режиме гальваностата проводили окисление раствора для удаления органических примесей. Для этого использовали второй рабочий электрод, который затем отключали. На следующем этапе для подготовки поверхности рабочего электрода к измерению проводили электрохимическую регенерацию электрода путем подачи на него серии импульсов напряжения пилообразной формы в режиме потенциостата. Далее, также в режиме потенциостата, проводили концентрирование при потенциале, превышающем потенциал начала выделения определяемого иона. Потенциал поддерживали в течение фиксированного интервала времени.

После завершения операции концентрирования проводили собственно измерение, т. е. определение количества ионов металла в исследуемом растворе, зная величины начальных и конечных потенциалов определяемого металла, для чего в гальваностатическом режиме растворяли осадок с рабочего электрода и при этом контролировали изменение потенциала. После достижения потенциалом значения, характеризующего конец растворения искомого металла, изменяли направление тока и фиксировали время. Повторное осаждение проводили в гальваностатическом режиме до момента достижения потенциалом величины, характеризующей начало растворения этого иона. При достижении этого значения вновь изменяли направление тока и фиксировали интервал времени осаждения. После изменения направления тока начинался второй цикл растворения накопленного осадка с рабочего электрода. При достижении значения потенциала, соответствующего концу растворения первого металла, вновь проводили изменение направления тока, и такие циклы повторяли многократно, сравнивая каждый раз текущее значение временного интервала с предыдущим. При установлении стационарного режима, когда интервалы времени не изменяются в пределах ошибки измерения, циклы заканчивали.

Далее рассчитывали значение фарадеевских зарядов искомого компонента по формуле
Q(i)=I•ΔT(i),
где i - номер цикла, i=1, 2, 3...;
Q(i) - значение фарадеевского заряда в i-м цикле в микро- или нанокулонах;
I - значение тока в мА или мкА;
ΔT(i) - разность между i-м и последним временными интервалами в операции в мс,
и оценивали по величине фарадеевских зарядов концентрацию металла в пробе.

Разница между значениями фарадеевских зарядов осаждения и растворения характеризует вклад химических реакций в электродные процессы, который можно описать некоторым "химическим током", что позволяет реализовать безэталонный метод анализа, обладающий высокой точностью независимо от состава пробы.

Значение величины "химического тока" рассчитывали по формуле
I_хим(i)={Q^oc(i)-Q^pac(i)}/{ΔT^oc(i)+ΔT^pac(i)},
где i - номер цикла, i=2, 3, 4...;
I_хим(i) - ток, эквивалентный вкладу химических реакций на поверхности рабочего электрода, в i-м цикле в мА или мкА;
Q^oc(i) - фарадеевский заряд осаждения в i-м цикле в микро- или нанокулонах;
Q^pac(i) - фарадеевский заряд растворения в i-м цикле в микро- или нанокулонах;
ΔT^oc(i) - разность между i-м и последним временными интервалами в операции осаждения в мс;
ΔT^pac(i) - разность между i-м и последним временными интервалами в операции растворения в мс.

В процессе отработки способа определяли фарадеевский заряд окисления кадмия при заполнении ячейки модельным раствором, содержащим НСl 0,05 М+КСl 0,5 М+Hg(NO₃)₂+10 мкг/л Cd.

Для этого проводили потенциостатическое концентрирование в течение 60 секунд пробы объемом, равным 0,2 мл, при потенциале на рабочем электроде, равном -1,2 В (по отношению к хлорсеребряному электроду сравнения). Концентрирование проводили при перемешивании раствора в ячейке с помощью магнитной мешалки. Зависимость напряжения на рабочем электроде ячейки от времени в процессе измерения показана на графике (см. фиг.3).

Далее (точка а на графике фиг.3) проводили гальваностатическое растворение осажденного Cd при значении тока 120 мкА, фиксировали моменты достижения на рабочем электроде потенциала U1, соответствующего началу растворения Cd (точка b на графике фиг.3), а заканчивали растворение (точка с на графике фиг.3) при значении потенциала U2, соответствующем окончанию растворения Cd. При этом измеряли интервал времени T^pac(1), меняли направление тока и далее в гальваностатическом режиме проводили осаждение Cd до момента достижения на рабочем электроде значения потенциала U1, фиксировали временной интервал Т^pac(2), изменяли направление тока и в гальваностатическом режиме проводили растворение Cd до момента достижения на рабочем электроде значения потенциала U2, фиксировали время растворения во втором цикле Т^pac(2), циклы повторяли, фиксируя временные интервалы осаждения и растворения в каждом цикле. Циклы повторяли до тех пор, пока величины интервалов времени не станут постоянными в операции растворения и осаждения. На фиг.4 приведен график изменения длительности временного интервала растворения от цикла к циклу.

Далее вычитая из текущего интервала времени значение установившегося интервала времени и умножая результат на величину тока, проходящего через ячейку, определяли фарадеевский заряд искомого компонента. На фиг.5 приведена зависимость фарадеевского заряда растворения Cd от времени, полученная в эксперименте.

Далее рассчитывали значение "химического тока" и с учетом вклада химических реакций определяли точную величину фарадеевского заряда и концентрацию Cd в пробе.

Для проверки метрологических характеристик способа были проведены измерения на 3-х различных модельных пробах с концентрациями Cd 10, 20 и 100 мкг/л. Условия проведения эксперимента: напряжение на рабочем электроде в режиме концентрирования -1,2 В (по отношению к хлорсеребряному электроду сравнения), длительность концентрирования 120 с, ток растворения 40 мкА, объем пробы 2 мл, состав фона НСl 0,5 М+КСl 0,05 М+Hg(NO₃)₂.

Калибровочный график, полученный методом наименьших квадратов по 9-ти независимым измерениям с различной концентрацией ионов кадмия, приведен на фиг. 6. Результаты эксперимента показали высокую точность и линейность способа.

Изобретение относится к способам анализа многокомпонентных растворов в широком диапазоне концентраций, может использоваться в промышленности при анализе растворов, при экологическом контроле воды. Технический результат изобретения заключается в повышении точности и чувствительности способа электрохимического анализа растворов сложного химического состава в широком диапазоне концентраций элементов в растворе в автоматическом режиме. Сущность изобретения: способ включает потенциостатическое концентрирование анализируемых элементов на рабочем электроде, последующее растворение осадка в гальваностатическом режиме, повторение циклов растворения и осаждения, контроль потенциала рабочего электрода и временных интервалов растворения, последующий расчет величины заряда и оценку концентрации определяемого компонента в пробе, при этом второе и последующие осаждения проводят в гальваностатическом режиме до значения потенциала, соответствующего началу растворения определяемого компонента; а растворение заканчивают при значении потенциала, соответствующем окончанию растворения определяемого компонента; между операциями растворения и осаждения изменяют направление тока, осуществляют контроль временных интервалов осаждения; циклы повторяют до постоянства временных интервалов в каждой операции, при сопоставлении величин зарядов, осажденных и растворенных в каждом цикле, определяют величину химического тока; для каждого определяемого элемента измерения повторяют. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ электрохимического анализа, включающий потенциостатическое концентрирование (осаждение) определяемых компонентов на поверхности рабочего электрода, последующее растворение осадка в гальваностатическом режиме со значения потенциала на электроде (U1), соответствующего началу растворения определяемого компонента, до значения потенциала, соответствующего окончанию растворения определяемого компонента (U2), второе осаждение до значения потенциала на электроде U1 и растворение в гальваностатическом режиме до значения U2, повторение циклов осаждение-растворение, контроль электрических и временных параметров в циклах и оценку по ним концентрации определяемого компонента в пробе, отличающийся тем, что второе и последующие осаждения проводят в гальваностатическом режиме, при этом контролируют величину тока и временных интервалов осаждения и растворения, циклы осаждение-растворение повторяют до прекращения изменения временных интервалов осаждения или растворения, а оценку концентрации определяемого компонента в пробе осуществляют на основе данных о величине тока и временных интервалов осаждения и растворения в различных циклах, для других определяемых компонентов операции повторяют при соответствующих значениях U1 и U2. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что оценку концентрации определяемого компонента в пробе осуществляют по величине заряда, рассчитанного по формуле
Q(i)=I•ΔT(i),
где i - номер цикла осаждение - растворение, i = 1, 2, 3, ...;
Q(i) - фарадеевский заряд в i-м цикле, в микро- или нанокулонах;
I - ток, мА или мкА;
ΔТ(i) - разность между временными интервалами растворения или осаждения в i-м и в последнем циклах, мс. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что оценку концентрации определяемого компонента в пробе осуществляют по величине заряда, определенного с учетом вклада химических реакций, путем расчета химического тока по формуле
I_хим(i)={Q^oc(i)-Q^pac(i)}/{ΔT^oc(i)+ΔT^pac(i)},
где i - номер цикла осаждение-растворение, i = 1, 2, 3, ...;
I_хим(i) - ток, эквивалентный вкладу химических реакций на поверхности рабочего электрода, в i-м цикле, мА или мкА;
Q^ос(i) - фарадеевский заряд осаждения в i-м цикле, в микро- или нанокулонах;
Q^рас(i) - фарадеевский заряд растворения в i-м цикле, в микро- или нанокулонах;
ΔТ^ос(i) - разность между временными интервалами в операции осаждения в i-м и в последнем цикле, мс;
ΔТ^рас(i) - разность между временными интервалами в операции растворения в i-м и в последнем циклах, мс.