Чувствительный элемент газоанализатора хлора в воздухе Советский патент 1992 года по МПК G01N27/406 

Изобретение относится к аналитическому приборостроению, в частности к злектро- химическим газоанализаторам для определения концентрации хлора в воздухе и технологических газах, и может быть использовано в промышленной санитарии, мониторинге окружающей среды, для контроля технологических процессов при производстве и переработке хлора в химической и других отраслях промышленности.

Известен чувствительный элемент на основе твердых электролитов из двухлори- стого олова, хлористого свинца или хлористого бария (1), оксида цинка с добавкой 0,1-40% хлорида золота (2), хлоридов стронция и калия (3). В качестве каталитически активных электродов в этих элементах используются платина, иридий, диоксид рутения или сплавы платины и иридия,

Недостатками чувствительных элементов на основе перечисленных электролитов являются гигроскопичность твердых электролитов, необходимость специальных устройств для термостатирования чувствительных элементов при 230-260°С, сложная технология изготовления Изготовление элементов осуществляют прессованием в потоке сухого азота, пайкой проволочных токоподводов из драгметаллов, нанесением на обе стороны диска из твердого электролита тонких слоев каталитически активных электродов из платиньГили палла дйя с последующим хранением в сухом газе во избежание гидратации твёрдого электрблита. Из-за низкой электропроводности перечисленных твердых электролитов при 230- 260°С определение концентрации хлора в воздухе осуществляют по величине ЭДС, возникающей между индикаторным электродом и электродом, на который подают газ с заданным содержаИиейГхлораГВ этом режиме измерения величина ЭДС прямо пропорциональна логарифму концентрации хлора в воздухе, что снижает точность определения.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является чувствительный элемент

tessa

электрохимического газоанализатора концентрации хлора в воздухе, в котором используют YeepAbifi электролит с униполярной проводимостью по ионам, чужеродным к хлору, а именно - алюминат серебра (4). ЭДС чувствительного элемента определяется вторичным равновесием реакции восстановления хлора, причем твердый электролит обладает ионной проводимостью по ионам серебра, которые являются чужеродными по отношению к определяемому компоненту - хлору

Недостатком этого решения является высокое удельное сопротивление твердого электролита при температуре окружающей среды, что не позволяет эксплуатировать чувствительный элемент на его основе в более простом и надежном амперометриче- ском режиме Кроме тото, при длительном воздействии хлора один из основных компонентов системы - серебро - превращается в его хлорид, в результате чего сокращается срок службы чувствительного элемента и снижается стабильность показаний 1 времени.

Цель изобретения - упрощение техно логии изготовления и условий эксплуатации и увеличение срока службы чувствительного элемента газоанализатора хлора в воздухе

Поставленная цель достигается тем что в качестве электролита чувствительного элемента газоанализатора хлора в воздухе используют чужеродный к хлору твердый электролите протонной проводимостью нз основе гидратированного оксида сурьмм разупорядоченной структуры состава (3,0-3,5) Н20 с добавкой полимерною связующего

Из литературы не известны чувствительные элементы для определения концентрации хлора в воздухе на основе твердого протонпроводящего электролита, выполненного из гидратированного оксида сурьмы разупорядоченной структуры

Положительный эффект при использовании изобретения возникает благодаря применению в качестве чужеродного к хлору и его ионам предложенного твердого электролита с высокой проводимостью по ионам водорода (протонам) при температуре окружающей среды, стабильного в атмосфере воздуха и химически стойкого в присутствии определяемого компонента - хлора и продукта электродной реакции - хлороводорода, что позволяет эксплуатировать чувствительный элемент в амперомет- рическом режиме без специального подогрева. Чувствительный элемент для определения концентрации хлора в воздухе на основе предлагаемого электролига имеет

следующие существенные отличия от известных решений

В предлагаемом чувствительном элементе не применяются расходуемые в про5 цессе эксплуатации вещества и не накапливаются продукты реакции, что повышает их стабильность во времени и увеличивает срок службы. В огличие от чувствительных элементов на основе твер0 дых электролитов с униполярной проводимостью по ионам хлора предлагаемый чувствительный олемент не требует специальною подогрева, используемый в нем твердый электролит устойчив в атмосфер5 ном воздухе, что упрощает условия /ране ния и эксплуатации.

Используемый гидратированный оксид сурьмы разупорядоченной структуры соста вэ SbaOs (3,0-3,5) Н20 отличается высокой и

0 стабильной протонной проводимостью - его удельная электропроводность при 20°С составляет 0,055 Ом Этот электролит может быть получен любым известным способом

5 Другие твердые электролиты с протонной проводимостью пригодны для изготовления чувствительных элементов в меньшей степени чем гидра)ированный оксид сурьмы разупорядоченно й структуры по

0 причине нестабильной во времени электропроводности и сильной зависимости её от внешних условий (влажности воздуха, температуры) или низкой устойчивости в присутствии хлора и хлороводорода. Так,

5 например, изготовленный чувствительный элемент на основе протонпроводящего электролита из кислого фосфата циркония оказался работоспособным только при 100% ной относительной влажности возду0 ха

Схема предлагаемого чувствительного элемента для определения концентрации хлора в воздухе представлена на чертеже, Чувствительный элемент состоит из твердо5 ю про гон проводящего электролита на основе гидратированного оксида сурьмы разупорядоченпой структуры 1, каталитически активных индикаторного 2 и вспомогательного 3 электродов и корпуса из

0 диэлектрика 4. Чувствительный элемент подключен к источнику постоянного тока 5, с помощью которого поддерживают задан ное напряжение между электродами 2 и 3. Сипу тока в цепи измеряют ампермет ром 6.

5 Изобретение выполняется следующим образом,

В матрицу пресс-формы равномерным слоем засыпают порошок каталитически активного материала, уплотняют пуансон,

затем засыпают слой порошка гидратираеанного оксида сурьмы разупорядоченной структуры с полимерным связующим, уплотняют пуансоном, засыпают слой каталитически активного порошка и осуществляют окончательное прессование, С целью снижения расхода каталитически активных веществ, выполняющих в спрессованном виде функции электродов, они могут быть нане- сбны тонким слоем на таблетку твердого электролита и закреплены на ее поверхности повторным прессованием. Полученную таблетку закрепляют в корпусе из диэлектрика.

В качестве полимерного связующего, добавляемого в порошок твердого электролита, может быть использован порошок фторопласта или других полимеров, стойких в среде протон про водящего электролита в присутствии хлора и хлороводорода. Содержание полимерного связующего влияет на сопротивление чувствительного элемента и его механическую прочность. При содержании полимерного связующего 20-40 мас.% сопротивление чувствительных элементов при усилии прессования 2,5 тс/см составляет 20-100 Ом. При этом чувствительные элементы не разрушаются при многократном изменении относительной влажности воздуха от 30 до 100%. Падение напряжения на сопротивлении элемента в исследуемом диапазоне концентраций хлора в воздухе не превышает нескольких десятков милливольт, что не оказывает существенного впияния на потенциалы анода и катода. С уменьшением содержания полимера снижается механическая прочность чувствительных элементов. При недостаточной механической прочности и изменении относительной влажности воздуха происходит самопроизвольное расслаивание элемента по электролиту. При содержании полимера выше 40% сопротивление элементов резко возрастает, что нарушает прямую пропорциональность между концентрацией хлора и выходным сигналом. Поэтому содержание связующего 20-40 мае % является оптимальным.

Чувствительный элемент работает следующим образом.

В отсутствии хлора в воздухе при напряжении 1 В между электродами 2 и 3 протекает фоновый ток, обусловленный побочными реакциями. При появлении хлора в воздухе он адсорбируется на поверхности каталитически активного индикаторного электрода, восстанавливается в присутствии ионов Н+ по реакции

2H++Cl2 + 2e 2HCi,

а образующийся хлороводород удаляется в атмосферу. На вспомогательном электроде происходит разложение поглощаемых из атмосферы воздуха парив воды по схеме

Н20 2Н++1/202 + 2е

(2)

с удалением в атмосферу кислорода и миграцией к катоду ионов водород

10 П р и м е р. В пресс-форму диаметром 18 мм засыпают смесь порошков, состоящую из 1 г гид рати ро ванного оксида сурьмы разупорядоченной структуры состава Sb2Qs (3,0-3,5)Н20 и 0,3 г фторопласта. На обе

15 стороны спрессованной при усипии 5 тс таблетки наносят слой каталитически активного порошка и затем прессуют при усилии 9 тс, Таблетку монтируют в корпусе из диэлектрика, и с помощью внешнего источника

20 тока на электродах поддерживают постоянное напряжение 1,0 В. При комнатной температуре получена следующая зависимость силы тока от концентрации хлора в воздухе; Концентрация

25 хлора в воздухе,

мг/м30 10 100250 1000

Сила тока, мкА 0,13,332 80 320 Из полученных данных следует, что измеряемая сила тока за вычетом фона в широком

30 диапазоне прямо пропорциональна концентрации хлора в воздухе.

Прямая пропорциональность между выходным сигналом чувствительного элемента и концентрацией хлора в воздухе сохраня35 ется и при других температурах, В интервале температур (-15) - (30)°С при концентрации хлора в воздухе 250 мг/м получена следующая зависимость: Температура, °С -150 2030

40Сила тока, мкА466280100

Она имеет линейный характер, что позволяет учесть температурную поправку при измерениях концентрации хло ра в воздухе в области температур, отличных от комнат45 ных.

Быстродействие чувствительного элемента, определяемое как 90% от установившейся силы тока при концентрации хлора в воздухе 250 мг/м3 составляет 30-35 с.

50 Таким образом, использование изобретения по сравнению с прототипом позвопя- ет упростить технологию изготовления чувствительных элементов (отпадает необходимость в использовании платиновой

55 сетки со слоем хлорида серебра) и эксплуатации (благодаря высокой электропроводности электролита элемент эксплуатируют в амперометрическом режиме), а также повысить их стабильность so времени (продукты реакции удаляются в атмосферу), Предлагаемый чувствительный элемент может быть основой миниатюрного электрохимического газоанализатора для определения хлора в промышленных и природных объектах Формула изобретения Чувствительный элемент газоанализатора хлора в воздухе, состоящий из твердого электролита с униполярной проводимостью по чужеродным к хлору ионам и каталитически активных электродов, отличающийся тем, что, с целью упрощения

технологии изготовления м условий эксплуатации чувствительного элемента и повышения стабильности его работы, в качестве твердого электролита используют про- тонпроводящий электролит на основе гидратированного оксида сурьмы разупо- рядоченной структуры состава SbaOs (3,0- 3,5) НаО с добавкой полимерного связующего в количестве, мас.%: Sb20s (3,0-3,5) Н2060-80

Полимерное связующее 20-40.

Использование1 аналитическое ростроение, в частности электрохимические газоанализаторы хло ра в воздухе промышленных предприятий. Сущность изобретения: чувствительный элемент ам- перометрическоготипа выполнен на основе протонпроводящего твердого электролита из гидратированного оксида сурьмы раз- упорядочечной структуры состава Sh20s

+

/&