Датчик для определения концентрации хлора в воздухе Советский патент 1992 года по МПК G01N27/406 

t

Использование: аналитическое приборостроение, электрохимические гвгоанали- заторы для определения концентрации хлора в воздухе и в технических газах. Сущность изобретения: чувствительный элемент датчика выполнен из твердого протон про водящего электролита с индикаторным электродом из порошка титана, активированного составом, мол.%: диоксиды рутения 1-5; титан 95-99, и вспомогательного электрода из порошка титана, аюивиро- ванного диоксидом рутения. 1 ит.

Изобретение относится к аналитическому приборостроению, в частности к электро- химическим газоанализаторам для определения концентрации хлора в атмосферном воздухе и технологических газах, может быть использовано в промышленной санитарии и для контроля технологических процессов при производстве хлора в химических и других отраслях промышленности.

Известен датчик хлора потенциометриче- ского типа, в котором в качестве электролита используют двухлористое олово, хлористый свинец или хлористый барий, а в качестве электродов - платину, палладий или их сплавы. Изготовление датчика осуществляют прессованием указанныхсолей в потоке сухого азота, пайкой контактов из золотой проволоки, нанесением тонких слоев платины или палладия на обе-стороны диска из электролита с последующим хранением в сухом газе.

Недостатками датчика являются необходимость осушки пробы анализируемого газа, подачи эталонного газа на вспомогательный электрод и поддержания температуры эксплуатации датчика на уровне 230°С.

Известен датчик потенциометрического типа для определения концентрации хлора в воздухе, в котором в качестве электролита используют хлориды стронция и калия, индикаторного электрода - диоксид рутения и вспомогательного электрода - смесь серебра и его хлорида. Датчик эксппуатируют при температуре 260°С. Во избежание гидратации электролита парами воды, поглощаемыми из воздуха при температуре окружающей среды, он должен храниться в герметичных условиях. Срок службы датчика при эксплуатационной температуре 260- 280°С составляет около одного месяца. При снижении температуры ухудшается быстроО

ю ю

ь

действие датчика, а при повышении ее - снижается время жизни датчика.

Наиболее близким к предлагаемому является датчик для измерения концентрации хлора в газах, чувствительный элемент которого содержит каталитически активные электроды из платины и слой твердого электролита на основе эвтектической смеси хлоридов лития и цезия с добавкой окиси алюминия. При температуре 300 - 310°С представляется возможным эксплуатировать датчик в амперометрическом режиме благодаря более высокой электропроводности твердого электролита по сравнению с известными.

Недостатками этого датчика являются гидратация электролита при температуре окружающей среды и быстрый выход из строя каталитически активных электродов при эксплуатационной температуре 300 - 310°С. Изготовление таких датчиков является сложным процессом, так как должно осуществляться в сухой атмосфере.

Целью изобретения является упрощение технологии изготовления и эксплуатации датчика концентрации хлора в воздухе амперометрического типа, увеличение срока его службы, снижение расхода драгметаллов и повышение селективности по хлору.

Поставленная цель достигается тем, что чувствительный элемент датчика выполнен на основе твердого протонпроводящего электролита, а индикаторный электрод - из порошка титана, активированного диоксидом рутения (1-5 мол.%) и диоксидом титана (95-99 мол.%).

Излитературы неизвестны датчики концентрации хлора в воздухе амперометрического типа на основе протонпроводящих твердых электролитов с индикаторным электродом из диоксидов рутения и титана.

Положительный эффект при использовании настоящего изобретения возникает благодаря применению протонпроводящих электролитов с высокой электропроводностью при температуре окружающей среды и индикаторного электрода, представляющего собой смесь диоксидов рутения (1-5 мол.%)и титана (95- 99 мол.%), нанесенную на порошок металлического титана.

Использование протонпроводящих электролитов с высокой электропроводностью при температуре окружающей среды позволило создать датчик для определения концентрации хлора в воздухе амперометрического типа, который эксплуатируется без специального подогрева. Это упрощает конструкцию датчика и технологию изготовления, увеличивает срок службы индикаторного электрода, не приводит к выходу из строя при прекрэщении- лодачи электроэнергии.

Применение индикаторного электрода

указанного состава, в отличие от известных электродов из платины, иридия или диоксида рутения обеспечивает в определенной, в зависимости от рабочего напряжения, области потенциалов протекание только

реакции восстановления хлора и резкое торможение реакции восстановления кислорода и других примесей. Это позволяет реализовать хлорную реакцию даже в условиях применения электролита, не

содержащего ионов хлора, а именно протонпроводящего электролита.

Таким образом, благодаря применению твердого электролита с высокой протонной проводимостью при температуре окружающей среды в сочетании с селективным к хлорной реакции индикаторным электродом из диоксидов рутения и титана, обладающего высоким перенапряжением конкурирующей реакции катодного восстановления кислорода, оказалось возможным создание датчика для определения концентрации хлора в воздухе амперометрического типа без специального подогрева.

Схема предлагаемого датчика для определения концентрации хлора в воздухе представлена на чертеже. В корпус из диэлектрика 1 вмонтирован чувствительный элемент датчика, который состоит из индикаторного электрода 2, протонпроводящего

электролита 3 и вспомогательного электрода 4. Чувствительный элемент датчика соединен с источником постоянного тока 5, который поддерживает заданное падение напряжения на электродах 2 и 4. Датчик

снабжен измерителем силы тока 6.

Изобретение выполняется следующим образом, В матрицу пресс-формы равномерно засыпают заданное количество металлического порошка титана, активированного диоксидами рутения и титана в количестве, соответственно, в мол.% (1 -5) и (95-99). Этот слой выполняет функции индикаторного электрода 2. Его уплотняют пуансоном и засыпают слой протонпроводящего электролита 3 с полимерным связующим, например смесь гетерополикислоты и порошка фторопласта. После уплотнения пуансоном твердого

электролита изготавливают вспомогательный электрод 4 путем засыпки в матрицу, например, слоя порошка титана с активным слоем из диоксида рутения и прессуют с удельной нагрузкой порядка 4 тс/см2. Чувствительный элемент может быть закреплен

в корпусе из диэлектрика после или в процессе прессования.

Нанесение диоксидов титана и рутения на порошок титана осуществляют любым известным методом, например, термохимическим. Порошок титана обезжиривают, травят серной кислотой, промывают водой, сушат и пропитывают раствором, содержащим гидроксихлорид рутения и четыреххло- ристыйтитан концентрации соответственно 100 г/л и 500 г/л. Затем осуществляют сушку при 100 - 100°С и прокалку при 450 - 460°С, в процессе которой на поверхности порошка титана формируется активный слой из диоксидов рутения и титана.

Датчик работает следующим образом.

При поддержании постоянного значения напряжения между электродами 2 и 4 в воздушной атмосфере протекает фоновый ток, .обусловленный реакцией восстановления кислорода:

02 + 4Н+ + 4е 2 НгО(1)

При появлении в воздухе хлора на индикаторном электроде 2,соединенным с отрицательным полюсом источника постоянного тока 5, происходит восстановление хлора по реакции

Cl2 + 2H+ + 2e 2 HCI,(2)

а образующийся хлористый водород удаляется в воздух. Для выбранного индикаторного электрода величина фонового тока намного меньше силы тока, протекающего в присутствии хлора. В реакции (2) потребляются ионы водорода, генерация которых осуществляется на вспомогательном электроде при анодном разложении воды, содержащейся в воздушной атмосфере в виде пара, согласно уравнению

2Н20 + 4е.(3)

На электродах поддержиаают напряжение, при котором величина тока прямо пропорциональна концентрации хлора в воздухе.

Пример. В пресс-форме диаметром 18 мм при усилии прессования 9 тс изготовлен чувствительный элемент датчика концентрации хлора в воздухе. Элемент состоит из индикаторного электрода (1 г порошка титана фракцией - 0,18 + 0,08 мм с активным слоем из диоксидов рутения (3 мол.%) и титана (97 мол.%), слоя протонпро- водящего электролита (смесь 1 г гетерополи- кислоты и 0,2 г порошка фторопласта) и вспомогательного электрода (1 г порошка гитана с активным слоем из диоксида рутения).

При напряжении между электродами 1,0 8 получена следующая зависимость си- лы токз от концентрации хлора в воздухе и от состава покрытия при комнатной температуре:

Чувствительность датчика определяется разностью между величинами полезного сигнала и фонового. Из табл. 1 видно, что при содержании диоксида рутения в количестае 100, 30, 10 мол.% (примеры 1, 2, 3) при концентрации хлора в воздухе, например, 100 мг/м полезный сигнал превышает фоновый всего лишь на 7-14 мкА, а в случае применения покрытия, содержащего диоксид рутения в количестве 1 - 5 мол.%, более чем на 80 мкА (примеры 4, 5, 6). Для этого покрытия при данном напряжении между электродами сила тока прямо пропорциональна концентрации хлора в воздухе.. Поеле перерыва в подаче электроэнергии и изменения температуры датчики с выбранными индикаторными электродами воспроизводили представленные данные с точностью ± 5%.

Важной характеристикой датчиков является их селективность в присутствии различных примесей. Предлагаемый датчик с индикаторным электродом из диоксида рутения (1-5 мол.%) и титана (95-99 мол.%)

значительно менее чувствителен к различным примесям, чем датчик с электродами из платины. В табл. 2.приведены результаты сравнительных испытаний двух видов датчиков, е ходе которых на индикаторный

электрод подавали насыщенный пзр соответствующей жидкости или испытуемый газ концентрации, близкой к 100%, при 20°С.

Таким образом, использование изобретения по сравнению с прототипом позволяет упростить технологию изготовления чувствительного элемента (отпадает необходимость в использовании эвтектических смесей, обладающих гигроскопичностью),

условия их эксплуатации (отсутствие специального устройства для подогрева), увеличить срок службы датчика (за счет снижения температуры), повысить селективность (за счет использования специального состава

индикаторного электрода) и снизить расход драгметаллов (в результате замены пластины менее дефицитным рутением и использования в качестве токопроводящей основы порошка титана).

5

Предлагаемый датчик для определения концентрации хлора в воздухе прост з изго- товлении,удобен и стабилен в эксплуатации, имеет небольшие гаГариты. На его основе может быть изготовлен малогабаритный электрохимический газоанализатор, позволяющий вести оперативный контроль среды в технологических процессах, в производственных помещениях и на открытом воздухе.

Формула изобретения Датчик для определения концентрации хлора в воздухе, содержащий чувствительный элемент с индикаторным и вспомогательным электродами и слой твердого электролита между ними, источник постоянного тока и измеритель силы тока, отличающийся тем, что, с целью упрощения технологии изготовления и условий эксплуатации, увеличения срока службы и селективности, а также снижения расхода драгметаллов, чувствительный элемент выполнен на основе твердого протонпрово- дящего электролита, а индикаторный электрод - из порошка титана, активированного составом, мол.%:

Диоксид рутения1-5

Диоксид титана95-99.

Таблица 1

Таблица 2

V

1