CN203732436U - 一种基于电化学催化氧化的总有机碳分析仪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于电化学催化氧化的总有机碳分析仪。它包括电化学反应池、非色散红外探测器、气体扩散膜、湿气交换器、气体收集室；分析仪本体从上到下顺次设有气体收集室、湿气交换器、气体扩散膜、电化学反应池；气体收集室中部插有非色散红外探测器，电化学反应池包括阳极、阴极、反应液和废液排放口，电化学反应池内侧壁相对设有阳极、阴极，电化学反应池侧壁设有废液排放口，电化学反应池内设有反应液;所述的湿气交换器采用Nafion或TEFLON聚合物管层材料。本实用新型具有安全、经济、高效等特点，满足微重力下的水质监测，并且可以实现在线连续监测。
Description
技术领域
本实用新型涉及总有机碳（TOC）分析仪，尤其涉及一种基于电化学催化氧化的总有机碳分析仪。
背景技术
在环境、医疗、化工等领域，经常需要测定水中的总有机碳（TOC）。TOC分析仪的基本原理是先将水中有机物的碳氧化成CO2，消除干扰因素后由CO2检测器测定，再由数据处理把CO2气体含量转换成水中有机物的浓度。目前常见的氧化方法包括湿法氧化（过硫酸盐）、高温催化燃烧氧化、紫外（UV）氧化、UV-湿法氧化等，这些方法存在需要加强酸或强氧化性等有毒物质，或者高温燃烧等。美国宇航局在国际空间站中使用的第一代TOC分析仪即采用湿法氧化技术，以磷酸和过硫酸铵作为反应试剂，但这两种物质都属于有毒物质，且反应器设计复杂。因此亟待开发一种安全、经济、高效的新一代TOC分析仪，特别是针对某些特定场合的要求。
电化学催化氧化具有能量效率高、反应条件温和、可控性强、操作简单等优点，反应过程中不需要添加任何有毒有害氧化剂，在常温常压条件下可将水中有机物快速直接矿化成CO2。对于电化学氧化技术来说，具有高电化学性能和高稳定性的阳极，是至关重要的。目前研究较多的阳极材料主要包括碳基电极、金属电极、金属氧化物电极等。基于电化学催化氧化总有机碳分析仪具有安全、经济、高效等特点，并且可以实现在线连续监测。
发明内容
本实用新型的目的是克服现有分析仪需要加强酸或强氧化性等有毒物质，或者有机碳高温燃烧等不足，提供一种基于电化学催化氧化的总有机碳分析仪。
基于电化学催化氧化的总有机碳分析仪包括电化学反应池、非色散红外探测器、气体扩散膜、湿气交换器、气体收集室； 分析仪本体从上到下顺次设有气体收集室、湿气交换器、气体扩散膜、电化学反应池；气体收集室中部插有非色散红外探测器，电化学反应池包括阳极、阴极、反应液和废液排放口，电化学反应池内侧壁相对设有阳极、阴极，电化学反应池侧壁设有废液排放口，电化学反应池内设有反应液;所述的湿气交换器采用Nafion或TEFLON聚合物管层材料。
所述的气体收集室上端设有氢气催化装置，所述的氢气催化装置中的催化剂是以多孔氧化铝为载体。
所述的电化学反应池侧壁插有离子选择性电极，所述的电化学反应池侧壁设有体积补偿装置。
所述的阳极为碳电极、贵金属电极或金属氧化物电极；所述的碳电极为石墨电极、碳纤维电极或碳膜电极；所述的贵金属电极为铂电极或金电极；所述的金属氧化物电极为氧化铅电极、氧化铱电极、氧化钌电极。
所述的阴极为不锈钢电极、石墨电极、碳纤维电极、铂电极或钛电极。 [0012] 所述的气体扩散膜的材料为聚丙烯、玻璃纸、聚乙烯、聚四氟乙烯或TEFLON膜。
本实用新型分析仪采用电化学催化氧化技术将水样中的有机物碳直接氧化成CO2，消除干扰因素后由CO2检测器测定，再由数据处理把CO2气体含量转换成水中有机物的浓度。反应过程中不需要添加任何有毒有害氧化剂，具有能量效率高、反应条件温和、可控性强、操作简单、安全、经济等优点，并且可以实现在线连续监测。利用气体扩散膜、氢气催化装置和体积补偿装置可以实现在微重力、密闭空间条件下水样中有机碳的测定，大大提高了分析仪的应用范围和测量精度，比如密闭空间站的水质监测等。
附图说明
图1为基于电化学催化氧化总有机碳（TOC）分析仪；
图中，电化学反应池1、非色散红外探测器2、阳极3、阴极4、反应液5、离子选择性电极6、气体扩散膜7、体积补偿装置8、氢气催化装置9、湿气交换器10、气体收集室11、废液排放口12。
具体实施方式
为了更好的理解本实用新型，下面通过附图以及具体实施来做进一步说明。
如图1所示，基于电化学催化氧化总有机碳分析仪包括包括电化学反应池1、非色散红外探测器2、气体扩散膜7、湿气交换器10、气体收集室11； 分析仪本体从上到下顺次设有气体收集室11、湿气交换器10、气体扩散膜7、电化学反应池1；气体收集室11中部插有非色散红外探测器2，电化学反应池1包括阳极3、阴极4、反应液5和废液排放口12，电化学反应池1内侧壁相对设有阳极3、阴极4，电化学反应池侧壁设有废液排放口12，电化学反应池内设有反应液5所述的湿气交换器10采用Nafion或TEFLON聚合物管层材料。
所述的气体收集室11上端设有氢气催化装置9，所述的氢气催化装置9中的催化剂是以多孔氧化铝为载体，负载含有铂、金、钯、三氧化钴或三氧化二铬中的一种或多种。
所述的电化学反应池1侧壁插有离子选择性电极6，所述的电化学反应池1侧壁设有体积补偿装置8。
所述的阳极3为硼掺杂金刚石电极、碳电极、贵金属电极或金属氧化物电极；所述的硼掺杂金刚石电极采用化学气相沉积法，通过气相掺杂乙硼烷或三氧化二硼，在导电的衬底材料表面沉积一层致密的金刚石薄膜得到；所述的碳电极为石墨电极、碳纤维电极或碳膜电极；所述的贵金属电极为铂电极或金电极；所述的金属氧化物电极为氧化铅电极、氧化铱电极、氧化钌电极、锑掺杂氧化铱电极、锡掺杂氧化铱电极、锑掺杂氧化钌电极或锡掺杂氧化钌电极。
所述的衬底材料为硅、石墨、钛、铂、金、铌或钽。
所述的阴极4为不锈钢电极、石墨电极、硼掺杂金刚石电极、碳纤维电极、铂电极或钛电极。
所述的反应液5以体积百分比计，摩尔浓度为0.5mol/L的NaH2PO4占70~99%，摩尔浓度为0.5mol/L的Na2HPO4占1~30%。
所述的气体扩散膜7的材料为聚丙烯、玻璃纸、聚乙烯、聚四氟乙烯或TEFLON膜。
基于电化学催化氧化的总有机碳分析方法是：利用电化学催化氧化将水样中有机物的碳直接氧化成CO2，消除干扰因素后由CO2检测器测定，再由数据处理把CO2气体含量转换成水中有机物的浓度；首先在电化学氧化池1中注入水样和反应液5，反应液5为酸性溶液，可使水样中各种无机碳酸盐分解生成CO2，通过惰性气体的曝气过程将CO2驱赶至气体收集室11，然后利用非色散红外探测器2测定其浓度，测得水样的无机碳值；然后在阳极3和阴极4间施加电压，在电化学作用下将水样中有机物的碳直接催化氧化生成CO2，同样通过惰性气体的曝气过程将CO2驱赶至气体收集室11，测得总碳值，总碳值和无机碳值相减即得到水样中总有机碳浓度值；气体扩散膜7将CO2气体从水样中分离，同时防止水样中挥发性有机物的损失而产生测定误差；湿气交换器（10）是管壳式交换器，用于干燥通过气体扩散膜7的CO2气体；水样测定完毕后，反应液5由废液排放口12排出；部件离子选择性电极6直接测定水样中CO2浓度，体积补偿装置8用于监测电化学氧化反应过程中由于CO2、H2、O2气体产生而引起电化学氧化池1内溶液体积的变化，并给予补加维持电化学氧化池1内体积和压力平衡，氢气催化装置9是一段自带加热器的反应床，用于将反应产生的H2氧化成H2O。
所述的惰性气体为氮气、氩气或氦气。
实施例1：
阳极选用硼掺杂金刚石电极，阴极选用不锈钢板；硼掺杂金刚石电极采用化学气相沉积法，通过气相掺杂乙硼烷，在导电的钽表面沉积一层致密的金刚石薄膜得到。
将水样注入电化学反应池1中，加入含99% 0.5 mol/L的NaH2PO4+1% 0.5 mol/L的Na2HPO4的反应液5，鼓入氮气气体，去除气相和水相中的CO2。
利用非色散红外探测器(NDIR)2和离子选择性电极6分别测定气相和水相中CO2浓度，计算得到溶液中无机碳（IC）的浓度。
将阴极和阳极接至外接直流电路，使极板间发生电化学反应，将水中的有机物碳氧化成CO2。一部分CO2溶解于水中，另一部分通过以TEFLON膜为材料的气体扩散膜7及以Nafion聚合物管层材料的湿气交换器10进入上层的气体收集室11。
利用非色散红外探测器(NDIR)2和离子选择性电极6分别测定气相和液相中CO2浓度，测得总碳值(TC)，二者相减计算得到溶液中总有机碳(TOC)的浓度。
将气体收集室11内的混合气鼓入氢气催化装置9，将H2催化氧化成H2O。同时将反应液5由废液排放口排出。所述的氢气催化装置中的催化剂为多孔氧化铝为载体，负载含有铂和三氧化二铬。
分析，导出实验报告。
实施例2：
阳极选用石墨电极，阴极选用石墨电极；
将水样注入电化学反应池1中，加入含99% 0.5 mol/L的NaH2PO4+1% 0.5 mol/L的Na2HPO4的反应液5，鼓入氩气气体，去除气相和水相中的CO2。
利用非色散红外探测器(NDIR)2和离子选择性电极6分别测定气相和水相中CO2浓度，计算得到溶液中无机碳（IC）的浓度。
将阴极和阳极接至外接直流电路，使极板间发生电化学反应，将水中的有机物碳氧化成CO2。一部分CO2溶解于水中，另一部分通过聚丙烯气体扩散膜7及以TEFLON聚合物管层材料的湿气交换器10进入上层的气体收集室11。
利用非色散红外探测器(NDIR)2和离子选择性电极6分别测定气相和液相中CO2浓度，测得总碳值(TC)，二者相减计算得到溶液中总有机碳(TOC)的浓度。
将气体收集室11内的混合气鼓入氢气催化装置9，将H2催化氧化成H2O。同时将反应液5由废液排放口排出。所述的氢气催化装置中的催化剂为多孔氧化铝为载体，负载含有金和三氧化钴。
分析，导出实验报告。
实施例3：
阳极选用铂电极，阴极选用硼掺杂金刚石电极；硼掺杂金刚石电极采用化学气相沉积法，通过气相掺杂三氧化二硼，在导电的石墨表面沉积一层致密的金刚石薄膜得到。
将水样注入电化学反应池1中，加入含99% 0.5 mol/L的NaH2PO4+1% 0.5 mol/L的Na2HPO4的反应液5，鼓入氦气气体，去除气相和水相中的CO2。
利用非色散红外探测器(NDIR)2和离子选择性电极6分别测定气相和水相中CO2浓度，计算得到溶液中无机碳（IC）的浓度。
将阴极和阳极接至外接直流电路，使极板间发生电化学反应，将水中的有机物碳氧化成CO2。一部分CO2溶解于水中，另一部分通过以玻璃纸为材料的气体扩散膜7及以Nafion聚合物管层材料的湿气交换器10进入上层的气体收集室11。
利用非色散红外探测器(NDIR)2和离子选择性电极6分别测定气相和液相中CO2浓度，测得总碳值(TC)，二者相减计算得到溶液中总有机碳(TOC)的浓度。
将气体收集室11内的混合气鼓入氢气催化装置9，将H2催化氧化成H2O。同时将反应液5由废液排放口排出。所述的氢气催化装置中的催化剂为多孔氧化铝为载体，负载含有钯。
分析，导出实验报告。
实施例4：
阳极选用氧化铅电极，阴极选用碳纤维电极；
将水样注入电化学反应池1中，加入含99% 0.5 mol/L的NaH2PO4+1% 0.5 mol/L的Na2HPO4的反应液5，鼓入氩气气体，去除气相和水相中的CO2。
利用非色散红外探测器(NDIR)2和离子选择性电极6分别测定气相和水相中CO2浓度，计算得到溶液中无机碳（IC）的浓度。
将阴极和阳极接至外接直流电路，使极板间发生电化学反应，将水中的有机物碳氧化成CO2。一部分CO2溶解于水中，另一部分通过聚乙烯气体扩散膜7及以TEFLON聚合物管层材料的湿气交换器10进入上层的气体收集室11。
利用非色散红外探测器(NDIR)2和离子选择性电极6分别测定气相和液相中CO2浓度，测得总碳值(TC)，二者相减计算得到溶液中总有机碳(TOC)的浓度。
将气体收集室11内的混合气鼓入氢气催化装置9，将H2催化氧化成H2O。同时将反应液5由废液排放口排出。所述的氢气催化装置中的催化剂为多孔氧化铝为载体，负载含有铂、钯和三氧化钴。
分析，导出实验报告。
实施例5：
阳极选用碳膜电极，阴极选用铂电极；
将水样注入电化学反应池1中，加入含99% 0.5 mol/L的NaH2PO4+1% 0.5 mol/L的Na2HPO4的反应液5，鼓入氩气气体，去除气相和水相中的CO2。
利用非色散红外探测器(NDIR)2和离子选择性电极6分别测定气相和水相中CO2浓度，计算得到溶液中无机碳（IC）的浓度。
将阴极和阳极接至外接直流电路，使极板间发生电化学反应，将水中的有机物碳氧化成CO2。一部分CO2溶解于水中，另一部分通过聚四氟乙烯气体扩散膜7及以Nafion聚合物管层材料的湿气交换器10进入上层的气体收集室11。
利用非色散红外探测器(NDIR)2和离子选择性电极6分别测定气相和液相中CO2浓度，测得总碳值(TC)，二者相减计算得到溶液中总有机碳(TOC)的浓度。
将气体收集室11内的混合气鼓入氢气催化装置9，将H2催化氧化成H2O。同时将反应液5由废液排放口排出。所述的氢气催化装置中的催化剂为多孔氧化铝为载体，负载含有铂和三氧化钴。
分析，导出实验报告。
实施例6：
阳极选用硼掺杂金刚石电极，阴极选用钛电极；硼掺杂金刚石电极采用化学气相沉积法，通过气相掺杂乙硼烷，在导电的硅表面沉积一层致密的金刚石薄膜得到。
将水样注入电化学反应池1中，加入含99% 0.5 mol/L的NaH2PO4+1% 0.5 mol/L的Na2HPO4的反应液5，鼓入氮气气体，去除气相和水相中的CO2。
利用非色散红外探测器(NDIR)2和离子选择性电极6分别测定气相和水相中CO2浓度，计算得到溶液中无机碳（IC）的浓度。
将阴极和阳极接至外接直流电路，使极板间发生电化学反应，将水中的有机物碳氧化成CO2。一部分CO2溶解于水中，另一部分通过以TEFLON膜为材料的气体扩散膜7及以Nafion聚合物管层材料的湿气交换器10进入上层的气体收集室11。
利用非色散红外探测器(NDIR)2和离子选择性电极6分别测定气相和液相中CO2浓度，测得总碳值(TC)，二者相减计算得到溶液中总有机碳(TOC)的浓度。
将气体收集室11内的混合气鼓入氢气催化装置9，将H2催化氧化成H2O。同时将反应液5由废液排放口排出。所述的氢气催化装置中的催化剂为多孔氧化铝为载体，负载含有铂。
分析，导出实验报告。
实施例7：
阳极选用锑掺杂氧化铱电极，阴极选用硼掺杂金刚石电极；硼掺杂金刚石电极采用化学气相沉积法，通过气相掺杂乙硼烷，在导电的铌表面沉积一层致密的金刚石薄膜得到。
将水样注入电化学反应池1中，加入含99% 0.5 mol/L的NaH2PO4+1% 0.5 mol/L的Na2HPO4的反应液5，鼓入氮气气体，去除气相和水相中的CO2。
利用非色散红外探测器(NDIR)2和离子选择性电极6分别测定气相和水相中CO2浓度，计算得到溶液中无机碳（IC）的浓度。
将阴极和阳极接至外接直流电路，使极板间发生电化学反应，将水中的有机物碳氧化成CO2。一部分CO2溶解于水中，另一部分通过以TEFLON膜为材料的气体扩散膜7及以Nafion聚合物管层材料的湿气交换器10进入上层的气体收集室11。
利用非色散红外探测器(NDIR)2和离子选择性电极6分别测定气相和液相中CO2浓度，测得总碳值(TC)，二者相减计算得到溶液中总有机碳(TOC)的浓度。
将气体收集室11内的混合气鼓入氢气催化装置9，将H2催化氧化成H2O。同时将反应液5由废液排放口排出。所述的氢气催化装置中的催化剂为多孔氧化铝为载体，负载含有金。
分析，导出实验报告。
实施例8：
阳极选用金电极，阴极选用碳纤维电极。
将水样注入电化学反应池1中，加入含99% 0.5 mol/L的NaH2PO4+1% 0.5 mol/L的Na2HPO4的反应液5，鼓入氮气气体，去除气相和水相中的CO2。
利用非色散红外探测器(NDIR)2和离子选择性电极6分别测定气相和水相中CO2浓度，计算得到溶液中无机碳（IC）的浓度。
将阴极和阳极接至外接直流电路，使极板间发生电化学反应，将水中的有机物碳氧化成CO2。一部分CO2溶解于水中，另一部分通过以TEFLON膜为材料的气体扩散膜7及以Nafion聚合物管层材料的湿气交换器10进入上层的气体收集室11。
利用非色散红外探测器(NDIR)2和离子选择性电极6分别测定气相和液相中CO2浓度，测得总碳值(TC)，二者相减计算得到溶液中总有机碳(TOC)的浓度。
将气体收集室11内的混合气鼓入氢气催化装置9，将H2催化氧化成H2O。同时将反应液5由废液排放口排出。所述的氢气催化装置中的催化剂为多孔氧化铝为载体，负载含有钯和三氧化二铬。
分析，导出实验报告。
Claims (6)
1.一种基于电化学催化氧化的总有机碳分析仪，其特征在于包括电化学反应池（1）、非色散红外探测器（2）、气体扩散膜（7）、湿气交换器（10）、气体收集室（11）； 分析仪本体从上到下顺次设有气体收集室（11）、湿气交换器（10）、气体扩散膜（7）、电化学反应池（1）；气体收集室（11）中部插有非色散红外探测器（2），电化学反应池（1）包括阳极（3）、阴极（4）、反应液（5）和废液排放口（12），电化学反应池(1)内侧壁相对设有阳极（3）、阴极（4），电化学反应池侧壁设有废液排放口（12），电化学反应池内设有反应液（5）;所述的湿气交换器（10）采用Nafion或TEFLON聚合物管层材料。
2.根据权利要求1所述的一种基于电化学催化氧化的总有机碳分析仪，其特征在于所述的气体收集室（11）上端设有氢气催化装置（9），所述的氢气催化装置（9）中的催化剂是以多孔氧化铝为载体。
3.根据权利要求1所述的一种基于电化学催化氧化的总有机碳分析仪，其特征在于所述的电化学反应池（1）侧壁插有离子选择性电极（6），所述的电化学反应池（1）侧壁设有体积补偿装置（8）。
4.根据权利要求1所述的一种基于电化学催化氧化的总有机碳分析仪，其特征在于所述的阳极（3）为碳电极、贵金属电极或金属氧化物电极；所述的碳电极为石墨电极、碳纤维电极或碳膜电极；所述的贵金属电极为铂电极或金电极；所述的金属氧化物电极为氧化铅电极、氧化铱电极、氧化钌电极。
5.根据权利要求1所述的一种基于电化学催化氧化的总有机碳分析仪，其特征在于所述的阴极（4）为不锈钢电极、石墨电极、碳纤维电极、铂电极或钛电极。
6.根据权利要求1所述的一种基于电化学催化氧化的总有机碳分析仪，其特征在于所述的气体扩散膜（7）的材料为聚丙烯、玻璃纸、聚乙烯、聚四氟乙烯或TEFLON膜。
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