DE202015103842U1

DE202015103842U1 - Elektrochemische Messzelle zur Messung des Gehaltes von Chlorverbindungen in Wasser

Info

Publication number: DE202015103842U1
Application number: DE202015103842.9U
Authority: DE
Original assignee: A Kuntze Dr GmbH; DR A KUNTZE GmbH
Current assignee: KUNTZE INSTRUMENTS GMBH, DE
Priority date: 2015-07-22
Filing date: 2015-07-22
Publication date: 2015-09-02
Anticipated expiration: 2025-07-23

Abstract

Elektrochemische Messzelle zur Messung des Gehaltes von Chlorverbindungen in Wasser, mit einem Elektrolytraum (2), einer den Elektrolytraum begrenzenden Messelektrode (3), einer Gegenelektrode (4) und einer Referenzelektrode (5), dadurch gekennzeichnet, dass die Messelektrode (3) eine poröse Membran mit einer Porengröße von 0,15 bis 0,25 ist.

Description

Die Erfindung betrifft zur Messung des Gehaltes von Chlorverbindungen in Wasser eine elektrochemische Messzelle mit einem Elektrolytraum, einer den Elektrolytraum begrenzenden Messelektrode, einer Gegenelektrode und einer Referenzelektrode.
Derartige elektrochemische Messzellen sind u.a. beschrieben in der EP 0 740 149 B1 , der EP 0 563 690 A1 , der DE 195 15 392 C2 und der DE 103 22 894 A1 .
Bei diesen bekannten Messzellen handelt es sich um sogenannte membrangedeckte Messzellen mit einer hydrophilen, flüssigkeitsdurchlässigen Membran, die den Elektrolytraum bzw. den darin befindlichen Elektrolyten gegenüber der zu untersuchenden Flüssigkeit, insbesondere Wasser, abgrenzt.
Die bekannten membrangedeckten Sensoren haben einige Nachteile

– Die zu messenden Verbindungen müssen durch die Membran in den Elektrolytraum diffundieren. Das ist ein langsamer Prozess, die Signalstärke sinkt stark und die Ansprechzeit steigt stark im Vergleich zu offenen Elektrodensystemen. Außerdem kann auch in umgekehrter Richtung Diffusion der im Elektrolyt gelösten Salze stattfinden, was die Lebensdauer verkürzt.
– Wegen des langsamen Diffusionsprozesses muss die Membran möglichst dünn sein. Das macht sie mechanisch empfindlich. Da der Elektrolyt sich durch Messung und Lagerung verbraucht, muss er regelmäßig gewechselt werden. Dazu muss die Membrankappe abgeschraubt, geleert, gespült, gefüllt und wieder aufgeschraubt werden, wobei für einen Druckausgleich gesorgt werden muss. Diese Handhabung birgt stets die Gefahr, dass der Betreiber die Membran dabei beschädigt und den Sensor damit unbrauchbar macht.
– Da auch hinter der Membran ein Stofftransport nur durch Diffusion möglich ist, hat der Abstand zwischen Membran und Messelektrode einen entscheidenden Einfluss auf die Signalstärke. Dieser Abstand kann aber bei Druckschwankungen oder Änderungen in der Anströmung variieren, so dass das Mess-Signal solche Druck- oder Strömungsänderungen mit anzeigt.
– Die auf dem Markt verfügbaren Sensoren haben sehr kleine Elektroden mit entsprechend kleinen Signalen, die eine Vorverstärkung, also eine in den Sensor eingebaute Elektronik erfordern, was sich negativ auf die Kosten auswirkt. Um dem zu begegnen, wird nicht der Sensor als Verbrauchsmaterial angesehen, sondern nur die Membran und der Elektrolyt. In der Praxis wird von manchen Herstellern angeboten, die Elektroden des Sensors auf Wunsch gegen Entgelt aufzuarbeiten.
– Membransensoren mit hydrophilen, flüssigkeitsdurchlässigen Membranen enthalten verschiedene Kunststoffmaterialien, Verklebungen und Dichtungen, die zum Teil empfindlich auf Wasserinhaltsstoffe reagieren, z.B. auf Tenside.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine elektrochemische Messzelle zu schaffen, bei der auf eine flexible, dünne, hydrophile Membran verzichtet werden kann, um auch die oben geschilderten Gefahren bzw. Nachteile bei der Handhabung und der Reinigung der Messzelle zu vermeiden, ohne dass spätere Messergebnisse negativ beeinträchtigt werden.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Messelektrode aus einem porösen Material, vorzugsweise Platin, Gold oder Kohlenstoff, mit einer Porengröße von 0,15 bis 0,25 besteht und starr ist.
Bei der erfindungsgemäßen Messzelle handelt es sich um eine solche zur amperometrischen, potentiostatischen Messung von Chlorverbindungen
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen behandelt.
Bei der erfindungsgemäßen Messzelle sind die Membran und die Messelektrode in einer Komponente vereint. Die mikroporöse Membran trennt den Elektrolytraum vom Messwasser, so dass aktive Inhaltsstoffe des Elektrolyten und der zu messenden Stoffe aus dem Wasser sich innerhalb der Poren der Messelektrode treffen, dort reagieren und das gebildete Reaktionsprodukt gleich erfasst wird.
Das Vereinen der beiden Funktionen (Membran und Messelektrode) zu einem Bauteil eliminiert die bisherigen Probleme von Druck- und Durchflusseinfluss und optimiert die Diffusionsproblematik. Da es sich um ein starres Material handelt, das fest eingebaut ist und nicht ausgewechselt werden muss, ist der neue Sensor mechanisch unempfindlich und birgt nicht die Gefahr, dass durch fehlerhaften Austausch von Verschleißteilen die Messung gefährdet wird.
Da der Elektrolyt nur über die Messelektrode mit dem Wasser in Kontakt steht, ist ein Auswaschen des Elektrolyten weitgehend ausgeschlossen.
Die Fläche der porösen Elektrode ist um ein Vielfaches grösser als die bei handelsüblichen Membransensoren, das erhaltene Signal ist stark und erfordert keine Vorverstärkung. Der Sensor kann daher in Form der für wasseranalytische Sensoren gebräuchlichen 12mm-Glassensoren gebaut werden und über sein typisches PG13,5-Gewinde in typische pH- oder Redox-Armaturen eingebaut werden.
Der Sensor ist aus Glas gefertigt und daher unempfindlich gegen die meisten Wasserinhaltsstoffe, wie z. B. Tenside.
Die vereinte Ausführung von Membran und Messelektrode in Form eines porösen Materials bietet den Vorteil, dass der Sensor sich sauber und aktiv hält. Die erfindungsgemäße Messzelle kann problemlos für Anwendungen eingesetzt werden, bei denen über längere Zeiträume kein Desinfektionsmittel vorhanden ist.
Platinelektroden werden zum Beispiel eingesetzt in Brennstoffzellen. Hier wird aber nur die Oberflächenvergrösserung genutzt, um die Materialkosten zu senken. Die Elektroden dienen auch nicht zur insbesondere amperometrischen Messung, sondern zum Stoffumsatz. Poröse Platinelektroden, die zur Messung genutzt werden und bei denen tatsächlich Stoffe durch die Poren hindurchtreten, die also gleichzeitig als Membran dienen, findet man zum Beispiel in Lambdasonden, die zur Regelung der Luftzufuhr in Abgaskatalysatoren eingesetzt werden. Dabei handelt es sich allerdings nicht um amperometrische sondern um Redox-Messungen.
Die Messzelle besteht gemäß der Zeichnung aus einem 12mm-Glasgehäuse 1, an dessen unterem Ende die Messelektrode 3 in Form einer mikroporösen Membran mit einer Porengröße von 0,15 µm bis 0,25 µm, vorzugsweise 0,2 µm befestigt ist. Im Innern des Gehäuses 1 befinden sich die Referenzelektrode 5 und der Elektrolytraum 2. Am schaftartigen Gehäuse 1 ist vorzugsweise ein Platinring als Gegenelektrode 4 angebracht. Am oberen Ende des Gehäuses befindet sich ein Anschlusskopf 6 zum Anschließen an eine Messwert-Auswertungseinheit.
Die Membran der Messelektrode 3 führt zu einem innigen Kontakt zwischen dem Elektrolyt und dem zu messendem Stoff in den Poren der Platinmembran 3. Das entstehende Produkt wird an der Messelektrode 3 erfasst und dabei reduziert. Das führt zu einem Stromfluss, der proportional zur Konzentration des zu messenden Stoffes ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0740149 B1 [0002]
EP 0563690 A1 [0002]
DE 19515392 C2 [0002]
DE 10322894 A1 [0002]

Claims

Elektrochemische Messzelle zur Messung des Gehaltes von Chlorverbindungen in Wasser, mit einem Elektrolytraum (2), einer den Elektrolytraum begrenzenden Messelektrode (3), einer Gegenelektrode (4) und einer Referenzelektrode (5), dadurch gekennzeichnet, dass die Messelektrode (3) eine poröse Membran mit einer Porengröße von 0,15 bis 0,25 ist.
Elektrochemische Messzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messelektrode (3) als poröse starre Metallmembran ausgebildet ist.
Elektrochemische Messzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messelektrode (3) eine poröse, starre Platinmembran ist.
Elektrochemische Messzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Porengröße 0,2 µm beträgt.
Elektrochemische Messzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messelektroden (3) eine poröse starre Goldmembran ist.
Elektrochemische Messzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messelektrode (3) eine starre poröse Kohlenstoffmembran ist.
Elektrochemische Messzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenelektrode (4) ein den Elektrolytraum (2) umgebender Metallring ist.
Elektrochemische Messzelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenelektrode (4) aus Platin besteht.