DE2851299A1

DE2851299A1 - Elektrochemisches verfahren und vorrichtung zur bestimmung des partialdrucks von wasserdampf in gasen

Info

Publication number: DE2851299A1
Application number: DE19782851299
Authority: DE
Inventors: Vesselin Georgiev Manev; Rafail Velislavov Moschtev; Petja Slatilova Pavlova
Original assignee: Z L E H I T PRI BAN
Current assignee: Z L E H I T PRI BAN
Priority date: 1977-11-29
Filing date: 1978-11-27
Publication date: 1979-05-31
Also published as: FR2410273A1; IT1174345B; GB2008772A; SU940044A1; BG24904A1; GB2008772B; DD160950A3; FR2410273B3; HU182748B; IT7852082A0; CS237752B1; JPS5485094A

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein elektrochemisches Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Partialdrucks von Wasserdampf in Gasgemischen»

Zur Bestimmung des Partialdrucks von Wasserdampf in Gasen ist bereits ein Verfahren bekannt (US-PS 28 3o 945), bei welchem das zu analysierende Gas durch eine elektrochemische Zelle mit einer speziellen Konstruktion hindurchgeführt wird. Dabei wird der Wasserdampf der Gasprobe von einer stark hygroskopischen Lösung.absorbiert und anschließend elektrochemisch in Sauerstoff und Wasserstoff zersetzt. Der Mengenstrom an analysiertem Gas wird konstant gehalten. Der Partialdruck des Wasserdampfs wird nach dem Gesetz von Faraday basierend auf dem Gasmengenstrom durch die Zelle berechnet. Das bekannte Verfahren eignet sich zur Bestimmung von sehr niedrigen Partialdrucken des Wasserdampfs in Gasen. Die Analyse kann kontinuierlich und sogar vollautomatisch ausgeführt werden.

Ein Kachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß ein konstanter Mengen strom des analysierten Gases durch die elektrochemische Zelle erforderlich ist, und zwar unabhängig von der Art und der Temperatur des Gases. Die minimale Menge der Gasprobe, die für eine einzige Analyse erforderlich ist, ist beträchtlich. Für die Aufrechterhaltung und Überwachung des Gasdurchsatzes werden spezielle Einrichtungen erforderlich.

Für die elektrochemische Bestimmung des Partialdrucks von Wasserdampf in Gasen nach dem bekannten Verfahren ist bereits eine Vorrichtung bekannt, welche eine elektrochemische Zelle mit einer speziellen Auslegung, die in Reihe zu einer Gleichstromquelle bis zu 8o V geschaltet ist, und ein Meßsystem für sehr niedrige Ströme aufweist. Die Gasprobe aus einem Behälter fließt in eine Vorrichtung zur Aufrechterhaltung eines

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konstanten Mengenstroms, die mit einem Durchsatzmeßgerät versehen ist, und tritt in die elektrochemische Zelle ein. Diese besteht aus einem 8oo mm langen dünnen Rohr aus einem Isoliermaterial, in dem zwei parallele wendelartig gewickelte Platindrähte von o,1 mm Stärke angeordnet sind. Der Raum zwischen den Wicklungen von o,l mm ist mit einer konzentrierten Lösung von Phosphorpentoxyd gefüllt.

Die bekannte Vorrichtung ist aufgrund ihrer Komplexität des auszuführenden Verfahrens sehr kompliziert. Außerdem ist die Herstellung der elektrochemischen Zelle aufgrund ihrer beträchtlichen Länge sehr schwierig. Die erforderliche Platinmenge ist beträchtlich.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zur Bestimmung des Teildrucks von Wasserdampf in gasförmigen Medien zu schaffen, bei welchem eine Gaszirkulation entfällt und die Feuchte an jeder Stelle des Raums gemessen werden kann. Die erfindungsgemäß zu erzielende Vorrichtung soll einen günstigen Betrieb und eine einfache Herstellung zulassen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Bestimmung des Partialdrucks von Wasserdampf in gasförmigen Medien dadurch gelöst, daß man das Gas in Kontakt mit einer Seite einer semipermeablen Gasdiffusionsmembrane bringt. Der Wasserdampf des Gases wird nach der Diffusion durch die Membran von einer stark hygroskopischen Elektrolytlösung absorbiert, die in dem geschlossenen Raum auf der anderen Seite der Membran angeordnet ist. Danach erfolgt eine elektrochemische Zersetzung an zwei inerten Elektroden, die entgegengesetzt polarisiert sind und in Kontakt mit den hygroskopischen Elektrolyten stehen. Der durch die Zelle fließende Strom ist direkt proportional zum Teildruck des Wasserdampfs im analysierten Gas wie dies nach dem ersten Gesetz von Fick der Fall ist, wenn es für einen auf eine Diffusion begrenzten

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Prozeß angewendet wird. Die gasförmigen Produkte der Elektrolyse diffundieren durch die Gasdiffusionsmebran zurück in das Volumen des analysierten Gases.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung des Partialdrucks von Wasserdampf in gasförmigen Medien besteht aus einer elektrochemischen Zelle mit einer speziellen Auslegung, einer Gleichstromquelle mit einer Spannung im Bereich von 2 bis 8o V und einem Ampermeter . Die Zelle selbst besteht aus einem Gehäuse, welches einen porösen Separator aufnimmt. Der Separator ist mit einem stark hygroskopischen Elektrolyten vollgesaugt. Zwei Siebelektroden bedecken symmetrisch jede Seite des Separators. Jede Elektrode ist gegenüber der ümgebungsatmosphäre durch eine oder mehrere semipermeable Gasdiffusionsmembranen mit einer bestimmten Gasdurchlässigkeit isoliert. Zur Abdichtung der Gasdiffusionsmebranen bezüglich des-Zellengehäuses sind zwei O-Ringe vorgesehen. Der poröse Aufbau der Gasdiffusionsmembranen hat einen mittleren Porenradius von 1o bis 1o A.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß weder ein konstanter Gasmengenstrom, noch eine Vorrichtung zur überwachung dieses Mengenstroms erforderlich ist. Das Verfahren ermöglicht die Analyse von Gasproben mit einem.Volumen, die um eine Größenordnung kleiner ist als das minimale Volumen, das bei dem bekannten Verfahren erforderlich ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist bedeutend einfacher als die bekannte hinsichtlich Betrieb und Konstruktion. Die elektrochemische Zelle, die der Sensor der Vorrichtung ist, kann leicht hergestellt werden und ist sehr klein. Die geringe Größe des Sensors ermöglicht es, die Feuchtigkeit

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an jeder Stelle des Gasvolumens zu messen. Die Menge des inerten Metalls, welches für die Elektroden erforderlich ist, ist viel geringer als die Menge bei der bekannten Vorrichtung. Aufgrund der speziell ausgewählten porösen Struktur der Gasdiffusionsmembranen ist die Abhängigkeit des Zellenstroms von der Temperatur und der Art des analysierten Gases vernachlässigbar.

Anhand der Zeichnung, die eine Vorrichtung im Schnitt zeigt, wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert.

Die Vorrichtung hat eine elektrochemische Zelle 1, eine Gleichstromquelle 2 von 4o V und ein Mikroampermeter 3, die alle in Reihe geschaltet sind. Die Zelle besteht aus einem Gehäuse 1, welches einen porösen Separator 4 aufnimmt, der mit einer konzentrierten Lösung von Phosphorpentoxyd vollgesaugt ist. Der Separator 4 ist zwischen zwei Siebelektrodon 5 aus Platin angeordnet. Jede Elektrode ist von der Umgebungsatmosphäre durch zv/ei poröse Gasdiffusionsmembranen 6, 7 isoliert. Die innere Membran 6 besitzt eine hohe Gaspermeabilität und hat gute Isoliereigenschaften. Die Gaspermeabilität der äußeren Membran 7 ist genau festgelegt und beträchtlich niedriger als die der inneren Membran 6, so daß diese Membran die Diffusionsgeschwindigkeit des Wasserdampfes von der ümgebungsatmosphäre zu den Elektroden begrenzt. Die Dichtungsringe 8 verhindern ein Entweichen von Gasen außerhalb des Membranbereichs.

Anhand des nachstehenden Beispiels wird die Erfindung näher erläutert.

Für die Bestimmung des Partialdrucks von Wasserdampf wird eine Vorrichtung verwendet, die aus einer elektrochemischen Zelle, einem stabilisierten Gleichrichter von 3o V und einem Mikroampermeter mit einem Meßbereich von 6o mV besteht, das mit einem Satz von Shunts versehen ist. Die elektrochemische Zelle

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besteht aus einem Polypropylengehäuse, welches einen porösen Separator aus Polypropylen mit einer Stärke von o,t mm aufnimmt, welcher mit einer konzentrierten wässrigen Phosphorpentoxydlösung vollgesaugt ist, aus zwei Siebplatinelektroden, die aus einem Faden von o,o5 mm gewebt sind, und aus Gasdiffusionsmembranen, die aus einem Kohlenstoff-Polytetrafluöräthylengemisch hergestellt sind, wobei die poröse Struktur einen mittleren porösen Radius von 1oo A hat.

Eine Reihe dieser Vorrichtungen wird fortlaufend während eines Jahres in verschiedenen Gasgemischen untersucht, welche Sauerstoff, Stickstoff, Kohlendioxyd, Argon, Schwefeldioxyd und Chlorwasserstoff enthalten. Es wurde ermittelt, daß eine lineare Abhängigkeit zwischen dem Zellenstrom und dem Partialdruck des Wasserdampfes in dem Bereich von To

bis 5 χ Io ppm CGewicht) besteht. Die untere Grenze der Wasserdampfkonzentration, die mit einer ausreichenden Genauigkeit bestimmbar ist, liegt bei 1 ppm. Die Temperaturabhängigkeit der Messungen ist sehr gering und ändert sich von ο,Λ bis ο,15 % pro Grad Celsius. Am Ende der ein Jahr lang dauernden Untersuchung stellen sich keine Änderungen hinsichtlich der Empfindlichkeit der Vorrichtung ein..

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Claims

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Elektrochemisches Verfahren -ixnü Vorrichtung 2ur Bestimmung des Partialdrucks von Tfasserdampi in Gasen

Patentansprüche

1J Elektrochemisches Verfahren zum Bestimmen des Partialdrucks von Wasserdampf in gasförmigen Medien, wobei der Wasserdampf der gasförmigen Medien durch eine stark . hygroskopische Lösung absorbiert und dann elektrochemisch in Sauerstoff und Wasserstoff zersetzt wird, dadurch gekennzeichnet , daß das analysierte Gas in Kontakt mit einer Seite einer semipermeablen Gasdiffusionsmembrane gebracht wird, wodurch der Wasserdampf in dem Gas durch die Membran diffundiert und anschließend von einem stark hygroskopischen Elektrolyten absorbiert wird, der in Kontakt mit der anderen Seite der Membran steht, und daß das absorbierte Wasser an zwei entgegengesetzt polarisierten, mit dem hygroskopischen Elektrolyten in Berührung stehenden inerten Elektroden elektrochemisch zersetzt wird, wobei der

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durch die Zelle fließende Strom direkt proportional zum Partialdruck des Wasserdampfs in der Gasprobe ist, und daß die Zersetzungsprodukte zurück in das Volumen des analysierten Gases diffundieren.
2. Vorrichtung zur Bestimmung des ParJtialdrueks von Wasserdampf in gasförmigen 1-IedieiL» g e -k e τα 41 — ζ fi i cii ϋΐ t -dureh eine elektrochemische "Zeile T3) «ine Gleichstromquelle (23 und ein _SchwachstrojHmeß- -system {3J , i«obei die -elektroeheraissfee 2elle Ϊ3^ aus einem -Gehäiis-e ί 1 §,,-jwelch.es eine Separatorplatte J4^ aaxniTBmt_T die mit einer stark laygxsskopischen iÜLektro— lytlösung yollgesaugt und zwischen swei inerten ^iebelektroden {53 angeordnet ist, und 2v;ei Gasdiifusions— membranen (T) mit einer bestimmten Gaspermeabilitat aufweist, welche die Elektroden -von -der ümgebungsatmosphäre trennen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der mittlere Radius der Poren in den Gasdiffusionsmembranen (7) zwischen 1o und 1o³ Ä liegt.

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