RU2554663C1 - Electrochemical cell for analysing sulphur-containing gases - Google Patents
Electrochemical cell for analysing sulphur-containing gases Download PDFInfo
- Publication number
- RU2554663C1 RU2554663C1 RU2013154718/28A RU2013154718A RU2554663C1 RU 2554663 C1 RU2554663 C1 RU 2554663C1 RU 2013154718/28 A RU2013154718/28 A RU 2013154718/28A RU 2013154718 A RU2013154718 A RU 2013154718A RU 2554663 C1 RU2554663 C1 RU 2554663C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- graphite
- sulphur
- sulphide
- sulfide
- electrochemical cell
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measuring Oxygen Concentration In Cells (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к устройствам для определения концентраций серосодержащих газов в газовых смесях с применением твердотельных датчиков газа. Заявляемое устройство предназначено для качественного и количественного определения серосодержащих газов (сероводорода и диоксида серы) в отходящих газах химических производств и теплоэлектростанций, для анализа нефтепродуктов и может быть использовано для определения предельно допустимых концентраций (ПДК) серосодержащих газов в химической, нефтехимической, медицинской и пищевой отраслях промышленности.The invention relates to devices for determining the concentrations of sulfur-containing gases in gas mixtures using solid-state gas sensors. The inventive device is intended for the qualitative and quantitative determination of sulfur-containing gases (hydrogen sulfide and sulfur dioxide) in the exhaust gases of chemical plants and thermal power plants, for the analysis of petroleum products and can be used to determine the maximum permissible concentrations (MPC) of sulfur-containing gases in the chemical, petrochemical, medical and food industries industry.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемым результатам к данному изобретению является электрохимическая ячейка для анализа серосодержащих сред, содержащая сульфидпроводящий твердый электролит, измерительный электрод и электрод сравнения, выполненный из сульфида висмута с добавкой порошкообразного металлического висмута [1]. В качестве сульфидпроводящего твердого электролита используется смесь тионеодиомата бария (80-95 мол.%) и полуторного сульфида неодима (5-20 мол.%). Такая электрохимическая ячейка с достаточно высокой точностью позволяет анализировать серосодержащие газы (H2S и SO2). Недостатком данной ячейки является невозможность исследования концентрации серосодержащих газов менее 2 об.%, а также высокая рабочая температура датчика (500-550°C).The closest in technical essence and the achieved results to this invention is an electrochemical cell for analysis of sulfur-containing media, containing a sulfide-conducting solid electrolyte, a measuring electrode and a reference electrode made of bismuth sulfide with the addition of powdered metallic bismuth [1]. As a sulfide-conducting solid electrolyte, a mixture of barium thioneodiomate (80-95 mol.%) And one-and-a-half neodymium sulfide (5-20 mol.%) Is used. Such an electrochemical cell with sufficiently high accuracy allows the analysis of sulfur-containing gases (H 2 S and SO 2 ). The disadvantage of this cell is the impossibility of studying the concentration of sulfur-containing gases of less than 2 vol.%, As well as the high operating temperature of the sensor (500-550 ° C).
Технический результат изобретения заключается в расширении диапазона определяемых концентраций сероводорода и диоксида серы, повышении чувствительности и понижении рабочей температуры устройства. Упомянутый технический результат достигается за счет применения в качестве сульфидпроводящей мембраны электрохимической ячейки твердого электролита CaY2S4-Yb2S3 при следующем соотношении компонентов его составляющих, мол.%:The technical result of the invention is to expand the range of detectable concentrations of hydrogen sulfide and sulfur dioxide, increasing sensitivity and lowering the operating temperature of the device. The mentioned technical result is achieved due to the use of a solid electrolyte CaY 2 S 4 -Yb 2 S 3 as a sulfide-conducting membrane of the electrochemical cell in the following ratio of its components, mol.%:
- тиоиттрат кальция (CaY2S4) - 84-100%;- calcium thioittrate (CaY 2 S 4 ) - 84-100%;
- полуторный сульфид иттербия (Yb2S3) - остальное.- one and a half ytterbium sulfide (Yb 2 S 3 ) - the rest.
Электрод сравнения, по аналогии с прототипом, выполнен из сульфида висмута с добавкой порошкообразного металлического висмута.The reference electrode, by analogy with the prototype, is made of bismuth sulfide with the addition of powdered metallic bismuth.
Сущность изобретения поясняется фиг.1. Позиции на чертеже обозначают: 1 - трубка из кварцевого стекла; 2 - штуцер для подачи газа; 3 - штуцер для отвода газа; 4 - графитовый электрод; 5 - графитовый проводник; 6 - нихромовые проводники; 7 - кварцевый стаканчик; 8 - сульфидпроводящая мембрана; 9 - электрод сравнения; 10 - герметизирующая композиция; 11 - пробка из вакуумной резины.The invention is illustrated in figure 1. The positions in the drawing indicate: 1 - a tube of quartz glass; 2 - fitting for gas supply; 3 - fitting for gas discharge; 4 - graphite electrode; 5 - graphite conductor; 6 - nichrome conductors; 7 - quartz glass; 8 - sulfide-conducting membrane; 9 - reference electrode; 10 - sealing composition; 11 - a stopper from vacuum rubber.
Ячейка представляет собой трубку (1) из кварцевого стекла с двумя штуцерами для подачи (2) и отвода (3) газа. Внутри ячейки закреплен чувствительный элемент, запрессованный в кварцевый стаканчик (7). Чувствительный элемент представляет собой единую конструкцию, состоящую из элементов (4), (5), (7-10). Внутри токоподводящего графитового проводника (5) сделано углубление, в которое помещается электрод сравнения (9). Свободная поверхность графитового проводника (5) покрыта герметизирующей композицией (10) для исключения контакта электрода сравнения (9) с анализируемой средой. Вся верхняя поверхность электрода сравнения (9) контактирует с нижней поверхностью сульфидпроводящей мембраны (8). Верхняя поверхность сульфидпроводящей мембраны (8) находится в контакте с поверхностью перпендикулярно расположенного к ней графитового электрода (4). В качестве второго токоподвода используются нихромовые проводники (6).The cell is a quartz glass tube (1) with two fittings for supplying (2) and exhaust (3) gas. A sensor element is fixed inside the cell, pressed into a quartz glass (7). The sensitive element is a single structure consisting of elements (4), (5), (7-10). Inside the current-carrying graphite conductor (5), a recess is made in which the reference electrode (9) is placed. The free surface of the graphite conductor (5) is covered with a sealing composition (10) to prevent contact of the reference electrode (9) with the analyzed medium. The entire upper surface of the reference electrode (9) is in contact with the lower surface of the sulfide-conducting membrane (8). The upper surface of the sulfide-conducting membrane (8) is in contact with the surface of a graphite electrode perpendicular to it (4). As a second current lead, nichrome conductors are used (6).
Принцип работы электрохимической ячейки основан на измерении ЭДС цепиThe principle of operation of an electrochemical cell is based on measuring the emf circuit
где С|Bi, Bi2S3 - электрод сравнения (9) в контакте с графитовым проводником (5);where C | Bi, Bi 2 S 3 - reference electrode (9) in contact with a graphite conductor (5);
CaY2S4-х мол.% Yb2S3 - сульфидпроводящая мембрана (8), представляющая собой твердый электролит;CaY 2 S 4 mol.% Yb 2 S 3 - sulfide-conducting membrane (8), which is a solid electrolyte;
H2S (SO2), Ar|С - рабочий электрод: смесь детектируемого серосодержащего газа с аргоном на границе графит (4) - твердоэлектролитная мембрана (8).H 2 S (SO 2 ), Ar | C - working electrode: a mixture of detectable sulfur-containing gas with argon at the graphite boundary (4) - solid electrolyte membrane (8).
Собранный чувствительный элемент в течение 24 часов высушивают в силикагеле, а затем в течение 3 часов при температуре 100°C - в горизонтальной печи для удаления паров воды. Далее элемент помещают в измерительную ячейку. Ячейку десятикратно вакуумируют, промывают очищенным аргоном с последующим наполнением сероводородом для насыщения графитовых электродов, помещают в печь, нагревают до рабочей температуры, обусловленной свойствами сульфидпроводящей мембраны (415-515°C), и подают серосодержащий газ, который является рабочим электродом на границе графит - твердый электролит, после чего проводят газовый анализ.The collected sensing element is dried in silica gel for 24 hours and then in a horizontal furnace for 3 hours to remove water vapor for 3 hours at a temperature of 100 ° C. Next, the element is placed in the measuring cell. The cell is evacuated ten times, washed with purified argon, followed by filling with hydrogen sulfide to saturate graphite electrodes, placed in an oven, heated to operating temperature, due to the properties of the sulfide-conducting membrane (415-515 ° C), and a sulfur-containing gas is supplied, which is a working electrode at the graphite - solid electrolyte, after which gas analysis is carried out.
Измерения проводят в динамическом нестационарном режиме при импульсном введении серосодержащего газа в ламинарный поток аргона, пропускаемого через измерительную ячейку.The measurements are carried out in a dynamic unsteady mode with a pulsed introduction of sulfur-containing gas into the laminar flow of argon passed through the measuring cell.
Электрохимическая ячейка работает в потенциометрическом режиме. Сигнал электрохимической ячейки (ΔЕ) получают в виде разности экстремального и начального значения ЭДС цепи (I). Аналитический сигнал зависимости ЭДС от концентрации серосодержащего газа использован для построения соответствующих калибровочных кривых для анализа H2S и SO3 (фиг.2, 3). Область измеряемых концентраций составляет: 0,1-10 об.% H2S и 0,01-10 об.% SO2.The electrochemical cell operates in potentiometric mode. The signal of the electrochemical cell (ΔE) is obtained in the form of the difference between the extreme and the initial value of the EMF circuit (I). An analytical signal of the dependence of the EMF on the concentration of sulfur-containing gas was used to construct the corresponding calibration curves for the analysis of H 2 S and SO 3 (figure 2, 3). The range of measured concentrations is: 0.1-10 vol.% H 2 S and 0.01-10 vol.% SO 2 .
Пример 1. При выполнении анализа газовой смеси, содержащей H2S неизвестной концентрации, измеряемая величина ЭДС составила 133,6 мВ. Пользуясь калибровочной зависимостью для H2S (фиг.2), определяем, что значению А Е=133,6 мВ соответствует IgC (H2S)=0,115. Концентрация сероводорода в газовой смеси составляет 1,30 об.%.Example 1. When performing the analysis of a gas mixture containing H 2 S of unknown concentration, the measured value of the EMF was 133.6 mV. Using the calibration dependence for H 2 S (figure 2), we determine that the value of A E = 133.6 mV corresponds to IgC (H 2 S) = 0.115. The concentration of hydrogen sulfide in the gas mixture is 1.30 vol.%.
Пример 2. Аналогично проводится определение концентрации SO2, соответствующей сигналу датчика (ΔЕ)=30,8 мВ. По калибровочной зависимости (фиг.3) для данного отклика значение IgC (SO2)=-0,056. Концентрация диоксида серы в газовой смеси составляет 0,88 об.%.Example 2. Similarly, the concentration of SO 2 corresponding to the sensor signal (ΔE) = 30.8 mV is determined. According to the calibration dependence (figure 3) for this response, the value of IgC (SO 2 ) = - 0.056. The concentration of sulfur dioxide in the gas mixture is 0.88 vol.%.
Данные о величинах сигнала, чувствительности заявляемой электрохимической ячейки, в состав которой входит CaY2S4-Yb2S3, и ячейки-прототипа (сульфидпроводящая мембрана - BaNd2S4-Nd2S3) от содержания анализируемого газа приведены в таблице.Data on signal values, sensitivity of the claimed electrochemical cell, which includes CaY 2 S 4 -Yb 2 S 3 , and prototype cells (sulfide-conducting membrane - BaNd 2 S 4 -Nd 2 S 3 ) from the content of the analyzed gas are given in the table.
Чувствительность (SS) зависит от наклона прямых в координатах ΔЕ=f (lgC, об.%) и определяется какThe sensitivity (S S ) depends on the slope of the lines in the coordinates ΔЕ = f (logC, vol.%) And is defined as
где рСсеросодержащего газа=-lgC серосодержащего газа составляет 254 мВ/pCH2S и 54,4 мВ/pCSO2.where pC of sulfur-containing gas = -lgC of sulfur-containing gas is 254 mV / pCH 2 S and 54.4 mV / pC SO2 .
Преимущества заявленной электрохимической ячейки заключаются в использовании тиоиттрата кальция, допированного сульфидом иттербия (CaY2S4-хмол.%Yb2S3), что позволяет:The advantages of the claimed electrochemical cell are the use of calcium thioitrate doped with ytterbium sulfide (CaY 2 S 4 -mole.% Yb 2 S 3 ), which allows:
- уменьшить нижний порог определяемых концентраций до значений, меньших значения ПДК рабочей зоны: 0,1 об.% для определения сероводорода и 0,02 об.% для диоксида серы (для прототипа: 1,8 об.% для обоих газов);- reduce the lower threshold of the determined concentrations to values lower than the MPC of the working area: 0.1 vol.% for the determination of hydrogen sulfide and 0.02 vol.% for sulfur dioxide (for the prototype: 1.8 vol.% for both gases);
- понизить рабочую температуру чувствительного элемента до 415°C;- lower the operating temperature of the sensor to 415 ° C;
- увеличить чувствительность до 254 мВ/рС(H2S) (для прототипа: 80 мВ/рС (H2S)).- increase the sensitivity to 254 mV / pC (H 2 S) (for the prototype: 80 mV / pC (H 2 S)).
Источники информацииInformation sources
1 Патент RU №2089894 С1, МПК G01N 27/46. Заявка №94037123/25; приоритет: 28.09.1994; опубликовано: 10.09.1997. Электрохимическая ячейка для анализа серосодержащих сред. Авторы изобретения: Л.А. Калинина, Г.И. Широкова, И.В. Мурин, М.Ю. Лялина.1 Patent RU No. 2089894 C1, IPC G01N 27/46. Application No. 94037123/25; priority: 09/28/1994; published: 09/10/1997. Electrochemical cell for analysis of sulfur-containing media. Authors of the invention: L.A. Kalinina, G.I. Shirokova, I.V. Murin, M.Yu. Lyalina.
мВ/pCH2S Sensitivity,
mV / pC H2S
Claims (1)
- тиоиттрат кальция (CaY2S4) - 84-100%;
- полуторный сульфид иттербия (Yb2S3) - остальное. An electrochemical cell for analysis of sulfur-containing gases, including a quartz glass tube with gas supply and exhaust fittings located inside it, current-carrying graphite and nichrome conductors, a graphite electrode, a sulfide-conducting membrane, a reference electrode located in a graphite conductor and made of bismuth sulfide with a powder additive metallic bismuth, and the working electrode, which is the analyzed medium at the boundary "graphite - sulfide-conducting membrane", distinguishes schayasya that sulfidprovodyaschey membrane as a solid electrolyte is used with unipolar ion conductivity sulfur CaY 4 -Yb 2 S 2 S 3 in the following ratio of its components, mol.%:
- calcium thioittrate (CaY 2 S 4 ) - 84-100%;
- one and a half ytterbium sulfide (Yb 2 S 3 ) - the rest.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013154718/28A RU2554663C1 (en) | 2013-12-11 | 2013-12-11 | Electrochemical cell for analysing sulphur-containing gases |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013154718/28A RU2554663C1 (en) | 2013-12-11 | 2013-12-11 | Electrochemical cell for analysing sulphur-containing gases |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2013154718A RU2013154718A (en) | 2015-06-20 |
RU2554663C1 true RU2554663C1 (en) | 2015-06-27 |
Family
ID=53433454
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013154718/28A RU2554663C1 (en) | 2013-12-11 | 2013-12-11 | Electrochemical cell for analysing sulphur-containing gases |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2554663C1 (en) |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS5637550A (en) * | 1979-09-04 | 1981-04-11 | Nippon Steel Corp | Measuring method of sulfur concentration in molten metal and its unit |
JPS58156850A (en) * | 1982-03-15 | 1983-09-17 | Yamari Sangyo Kk | Method for preventing deterioration of solid electrolyte |
SU1075138A1 (en) * | 1982-08-06 | 1984-02-23 | Кировский Политехнический Институт | Solid electrolyte |
SU1242805A1 (en) * | 1984-12-12 | 1986-07-07 | Кировский Политехнический Институт | Electrochemical cell for analyzing sulfur-containing media |
RU2089984C1 (en) * | 1996-03-27 | 1997-09-10 | Горетов Юрий Николаевич | Air ionizer |
RU2474814C2 (en) * | 2011-04-29 | 2013-02-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Вятский государственный университет" (ГОУ ВПО "ВятГУ" | Solid electrolyte |
-
2013
- 2013-12-11 RU RU2013154718/28A patent/RU2554663C1/en active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS5637550A (en) * | 1979-09-04 | 1981-04-11 | Nippon Steel Corp | Measuring method of sulfur concentration in molten metal and its unit |
JPS58156850A (en) * | 1982-03-15 | 1983-09-17 | Yamari Sangyo Kk | Method for preventing deterioration of solid electrolyte |
SU1075138A1 (en) * | 1982-08-06 | 1984-02-23 | Кировский Политехнический Институт | Solid electrolyte |
SU1242805A1 (en) * | 1984-12-12 | 1986-07-07 | Кировский Политехнический Институт | Electrochemical cell for analyzing sulfur-containing media |
RU2089984C1 (en) * | 1996-03-27 | 1997-09-10 | Горетов Юрий Николаевич | Air ionizer |
RU2474814C2 (en) * | 2011-04-29 | 2013-02-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Вятский государственный университет" (ГОУ ВПО "ВятГУ" | Solid electrolyte |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2013154718A (en) | 2015-06-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2008107893A (en) | TEST METHOD FOR EVALUATING DIFFUSION AND LEAKAGE CURRENTS IN INSULATORS | |
Anggraini et al. | Sensing characteristics of aged zirconia-based hydrogen sensor utilizing Zn–Ta-based oxide sensing-electrode | |
US20130086972A1 (en) | Calibration technique for calibrating a zirconium oxide oxygen sensor and calibrated sensor | |
RU2554663C1 (en) | Electrochemical cell for analysing sulphur-containing gases | |
US3718546A (en) | Sulfur oxide activity measurement | |
RU2635711C1 (en) | Device for measuring volume fraction and partial pressure of oxygen in gases | |
US3003932A (en) | Apparatus for the galvanic analysis of hydrogen | |
RU188416U1 (en) | Sensor for measuring the concentration of oxygen, hydrogen and humidity of gas mixtures | |
RU2532139C1 (en) | Method to measure oxygen in gas media | |
RU2483299C1 (en) | Solid-electrolyte sensor for amperometric measurement of hydrogen concentration in gas mixtures | |
RU63534U1 (en) | DEVICE FOR MEASURING OXYGEN CONCENTRATION | |
RU2490623C1 (en) | Solid electrolyte sensor for potentiometric measurement of hydrogen concentration in gas mixtures | |
RU2540450C1 (en) | Method to measure oxygen content and moisture of gas | |
RU2761936C1 (en) | Method for determining the volume fraction of hydrogen in gases and apparatus implementing said method | |
Guth et al. | Gas sensors | |
Altšmíd et al. | Ionic Liquid based polymer electrolytes for electrochemical sensors | |
US3859192A (en) | Apparatus for the measurement of the oxygen content of a gas stream | |
RU2579183C1 (en) | Method of determining diffusion coefficient of gases in solid electrolytes | |
JP2008292437A (en) | Carbon dioxide fugacity sensor for sea water | |
US10161899B2 (en) | Oxygen sensor with electrochemical protection mode | |
RU2796000C1 (en) | Gas analyzer | |
RU2563325C1 (en) | Amperometric method of measurement of flammable gases concentration in nitrogen | |
CN205229092U (en) | Quick electrode of portable carbon dioxide gas improvement structure | |
RU2755639C1 (en) | Amperometric method for measuring the content of carbon monoxide in inert gases | |
SU371495A1 (en) | ELECTROCHEMICAL METHOD FOR THE ANALYSIS OF GASES |