RU2752801C1 - Амперометрический способ измерения концентрации оксида азота в газовой смеси с азотом - Google Patents

Амперометрический способ измерения концентрации оксида азота в газовой смеси с азотом Download PDF

Info

Publication number
RU2752801C1
RU2752801C1 RU2020138743A RU2020138743A RU2752801C1 RU 2752801 C1 RU2752801 C1 RU 2752801C1 RU 2020138743 A RU2020138743 A RU 2020138743A RU 2020138743 A RU2020138743 A RU 2020138743A RU 2752801 C1 RU2752801 C1 RU 2752801C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
gas mixture
nitric oxide
oxygen
nitrogen
capillary
Prior art date
Application number
RU2020138743A
Other languages
English (en)
Inventor
Анатолий Сергеевич Калякин
Александр Николаевич Волков
Кирилл Евгеньевич Волков
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук
Priority to RU2020138743A priority Critical patent/RU2752801C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2752801C1 publication Critical patent/RU2752801C1/ru

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/12—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Non-Biological Materials By The Use Of Chemical Means (AREA)

Abstract

Изобретение предназначено для измерения содержания оксида азота (NO) в газовой смеси с азотом и может быть использовано при производстве азотной кислоты и поверочных газовых смесей. Амперометрический способ измерения концентрации оксида азота в газовой смеси с азотом заключается в том, что в поток анализируемой газовой смеси помещают электрохимическую ячейку с полостью, образованной двумя газоплотно соединенными между собой дисками из кислородпроводящего твердого электролита состава 0,9 ZrO2 + 0,1 Y2O3, между которыми имеется капилляр, на электроды, расположенные на противоположных поверхностях одного из дисков, подают напряжение постоянного тока в пределах 0,5-1 В, с подключением положительного полюса на наружный электрод, посредством чего осуществляют откачку из полости ячейки кислорода, полученного после разложения оксида азота, при достижении стационарного состояния, когда количество кислорода, откачанного из полости ячейки, станет равным количеству кислорода, поступающему в эту полость через капилляр в составе оксида азота, измеряют протекающий через ячейку предельный ток, соответствующий содержанию оксида азота, находящегося в анализируемой газовой смеси, и определяют концентрацию оксида азота в ней по формуле:
Figure 00000004
где:
X(NO) – мольная доля оксида азота в анализируемой газовой смеси; IL(NO) – предельный ток, соответствующий количеству откачанного кислорода, образовавшегося после разложения оксида азота, находящегося в анализируемой газовой смеси, мА; R – газовая постоянная, 8,314*107 эрг/моль⋅К; T – температура анализа, К; L – длина капилляра, м; F – число Фарадея, 96485 Кл/моль; D(NО) – коэффициент диффузии оксида азота в анализируемой газовой смеси, м2/с; S – площадь сечения капилляра, м2; P – общее давление анализируемой газовой смеси, Па. Техническим результатом является возможность просто, надежно и оперативно измерять содержание оксида азота в газовой смеси с азотом. 3 ил.

Description

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам, применяемым для регистрации и измерения содержания оксида азота (NO) в газовой смеси с азотом (далее анализируемая газовая смесь) и может быть использовано для решения практических задач, в частности при производстве азотной кислоты, а также поверочных газовых смесей.
Существует относительно немного методов определения оксида азота в газовых смесях, содержащих азот. К ним относится способ определения объемной доли оксида азота в газовых смесях, содержащих Н2, О2, N2, CH4, СО, СO2, NO, NO2, включающий хроматографическое определение объемной доли оксида азота (I) N2O с учетом сигнала детектора по теплопроводности [1].
Хроматографический способ [1] заключается в том, что в процессе отбора пробы газовой смеси, содержащей (0,05÷0,50) об.% N2O и пары воды, из технологического трубопровода одновременно осуществляют поглощение паров воды и оксидов азота NO и N2O, при этом используют реактивы, не сорбирующие и не вступающие в реакции с N2O. Пробу в объеме 2 мл вводят в хроматографическую колонку длиной 5 м и диаметром 3 мм, заполненную полисорбом, при температуре термостата колонки (20÷30)°С и температуре испарителя 100°С. В качестве газа-носителя используют водород при скорости 30 мл/мин. Регистрацию сигнала осуществляют при скорости диаграммной ленты 240 мм/мин и токе моста детектора 200 мА.
Данный способ исключает агрессивное воздействие коррозионно-активных компонентов на чувствительные элементы хроматографа. Данный способ трудоемок, требует наличия сложного оборудования (хроматограф) и квалифицированного персонала.
На практике для определения содержания оксида азота (NO) в газовой смеси с азотом распространен линейно-колористический метод (ЛКМ), основанный на получении окрашенного слоя индикаторного порошка [2]. Длина окрашенного слоя индикаторного порошка пропорциональна концентрации исследуемого вещества, просасываемого через индикаторную трубку. В индикаторной трубке происходит специфическая реакция между исследуемым веществом и реагентом, нанесенным на инертный носитель - силикагель. Особенность ЛКМ заключается в том, что реакция между определяемым веществом и реагентом протекает в динамических условиях. Поэтому в основе ЛКМ должна лежать высокоспецифичная реакция, способная резко изменять цвет наполнителя, содержащего эти реактивы. Для получения надежных результатов измерения оксидов азота методом ЛКМ нужно обеспечить строгое соблюдение постоянства длины и диаметра индикаторной трубки, определенную насыпную плотность индикаторного порошка в трубке, а также объем анализируемой газовой смеси. Кроме этого, нужно строго соблюдать определенную процедуру приготовления инертного носителя и реактивного раствора, а также порядок нанесения реактивного раствора на силикагель, соблюдая при этом меры по защите реактивного вещества от окисления (разложения).
Таким образом, для получения надежных результатов содержания оксида азота (NO) в газовой смеси с азотом, известный практический метод определения является трудоемким и сложным.
Задача настоящего изобретения заключается в создании способа, позволяющего достаточно просто, надежно и оперативно измерять содержание оксида азота в газовой смеси с азотом.
Для решения поставленной задачи предложен амперометрический способ измерения концентрации оксида азота в газовой смеси с азотом, заключающийся в том, что в поток анализируемой газовой смеси помещают электрохимическую ячейку с полостью, образованной двумя, газоплотно соединенными между собой дисками из кислородпроводящего твердого электролита состава 0,9 ZrO2 + 0,1 Y2O3, между которыми имеется капилляр, на электроды, расположенные на противоположных поверхностях одного из дисков, подают напряжение постоянного тока в пределах 0,5-1 В, с подключением положительного полюса на наружный электрод, посредством чего осуществляют откачку из полости ячейки кислорода, полученного после разложения оксида азота, при достижении стационарного состояния, когда количество кислорода, откачанного из полости ячейки, станет равным количеству кислорода, поступающему в эту полость через капилляр в составе оксида азота, измеряют протекающий через ячейку предельный ток, соответствующий содержанию оксида азота, находящегося в анализируемой газовой смеси и определяют концентрацию оксида азота в ней по формуле
Figure 00000001
где:
X(NO) – мольная доля оксида азота в анализируемой газовой смеси;
IL(NO) – предельный ток, соответствующий количеству откачанного кислорода, образовавшегося после разложения оксида азота, находящегося в анализируемой газовой смеси, мА;
R – газовая постоянная, 8,314*107 эрг/моль⋅К;
T – температура анализа, К;
L – длина капилляра, м;
F – число Фарадея, 96485 Кл/моль;
D(NО) – коэффициент диффузии оксида азота в анализируемой газовой смеси, м2/с;
S – площадь сечения капилляра, м2;
P – общее давление анализируемой газовой смеси, Па.
Сущность изобретения заключается в следующем. Известно, что при температуре выше 200°С начинается электролитическое разложение оксида азота в соответствии с уравнением:
2NO = O2 + N2 (1)
При подаче напряжения постоянного тока на электроды электрохимической ячейки, происходит откачка кислорода из газовой смеси, находящегося в полости ячейки, в поток анализируемой газовой смеси, омывающей ячейку. По мере увеличения подаваемого на электроды напряжения, ток будет расти, пока не достигнет стабильного значения – предельного тока. Достижение предельного тока говорит о том, что количество кислорода, откачиваемого из полости ячейки, равно количеству кислорода, образовавшегося от разложения оксида азота, поступившего в составе анализируемой газовой смеси в полость ячейки через капилляр. Предельный ток, соответствующий количеству откачанного кислорода, образовавшегося после разложения оксида азота, находящегося в анализируемой газовой смеси, определяют в соответствии с уравнением:
IL(NO) =
Figure 00000002
 (2)
где:
IL(NO) – предельный ток, соответствующий количеству откачанного кислорода, образовавшегося после разложения оксида азота, находящегося в анализируемой газовой смеси, мА;
R – газовая постоянная, 8,314*107эрг/моль⋅К;
T – температура анализа, К;
L – длина капилляра, м;
F – число Фарадея, 96485 Кл/моль;
D(NО) – коэффициент диффузии оксида азота в анализируемой газовой смеси, м2/с;
S – площадь сечения капилляра, м2;
P – общее давление анализируемой газовой смеси, Па
X(NO) – мольная доля оксида азота в анализируемой газовой смеси.
Предельный ток, получаемый при анализе оксида азота в газовой смеси, говорит о том, что количество кислорода откачиваемого из полости ячейки, равно количеству кислорода, образовавшегося от разложения оксида азота, поступившего в составе анализируемой газовой смеси в полость ячейки через капилляр.
При достижении стационарного состояния, когда количество кислорода, откачанного из полости ячейки, станет равным количеству кислорода, поступающему в эту полость в составе NO через капилляр, измеряют протекающий через ячейку суммарный предельный ток, соответствующий содержанию кислорода, находящегося в анализируемой газовой смеси от разложения оксида азота, и после величине измеренного предельного тока, определяют концентрацию оксида азота в анализируемой газовой смеси по вышеприведенной формуле:
Figure 00000001
(3)
где:
X(NO) – мольная доля оксида азота в анализируемой газовой смеси;
IL(NO) – предельный ток, соответствующий количеству откачанного кислорода, образовавшегося после разложения оксида азота, находящегося в анализируемой газовой смеси, мА;
R – газовая постоянная, 8,314*107эрг/моль⋅К;
T – температура анализа, К;
L – длина капилляра, м;
F – число Фарадея, 96485 Кл/моль;
D(NО) – коэффициент диффузии оксида азота в анализируемой газовой смеси, м2/с;
S – площадь сечения капилляра, м2;
P – общее давление анализируемой газовой смеси, Па.
Новый технический результат, достигаемый заявленным способом, заключается в получении возможности измерения оксида азота в газовой смеси: оксид азота плюс азот с помощью электрохимической ячейки на основе кислородпроводящего твердого электролита.
Изобретение иллюстрируется рисунками, где на фиг. 1 изображена электрохимическая ячейка для реализации способа; на фиг. 2 – зависимость тока электрохимической ячейки от напряжения, подаваемого на электроды ячейки при измерении разных концентраций оксида азота в анализируемой газовой смеси; на фиг.3 – зависимость предельного тока ячейки от концентрации NO в анализируемой газовой смеси.
Для осуществления способа используют электрохимическую ячейку, содержащую диски 1 и 2, выполненные из кислородпроводящего твердого электролита (0,9 ZrO2 + 0,1 Y2O3). На противоположных поверхностях диска 1 расположены электроды 3 и 4. Диски 1 и 2 образуют внутреннюю полость 5 и герметизированы стеклом 6. Между дисками находится капилляр 7 для поступления в полость 5 анализируемой газовой смеси. Подача напряжения на электроды 3 и 4 осуществляется от источника напряжения постоянного тока, причем на внутренний электрод 4 подается минус, а на электрод 3, находящийся на внешней стороне диска – плюс.
Электрохимическую ячейку помещают в поток анализируемой газовой смеси, содержащей оксид азота и азот, которая омывает наружную поверхность ячейки и по капилляру 7 поступает в полость 5. Под действием напряжения постоянного тока происходит откачка находящегося в полости ячейки кислорода, образовавшегося от электролитического разложения оксида азота, на кислород и азот, в поток анализируемой газовой смеси. При установившемся режиме ток стабилизируется (предельный ток), т.е. с дальнейшим увеличением напряжения ток не изменяется (фиг.2). Появление предельного тока означает, что количество кислорода, поступившего в полость ячейки в виде оксида азота, и откачанного из полости 5, уравновешиваются. При этом капилляр 7 является диффузионным барьером, лимитирующим этот газообмен. При подаче напряжения от 0,5-1 В, газообмен между полостью ячейки и анализируемой средой стабилизируется и в цепи устанавливается предельный диффузионный ток, равный IL(NО), соответствующий количеству оксида азота, находящегося в составе анализируемой газовой смеси, который измеряют с помощью амперметра (А) (фиг.3). Зная значение IL(NО) по уравнению (3) рассчитывается содержание оксида азота в анализируемой газовой смеси - Х(NО).
Таким образом, заявленный способ позволяет достаточно просто, надежно и оперативно измерять содержание оксида азота в газовой смеси с азотом.
Источники информации:
1. RU 2255333, публ.27.06.2005.
2. Массовая концентрация оксида и диоксида азота в пробах атмосферного воздуха. Методика измерений фотометрическим методом с использованием сульфаниловой кислоты и I-нафтиламина. Санкт-Петербург.2015.

Claims (12)

  1. Амперометрический способ измерения концентрации оксида азота в газовой смеси с азотом, заключающийся в том, что в поток анализируемой газовой смеси помещают электрохимическую ячейку с полостью, образованной двумя газоплотно соединенными между собой дисками из кислородпроводящего твердого электролита состава 0,9 ZrO2 + 0,1 Y2O3, между которыми имеется капилляр, на электроды, расположенные на противоположных поверхностях одного из дисков, подают напряжение постоянного тока в пределах 0,5–1 В, с подключением положительного полюса на наружный электрод, посредством чего осуществляют откачку из полости ячейки кислорода, полученного после разложения оксида азота, при достижении стационарного состояния, когда количество кислорода, откачанного из полости ячейки, станет равным количеству кислорода, поступающему в эту полость через капилляр в составе оксида азота, измеряют протекающий через ячейку предельный ток, соответствующий содержанию оксида азота, находящегося в анализируемой газовой смеси, и определяют концентрацию оксида азота в ней по формуле
  2. Figure 00000003
  3. где:
  4. X(NO) – мольная доля оксида азота в анализируемой газовой смеси;
  5. IL(NO) – предельный ток, соответствующий количеству откачанного кислорода, образовавшегося после разложения оксида азота, находящегося в анализируемой газовой смеси, мА;
  6. R – газовая постоянная, 8,314*107 эрг/моль⋅К;
  7. T – температура анализа, К;
  8. L – длина капилляра, м;
  9. F – число Фарадея, 96485 Кл/моль;
  10. D(NО) – коэффициент диффузии оксида азота в анализируемой газовой смеси, м2/с;
  11. S – площадь сечения капилляра, м2;
  12. P – общее давление анализируемой газовой смеси, Па.
RU2020138743A 2020-11-26 2020-11-26 Амперометрический способ измерения концентрации оксида азота в газовой смеси с азотом RU2752801C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020138743A RU2752801C1 (ru) 2020-11-26 2020-11-26 Амперометрический способ измерения концентрации оксида азота в газовой смеси с азотом

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020138743A RU2752801C1 (ru) 2020-11-26 2020-11-26 Амперометрический способ измерения концентрации оксида азота в газовой смеси с азотом

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2752801C1 true RU2752801C1 (ru) 2021-08-06

Family

ID=77226313

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020138743A RU2752801C1 (ru) 2020-11-26 2020-11-26 Амперометрический способ измерения концентрации оксида азота в газовой смеси с азотом

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2752801C1 (ru)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6303018B1 (en) * 1998-10-16 2001-10-16 Varta Geratebatterie Gmbh Method and apparatus for determining O2 and N2O in gas mixtures
RU2226688C1 (ru) * 2003-03-17 2004-04-10 Открытое акционерное общество "Кирово-Чепецкий химический комбинат им. Б.П. Константинова" Способ газохроматографического определения закиси азота в газах
RU2255333C1 (ru) * 2003-11-11 2005-06-27 Северо-Кавказский государственный технический университет Способ определения объемной доли оксида азота (i) в газовых смесях
RU2627174C1 (ru) * 2016-11-03 2017-08-03 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук Амперометрический способ измерения концентрации закиси азота в газовых смесях

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6303018B1 (en) * 1998-10-16 2001-10-16 Varta Geratebatterie Gmbh Method and apparatus for determining O2 and N2O in gas mixtures
RU2226688C1 (ru) * 2003-03-17 2004-04-10 Открытое акционерное общество "Кирово-Чепецкий химический комбинат им. Б.П. Константинова" Способ газохроматографического определения закиси азота в газах
RU2255333C1 (ru) * 2003-11-11 2005-06-27 Северо-Кавказский государственный технический университет Способ определения объемной доли оксида азота (i) в газовых смесях
RU2627174C1 (ru) * 2016-11-03 2017-08-03 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук Амперометрический способ измерения концентрации закиси азота в газовых смесях

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Arquint et al. Micromachined analyzers on a silicon chip
Haaland Internal-reference solid-electrolyte oxygen sensor
Opdycke et al. Polymer-membrane pH electrodes as internal elements for potentiometric gas-sensing systems
Amayreh et al. Direct electrochemical determination of hemoglobin in blood using iodine-coated platinum polycrystalline electrode
Kocache The measurement of oxygen on gas mixtures
RU2752801C1 (ru) Амперометрический способ измерения концентрации оксида азота в газовой смеси с азотом
RU2483300C1 (ru) Твердоэлектролитный датчик для амперометрического измерения влажности газовых смесей
Meyerhoff et al. Polymer-membrane electrode-based potentiometric sensing of ammonia and carbon dioxide in physiological fluids.
RU2548614C1 (ru) Способ определения коэффициента диффузии горючих газов в азоте
RU2635711C1 (ru) Устройство для измерения объемной доли и парциального давления кислорода в газах
RU2483299C1 (ru) Твердоэлектролитный датчик для амперометрического измерения концентрации водорода в газовых смесях
Vonau et al. Is there still a need for the antimony electrode 100 years after its introduction as a pH sensor?
RU2654389C1 (ru) Амперометрический способ измерения концентрации кислорода в газовых смесях
Guth et al. Gas sensors
RU51228U1 (ru) Датчик газоанализатора кислорода
JPS5838745B2 (ja) 自動式血液ガス分析での測定値検知方法
RU2796000C1 (ru) Газоанализатор
RU2795670C1 (ru) Сенсор для измерения концентрации кислорода в газовой смеси
RU2540450C1 (ru) Способ измерения кислородосодержания и влажности газа
RU2755639C1 (ru) Амперометрический способ измерения содержания монооксида углерода в инертных газах
US20240125727A1 (en) Electrochemical measurement with additional reference measurement
RU2735628C1 (ru) Амперометрический датчик для измерения концентрации метана и примеси водорода в анализируемой газовой смеси
RU191013U1 (ru) Амперометрический датчик для измерения концентрации горючих газов и их влажности
RU189631U1 (ru) Сенсор для измерения концентрации кислорода и водорода в инертных, защитных и окислительных газовых смесях
Li et al. A negative-pressure flow-injection micro-electrode system for rapid and simultaneous determination of four electrolytes in human serums