SU1755165A1 - Чувствительный элемент газоанализатора хлора в воздухе - Google Patents

Abstract

Использование1 аналитическое ростроение, в частности электрохимические газоанализаторы хло ра в воздухе промышленных предпри тий. Сущность изобретени : чувствительный элемент ам- перометрическоготипа выполнен на основе протонпровод щего твердого электролита из гидратированного оксида сурьмы раз- упор дочечной структуры состава Sh20s

Description

Изобретение относитс  к аналитическому приборостроению, в частности к злектро- химическим газоанализаторам дл  определени  концентрации хлора в воздухе и технологических газах, и может быть использовано в промышленной санитарии, мониторинге окружающей среды, дл  контрол  технологических процессов при производстве и переработке хлора в химической и других отрасл х промышленности.

Известен чувствительный элемент на основе твердых электролитов из двухлори- стого олова, хлористого свинца или хлористого бари  (1), оксида цинка с добавкой 0,1-40% хлорида золота (2), хлоридов стронци  и кали  (3). В качестве каталитически активных электродов в этих элементах используютс  платина, иридий, диоксид рутени  или сплавы платины и ириди ,

Недостатками чувствительных элементов на основе перечисленных электролитов  вл ютс  гигроскопичность твердых электролитов , необходимость специальных устройств дл  термостатировани  чувствительных элементов при 230-260°С, сложна  технологи  изготовлени  Изготовление элементов осуществл ют прессованием в потоке сухого азота, пайкой проволочных токоподводов из драгметаллов, нанесением на обе стороны диска из твердого электролита тонких слоев каталитически активных электродов из платиньГили палла дй  с последующим хранением в сухом газе во избежание гидратации твёрдого электрблита. Из-за низкой электропроводности перечисленных твердых электролитов при 230- 260°С определение концентрации хлора в воздухе осуществл ют по величине ЭДС, возникающей между индикаторным электродом и электродом, на который подают газ с заданным содержаИиейГхлораГВ этом режиме измерени  величина ЭДС пр мо пропорциональна логарифму концентрации хлора в воздухе, что снижает точность определени .

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату  вл етс  чувствительный элемент

tessa

электрохимического газоанализатора концентрации хлора в воздухе, в котором используют YeepAbifi электролит с унипол рной проводимостью по ионам, чужеродным к хлору, а именно - алюминат серебра (4). ЭДС чувствительного элемента определ етс  вторичным равновесием реакции восстановлени  хлора, причем твердый электролит обладает ионной проводимостью по ионам серебра, которые  вл ютс  чужеродными по отношению к определ емому компоненту - хлору

Недостатком этого решени   вл етс  высокое удельное сопротивление твердого электролита при температуре окружающей среды, что не позвол ет эксплуатировать чувствительный элемент на его основе в более простом и надежном амперометриче- ском режиме Кроме тото, при длительном воздействии хлора один из основных компонентов системы - серебро - превращаетс  в его хлорид, в результате чего сокращаетс  срок службы чувствительного элемента и снижаетс  стабильность показаний 1 времени.

Цель изобретени  - упрощение техно логии изготовлени  и условий эксплуатации и увеличение срока службы чувствительного элемента газоанализатора хлора в воздухе

Поставленна  цель достигаетс  тем что в качестве электролита чувствительного элемента газоанализатора хлора в воздухе используют чужеродный к хлору твердый электролите протонной проводимостью нз основе гидратированного оксида сурьмм разупор доченной структуры состава (3,0-3,5) Н20 с добавкой полимерною св зующего

Из литературы не известны чувствительные элементы дл  определени  концентрации хлора в воздухе на основе твердого протонпровод щего электролита, выполненного из гидратированного оксида сурьмы разупор доченной структуры

Положительный эффект при использовании изобретени  возникает благодар  применению в качестве чужеродного к хлору и его ионам предложенного твердого электролита с высокой проводимостью по ионам водорода (протонам) при температуре окружающей среды, стабильного в атмосфере воздуха и химически стойкого в присутствии определ емого компонента - хлора и продукта электродной реакции - хлороводорода, что позвол ет эксплуатировать чувствительный элемент в амперомет- рическом режиме без специального подогрева. Чувствительный элемент дл  определени  концентрации хлора в воздухе на основе предлагаемого электролига имеет

следующие существенные отличи  от известных решений

В предлагаемом чувствительном элементе не примен ютс  расходуемые в про5 цессе эксплуатации вещества и не накапливаютс  продукты реакции, что повышает их стабильность во времени и увеличивает срок службы. В огличие от чувствительных элементов на основе твер0 дых электролитов с унипол рной проводимостью по ионам хлора предлагаемый чувствительный олемент не требует специальною подогрева, используемый в нем твердый электролит устойчив в атмосфер5 ном воздухе, что упрощает услови  /ране ни  и эксплуатации.

Используемый гидратированный оксид сурьмы разупор доченной структуры соста вэ SbaOs (3,0-3,5) Н20 отличаетс  высокой и

0 стабильной протонной проводимостью - его удельна  электропроводность при 20°С составл ет 0,055 Ом Этот электролит может быть получен любым известным способом

5 Другие твердые электролиты с протонной проводимостью пригодны дл  изготовлени  чувствительных элементов в меньшей степени чем гидра)ированный оксид сурьмы разупор доченно й структуры по

0 причине нестабильной во времени электропроводности и сильной зависимости её от внешних условий (влажности воздуха, температуры ) или низкой устойчивости в присутствии хлора и хлороводорода. Так,

5 например, изготовленный чувствительный элемент на основе протонпровод щего электролита из кислого фосфата циркони  оказалс  работоспособным только при 100% ной относительной влажности возду0 ха

Схема предлагаемого чувствительного элемента дл  определени  концентрации хлора в воздухе представлена на чертеже, Чувствительный элемент состоит из твердо5 ю про гон провод щего электролита на основе гидратированного оксида сурьмы разупор доченпой структуры 1, каталитически активных индикаторного 2 и вспомогательного 3 электродов и корпуса из

0 диэлектрика 4. Чувствительный элемент подключен к источнику посто нного тока 5, с помощью которого поддерживают задан ное напр жение между электродами 2 и 3. Сипу тока в цепи измер ют ампермет ром 6.

5 Изобретение выполн етс  следующим образом,

В матрицу пресс-формы равномерным слоем засыпают порошок каталитически активного материала, уплотн ют пуансон,

затем засыпают слой порошка гидратираеанного оксида сурьмы разупор доченной структуры с полимерным св зующим, уплотн ют пуансоном, засыпают слой каталитически активного порошка и осуществл ют окончательное прессование, С целью снижени  расхода каталитически активных веществ , выполн ющих в спрессованном виде функции электродов, они могут быть нане- сбны тонким слоем на таблетку твердого электролита и закреплены на ее поверхности повторным прессованием. Полученную таблетку закрепл ют в корпусе из диэлектрика .

В качестве полимерного св зующего, добавл емого в порошок твердого электролита , может быть использован порошок фторопласта или других полимеров, стойких в среде протон про вод щего электролита в присутствии хлора и хлороводорода. Содержание полимерного св зующего вли ет на сопротивление чувствительного элемента и его механическую прочность. При содержании полимерного св зующего 20-40 мас.% сопротивление чувствительных элементов при усилии прессовани  2,5 тс/см составл ет 20-100 Ом. При этом чувствительные элементы не разрушаютс  при многократном изменении относительной влажности воздуха от 30 до 100%. Падение напр жени  на сопротивлении элемента в исследуемом диапазоне концентраций хлора в воздухе не превышает нескольких дес тков милливольт, что не оказывает существенного впи ни  на потенциалы анода и катода. С уменьшением содержани  полимера снижаетс  механическа  прочность чувствительных элементов. При недостаточной механической прочности и изменении относительной влажности воздуха происходит самопроизвольное расслаивание элемента по электролиту. При содержании полимера выше 40% сопротивление элементов резко возрастает, что нарушает пр мую пропорциональность между концентрацией хлора и выходным сигналом. Поэтому содержание св зующего 20-40 мае %  вл етс  оптимальным .

Чувствительный элемент работает следующим образом.

В отсутствии хлора в воздухе при напр жении 1 В между электродами 2 и 3 протекает фоновый ток, обусловленный побочными реакци ми. При по влении хлора в воздухе он адсорбируетс  на поверхности каталитически активного индикаторного электрода, восстанавливаетс  в присутствии ионов Н+ по реакции

2H++Cl2 + 2e 2HCi,

а образующийс  хлороводород удал етс  в атмосферу. На вспомогательном электроде происходит разложение поглощаемых из атмосферы воздуха парив воды по схеме

Н20 2Н++1/202 + 2е

(2)

с удалением в атмосферу кислорода и миграцией к катоду ионов водород

10 П р и м е р. В пресс-форму диаметром 18 мм засыпают смесь порошков, состо щую из 1 г гид рати ро ванного оксида сурьмы разупор доченной структуры состава Sb2Qs (3,0-3,5)Н20 и 0,3 г фторопласта. На обе

15 стороны спрессованной при усипии 5 тс таблетки нанос т слой каталитически активного порошка и затем прессуют при усилии 9 тс, Таблетку монтируют в корпусе из диэлектрика , и с помощью внешнего источника

20 тока на электродах поддерживают посто нное напр жение 1,0 В. При комнатной температуре получена следующа  зависимость силы тока от концентрации хлора в воздухе; Концентраци 

25 хлора в воздухе,

мг/м30 10 100250 1000

Сила тока, мкА 0,13,332 80 320 Из полученных данных следует, что измер ема  сила тока за вычетом фона в широком

30 диапазоне пр мо пропорциональна концентрации хлора в воздухе.

Пр ма  пропорциональность между выходным сигналом чувствительного элемента и концентрацией хлора в воздухе сохран 35 етс  и при других температурах, В интервале температур (-15) - (30)°С при концентрации хлора в воздухе 250 мг/м получена следующа  зависимость: Температура, °С -150 2030

40Сила тока, мкА466280100

Она имеет линейный характер, что позвол ет учесть температурную поправку при измерени х концентрации хло ра в воздухе в области температур, отличных от комнат45 ных.

Быстродействие чувствительного элемента , определ емое как 90% от установившейс  силы тока при концентрации хлора в воздухе 250 мг/м3 составл ет 30-35 с.

50 Таким образом, использование изобретени  по сравнению с прототипом позвоп - ет упростить технологию изготовлени  чувствительных элементов (отпадает необходимость в использовании платиновой

Claims (1)

1. 55 сетки со слоем хлорида серебра) и эксплуатации (благодар  высокой электропроводности электролита элемент эксплуатируют в амперометрическом режиме), а также повысить их стабильность so времени (продукты реакции удал ютс  в атмосферу), Предлагаемый чувствительный элемент может быть основой миниатюрного электрохимического газоанализатора дл  определени  хлора в промышленных и природных объектах Формула изобретени  Чувствительный элемент газоанализатора хлора в воздухе, состо щий из твердого электролита с унипол рной проводимостью по чужеродным к хлору ионам и каталитически активных электродов, отличающийс  тем, что, с целью упрощени 

   технологии изготовлени  м условий эксплуатации чувствительного элемента и повышени  стабильности его работы, в качестве твердого электролита используют про- тонпровод щий электролит на основе гидратированного оксида сурьмы разупо- р доченной структуры состава SbaOs (3,0- 3,5) НаО с добавкой полимерного св зующего в количестве, мас.%: Sb20s (3,0-3,5) Н2060-80

   Полимерное св зующее 20-40.

   +

   /&