SU1762214A1 - Датчик дл определени концентрации хлора в воздухе - Google Patents

Abstract

Использование: аналитическое приборостроение , электрохимические гвгоанали- заторы дл  определени  концентрации хлора в воздухе и в технических газах. Сущность изобретени : чувствительный элемент датчика выполнен из твердого протон про вод щего электролита с индикаторным электродом из порошка титана, активированного составом, мол.%: диоксиды рутени  1-5; титан 95-99, и вспомогательного электрода из порошка титана, аюивиро- ванного диоксидом рутени . 1 ит.

Description

t

Изобретение относитс  к аналитическому приборостроению, в частности к электро- химическим газоанализаторам дл  определени  концентрации хлора в атмосферном воздухе и технологических газах, может быть использовано в промышленной санитарии и дл  контрол  технологических процессов при производстве хлора в химических и других отрасл х промышленности.

Известен датчик хлора потенциометриче- ского типа, в котором в качестве электролита используют двухлористое олово, хлористый свинец или хлористый барий, а в качестве электродов - платину, палладий или их сплавы. Изготовление датчика осуществл ют прессованием указанныхсолей в потоке сухого азота, пайкой контактов из золотой проволоки, нанесением тонких слоев платины или паллади  на обе-стороны диска из электролита с последующим хранением в сухом газе.

Недостатками датчика  вл ютс  необходимость осушки пробы анализируемого газа, подачи эталонного газа на вспомогательный электрод и поддержани  температуры эксплуатации датчика на уровне 230°С.

Известен датчик потенциометрического типа дл  определени  концентрации хлора в воздухе, в котором в качестве электролита используют хлориды стронци  и кали , индикаторного электрода - диоксид рутени  и вспомогательного электрода - смесь серебра и его хлорида. Датчик эксппуатируют при температуре 260°С. Во избежание гидратации электролита парами воды, поглощаемыми из воздуха при температуре окружающей среды, он должен хранитьс  в герметичных услови х. Срок службы датчика при эксплуатационной температуре 260- 280°С составл ет около одного мес ца. При снижении температуры ухудшаетс  быстроО

ю ю

ь

действие датчика, а при повышении ее - снижаетс  врем  жизни датчика.

Наиболее близким к предлагаемому  вл етс  датчик дл  измерени  концентрации хлора в газах, чувствительный элемент которого содержит каталитически активные электроды из платины и слой твердого электролита на основе эвтектической смеси хлоридов лити  и цези  с добавкой окиси алюмини . При температуре 300 - 310°С представл етс  возможным эксплуатировать датчик в амперометрическом режиме благодар  более высокой электропроводности твердого электролита по сравнению с известными.

Недостатками этого датчика  вл ютс  гидратаци  электролита при температуре окружающей среды и быстрый выход из стро  каталитически активных электродов при эксплуатационной температуре 300 - 310°С. Изготовление таких датчиков  вл етс  сложным процессом, так как должно осуществл тьс  в сухой атмосфере.

Целью изобретени   вл етс  упрощение технологии изготовлени  и эксплуатации датчика концентрации хлора в воздухе амперометрического типа, увеличение срока его службы, снижение расхода драгметаллов и повышение селективности по хлору.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что чувствительный элемент датчика выполнен на основе твердого протонпровод щего электролита, а индикаторный электрод - из порошка титана, активированного диоксидом рутени  (1-5 мол.%) и диоксидом титана (95-99 мол.%).

Излитературы неизвестны датчики концентрации хлора в воздухе амперометрического типа на основе протонпровод щих твердых электролитов с индикаторным электродом из диоксидов рутени  и титана.

Положительный эффект при использовании насто щего изобретени  возникает благодар  применению протонпровод щих электролитов с высокой электропроводностью при температуре окружающей среды и индикаторного электрода, представл ющего собой смесь диоксидов рутени  (1-5 мол.%)и титана (95- 99 мол.%), нанесенную на порошок металлического титана.

Использование протонпровод щих электролитов с высокой электропроводностью при температуре окружающей среды позволило создать датчик дл  определени  концентрации хлора в воздухе амперометрического типа, который эксплуатируетс  без специального подогрева. Это упрощает конструкцию датчика и технологию изготовлени , увеличивает срок службы индикаторного электрода, не приводит к выходу из стро  при прекрэщении- лодачи электроэнергии .

Применение индикаторного электрода

указанного состава, в отличие от известных электродов из платины, ириди  или диоксида рутени  обеспечивает в определенной, в зависимости от рабочего напр жени , области потенциалов протекание только

реакции восстановлени  хлора и резкое торможение реакции восстановлени  кислорода и других примесей. Это позвол ет реализовать хлорную реакцию даже в услови х применени  электролита, не

содержащего ионов хлора, а именно протонпровод щего электролита.

Таким образом, благодар  применению твердого электролита с высокой протонной проводимостью при температуре окружающей среды в сочетании с селективным к хлорной реакции индикаторным электродом из диоксидов рутени  и титана, обладающего высоким перенапр жением конкурирующей реакции катодного восстановлени  кислорода, оказалось возможным создание датчика дл  определени  концентрации хлора в воздухе амперометрического типа без специального подогрева.

Схема предлагаемого датчика дл  определени  концентрации хлора в воздухе представлена на чертеже. В корпус из диэлектрика 1 вмонтирован чувствительный элемент датчика, который состоит из индикаторного электрода 2, протонпровод щего

электролита 3 и вспомогательного электрода 4. Чувствительный элемент датчика соединен с источником посто нного тока 5, который поддерживает заданное падение напр жени  на электродах 2 и 4. Датчик

снабжен измерителем силы тока 6.

Изобретение выполн етс  следующим образом, В матрицу пресс-формы равномерно засыпают заданное количество металлического порошка титана, активированного диоксидами рутени  и титана в количестве, соответственно, в мол.% (1 -5) и (95-99). Этот слой выполн ет функции индикаторного электрода 2. Его уплотн ют пуансоном и засыпают слой протонпровод щего электролита 3 с полимерным св зующим, например смесь гетерополикислоты и порошка фторопласта. После уплотнени  пуансоном твердого

электролита изготавливают вспомогательный электрод 4 путем засыпки в матрицу, например, сло  порошка титана с активным слоем из диоксида рутени  и прессуют с удельной нагрузкой пор дка 4 тс/см2. Чувствительный элемент может быть закреплен

в корпусе из диэлектрика после или в процессе прессовани .

Нанесение диоксидов титана и рутени  на порошок титана осуществл ют любым известным методом, например, термохимическим . Порошок титана обезжиривают, трав т серной кислотой, промывают водой, сушат и пропитывают раствором, содержащим гидроксихлорид рутени  и четыреххло- ристыйтитан концентрации соответственно 100 г/л и 500 г/л. Затем осуществл ют сушку при 100 - 100°С и прокалку при 450 - 460°С, в процессе которой на поверхности порошка титана формируетс  активный слой из диоксидов рутени  и титана.

Датчик работает следующим образом.

При поддержании посто нного значени  напр жени  между электродами 2 и 4 в воздушной атмосфере протекает фоновый ток, .обусловленный реакцией восстановлени  кислорода:

02 + 4Н+ + 4е 2 НгО(1)

При по влении в воздухе хлора на индикаторном электроде 2,соединенным с отрицательным полюсом источника посто нного тока 5, происходит восстановление хлора по реакции

Cl2 + 2H+ + 2e 2 HCI,(2)

а образующийс  хлористый водород удал етс  в воздух. Дл  выбранного индикаторного электрода величина фонового тока намного меньше силы тока, протекающего в присутствии хлора. В реакции (2) потребл ютс  ионы водорода, генераци  которых осуществл етс  на вспомогательном электроде при анодном разложении воды, содержащейс  в воздушной атмосфере в виде пара, согласно уравнению

2Н20 + 4е.(3)

На электродах поддержиаают напр жение , при котором величина тока пр мо пропорциональна концентрации хлора в воздухе.

Пример. В пресс-форме диаметром 18 мм при усилии прессовани  9 тс изготовлен чувствительный элемент датчика концентрации хлора в воздухе. Элемент состоит из индикаторного электрода (1 г порошка титана фракцией - 0,18 + 0,08 мм с активным слоем из диоксидов рутени  (3 мол.%) и титана (97 мол.%), сло  протонпро- вод щего электролита (смесь 1 г гетерополи- кислоты и 0,2 г порошка фторопласта) и вспомогательного электрода (1 г порошка гитана с активным слоем из диоксида рутени ).

При напр жении между электродами 1,0 8 получена следующа  зависимость си- лы токз от концентрации хлора в воздухе и от состава покрыти  при комнатной температуре:

Чувствительность датчика определ етс  разностью между величинами полезного сигнала и фонового. Из табл. 1 видно, что при содержании диоксида рутени  в количестае 100, 30, 10 мол.% (примеры 1, 2, 3) при концентрации хлора в воздухе, например, 100 мг/м полезный сигнал превышает фоновый всего лишь на 7-14 мкА, а в случае применени  покрыти , содержащего диоксид рутени  в количестве 1 - 5 мол.%, более чем на 80 мкА (примеры 4, 5, 6). Дл  этого покрыти  при данном напр жении между электродами сила тока пр мо пропорциональна концентрации хлора в воздухе.. Поеле перерыва в подаче электроэнергии и изменени  температуры датчики с выбранными индикаторными электродами воспроизводили представленные данные с точностью ± 5%.

Важной характеристикой датчиков  вл етс  их селективность в присутствии различных примесей. Предлагаемый датчик с индикаторным электродом из диоксида рутени  (1-5 мол.%) и титана (95-99 мол.%)

значительно менее чувствителен к различным примес м, чем датчик с электродами из платины. В табл. 2.приведены результаты сравнительных испытаний двух видов датчиков , е ходе которых на индикаторный

электрод подавали насыщенный пзр соответствующей жидкости или испытуемый газ концентрации, близкой к 100%, при 20°С.

Таким образом, использование изобретени  по сравнению с прототипом позвол ет упростить технологию изготовлени  чувствительного элемента (отпадает необходимость в использовании эвтектических смесей, обладающих гигроскопичностью),

услови  их эксплуатации (отсутствие специального устройства дл  подогрева), увеличить срок службы датчика (за счет снижени  температуры), повысить селективность (за счет использовани  специального состава

индикаторного электрода) и снизить расход драгметаллов (в результате замены пластины менее дефицитным рутением и использовани  в качестве токопровод щей основы порошка титана).

5

Предлагаемый датчик дл  определени  концентрации хлора в воздухе прост з изго- товлении,удобен и стабилен в эксплуатации , имеет небольшие гаГариты. На его основе может быть изготовлен малогабаритный электрохимический газоанализатор , позвол ющий вести оперативный контроль среды в технологических процессах , в производственных помещени х и на открытом воздухе.

Claims (1)

1. Формула изобретени  Датчик дл  определени  концентрации хлора в воздухе, содержащий чувствительный элемент с индикаторным и вспомогательным электродами и слой твердого электролита между ними, источник посто нного тока и измеритель силы тока, отличающийс  тем, что, с целью упрощени  технологии изготовлени  и условий эксплуатации , увеличени  срока службы и селективности , а также снижени  расхода драгметаллов , чувствительный элемент выполнен на основе твердого протонпрово- д щего электролита, а индикаторный электрод - из порошка титана, активированного составом, мол.%:

   Диоксид рутени 1-5

   Диоксид титана95-99.

   Таблица 1

   Таблица 2

   V

   1