Чувствительный элемент газоанализатора хлора в воздухе

 

Использование1 аналитическое ростроение, в частности электрохимические газоанализаторы хло ра в воздухе промышленных предприятий. Сущность изобретения: чувствительный элемент амперометрическоготипа выполнен на основе протонпроводящего твердого электролита из гидратированного оксида сурьмы разупорядочечной структуры состава Sh20s

союз соВетских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК,, SU „, 1755165A1 (st)s 6 01 N 27/406

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Изобретение относится к аналитическо- тельных йлементов при 230-260 С, сложная му приборостроению, в частности к электро- . технология изготовления. Изготовление химическим газоанализаторам для элементов осуществляЮт прессованием в определения концентрации хлора в воздухе потоке сухого азота," пайкой проволочных и технологических газах, и может быть ис- токоподводов из драгметаллов, нанесением

1 пользовано в промышленной санитарии, на обе стороны диска из твердого эл ктромониторинге окружающей среды, для конт- лита тонких слоев каталитическй активных роля технолотических процессов при произ- электродов из платины или йалладйя"с поводстве и переработке хлора в химической следующим хранением в сухом газе во избеи других отраслях промышленности, жание гидратации"-TBGpp0I эЛектролита.

Известен чувствительный элемент на Из-за низкой электропроводности перечисоснове твердых электролитов из двухлори-". ленных твердых "электролитбв ripe 230стого олова, хлористого свинца или хлори- 260 С определение концентрации хлора в стого бария (1), оксида цинка с добавкой воздухе осуществляют по величине ЭДС, 0,1 — 40 / хлорида золота (2), хлоридов строк- возникающей между индикаторным электция и калия (3). В качестве каталитически родом и электродом, на который подают газ активных электродов в этих элементах ис- с заданным содержанйем хлора. В этом репользуются платина, иридий, диоксид руте- жиме измерения величина ЭДС прямо прония или сплавы платины и иридия, порциональна логарифму концентрации

Недостатками чувствительных элемен- хлора в воздухе, что снижает точность опретов на основе перечисленных электролитов деления. являются гигроскопичность твердых элект- Наиболее близким к изобретению по ролитов, необходимость специальных технической сущности и достигаемому реустройств для термостатирования чувстви- зультату является чуне вительный элемент

1 (21) 4795450/25 (22) 27.02.90 (46) 15.08.92, Бюл. ¹ 30 (71) Киевский политехнический институт им.

50-летия Великой Октябрьской социалистической революции (72) В,П. Чвирук, Т.А, Карасева, А.В, Городыский, А.Ф, Мазанко, M.À. Герасименко, С.В. Нефедов, M.Н. Ключников и О.В, Линючева: (56) Патент США

N. 4492614, кл. 6 01 N 27/58, 1985.

Авторское свидетельство СССР № 1422912, кл. Н 01 M 6/18, 1987. (54) ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕУЕНТ ГАЗО

АНАЛИЗАТОРА ХЛОРА В ВОЗДУХЕ (57) Использование: аналитическое приборостроение, в частности электрохимические газоанализаторы "хло*ра в вбздухе промышленных предприятий. Сущность и зоб ре те ни я. чувствител ьный элемент амперометрического типа выполнен на основе протонпроводящего твердого электролита из гидратированного оксида сурьмы разупорядоченной структуры состава SbzOs (3,0-3,5) Н20 с добавкой полимерного связующего и каталитически активных электродов, I ил, 10

50 электрохимического газоанализатора койцентрации хлора в воздухе, в котором йспользуют твердый электролит с унипол|ярйой йроводимостью по ионам, чужеродным к хлору, а именно — алюминат серебра (4). ЗДС чувствительного элемента определяется вторичным равновесием реакции восстановления хлора, причем твердый электролит обладает ионной проводимостью по ионам серебра, которые являются чужеродными по отнойению к определяе мому компоненту — хлору:

Недостатком этого решения является

" высокое удельное сопротивление твердого электролита при температуре окружающей среды, что не позволяет эксплуатировать чувствительный элемент на его основе в более простом и надежном амперометрическом режиме. Кроме тОго; при длительном воздействии хлора один из основных комп6йентов системы — серебро — превращает ся в его хлорид, в результате чего сокращается срок службы чувствительного элемента и снижается стабильность показаний . > времени, 2

Цель изобретенля — упрощение"технологии изготовления и условий эксплуатации и увеличение срока службы чувствительного элемента газоанализатора хлора в воздухе, Поставленная цель достигается тем,,то 3 в качествЕ электролита чувствительного элемента газоанализатора хлора в воздухе используют чужеродный к хлору твердый электролит с протонной проводимостью на основе гидратированного оксида сурьмы разупорядоченной структуры состава ЯЬ>О (3,0 — 3,5) Н20 с добавкой полимерного связующего, Из литературы не известны чувствительные элементы для определения концентрации хлора в воздухе на основе твердого протонпроводящего электролита, выполненного из гидратированного оксида сурь- мы разупорядоченной структуры.

Пол о>кител ьн ы и эффект и ри испол ьзо- 4 вайии изобретения возникает благодаря применению в качестве чужеродного к хлору и его ионам предложенного твердого электролита с высокой проводимостью по ионам водорода (протонам) при температуре окружающей средь, стабильного в атмосфере воздуха и химически стойкого в присутствии определяемого компонента— хлора и продукта электродной реакции— хлороводорода, что позволяет эксплуатиро- 5 вать чувствительный элемент в амперометрическом режиме без специального подогрева, Чувствительный элемент для определения концентрации хлора в воздухе на основе предлагаемого электролита имеет следующие существенные отличия от известных решений, В предлагаемом чувствительном элементе не применяются расходуемые в процессе эксплуатации вещества и не накапливаются продукты реакции, что повышает их стабильность во времени и увеличивает срок службы. В от)|ичие от чувствительных элементов на основе твердых электролитов с униполярной проводимастью по ионам хлора предлагаемый чувствительный элемент не требует специального подогрева, используемый в нем твердый электролит устойчив в атмосферном воздухе, что упрощает условия хранения |А эксплуатации, Используемый гидратированный оксид сурьмы разупорядоченной структуры состава ЯЬ2О (3,0 — 3,5) Hz0 отличается высокой и стабильной протонной проводимостью— его удельная электропроводность при 20 С составляет 0,055 Ом . см, Этот электролит может быть получен любым известным способом, Другие твердые электролиты с протонной проводимостью пригоднь для изготовления чувствительных элементов в меньшей степени, чем гидра|ированный оксид сурьмы разупорядоченной структуры по причине нестабильной во времени электропроводности и сильной зависимости ed от внешних усло "èé (влажности воздуха, температуры) или низкой устойчивости в присутствии хлора и хлороводорода, Так, например, изготовленный чувствительный элемент на основе протонпроводящего электролита из кислого фосфата циркония оказался работоспособнь м только при

100Я,-ной относительной влажности воздуха, Схема предлагаемого чувствительного элемента для определения концентрации хлора в воздухе представлена на черте>ке, i

Чувствительный элемент состоит из твердого протонпроводящего электролита на основе гидратированного оксида сурьмы разупорядоченной структуры 1, каталитически активных индикаторного 2 и вспомогательного 3 электродов и корпуса из диэлектрика 4. Чувствительный элемент подключен к источнику постоянного тока 5, с помощью которого поддержива|от заданное напряжение между электродами 2 и 3.

Силу тока в цепи измеря|от амперметром 6.

Изобретение выполняется следующим образом, В матрицу пресс-формы равномерным слоем засыпают порошок каталитически активного материала, уплотняют пуансон, затем засыпают слой порошка гидратиро1755165 ванного оксида сурьмы разупорядоченной структуры с полимерным связующим, уплотня!От пуансоном, засыпают слой каталитически активного порошка и осуществляют окончательное прессование, С целью сни- 5 женил расхода каталитически активных веществ, Выполняющих в спрессованном виде функции электродов, они могут быть нанесены тонким слоем на таблетку твердого электролита и закреплены на ее поверхно- 10 сти повторным прессаванием. Полученную таблетку закрепляют в корпусе из дизлектPMKG.

B качестве полимерного связующего, добавляемого в порошок твердого электро- 15

f1i4T8, мОжет 6blTb использован порошок фторапг аста или других полимеров; стойких в среде пратонпроводящего электролита в присутствии хлора и хлароводорода. Содержание полимерного связующего влияет на 20 сопротивление чувствительного элемента и ега механическую прочность. При содержании полимерного связующего 20 — 40 мас.% сопротивление чувствительных элементов при усилии прессования 2,5 тс/см2 состав- 25 ляет 20 — 100 Ом. При этом чувствительные элементы не разрушаются при многократном изменении относительной влажности воздуха от 30 да 100%. Падение напряжения на сопротивлении элемента в исследуе- 30 мом диапазоне концентраций хлора в воздухе не превышает нес. <альких десятков милливольт, что не оказывает существенного влияния на потенциалы анода и катода. С уменьшением содержания полимера сни- 35 жается механическая прочность чувствительных элементов. При недостаточной механической прочности и изменении относительной Влажности воздуха происходит самопроизвольное расслаивание элемента 40 па электролиту. При содержании полимера выше 40% сопротивление элементов резко возрастает, чта нарушает пряму:о пропорциональность между концентрацией хлора и выходным сигналам, Поэтому содержание 45 связующего 20 — 40 мас,% является оптимаг ьным.

Чувствительный элемент работает следующим образом, 50

В отсутствии хлора в воздухе при напряжении 1 В между электрод;-ми 2 и 3 протекает фоновый так, обусловленный побочными реакциями. При появлении хлора в воздухе он адсорбируется на поверхности 55 каталитически активного индикаторного электрода, восстанавливается в присутствии ионов Н па реакции

2Н + Ciz + 2e = 2I- С!, НгО = 2Н + 1/20 + 2е (2) с удалением в атмосферу кислорода и мигРаЦИЕй К КатОДУ ИОНОВ ВОДОРОД

Пример. В пресс-форму диаметром

18 мм засыпают смесь порошков, состоящую из 1 г гидратираваннога оксида сурьмы разупарядоченной структуры состава SbzQs (3,0 — 3,5)H20 и 0,3 r фторапласта. На обе стороны спрессованной при усилии 5 тс таблетки наносят слой каталитически активного порошка и затем прессуют при усилии 9 тс, Таблетку монтируют в корпусе иэ диэлектрика, и с памошью внешнего источника тока на электродах поддер>кивают постоянное напряжение 1,0 В. При комнатной температуре получена следующая зависимость силы тока от концентрации хлора в воздухе;

Концентрация хлора в воздухе, мг/м 0 10 100 250 1000

Сила тока, мкА 0,1 3,3 32 80 320

Из полученных данных следует, что измеряемая сила тока за вычетом фона в широком диапазоне прямо пропорциональна концентрации хлора в воздухе.

Прямая пропорциональность между выходным сигналом чувствительного элемента и концентрацией хлора в воздухе сохраняется и при других температурах, В интервале температур (-15) — (30) С при концентрации хлора в воздухе 250 мг/м получена следующая зависимость;

Температура, С -15 0 20 30

Сил<аз така, мкА 46 62 80 1 00

Она имеет линейный характер, что позволяет учесть температурную поправку при измерениях концентрации хлора в воздухе в области температур, отличных от комнатных, Быстродействие чувствительного элемента, определяемое как 90% от установившейся силы тока. при концентрации хлора в воздухе 250 мг/м составляет 30-35 с.

Таким образом, использование изобретения па сравнению с прототипам позволяет упростить технологию изготовления чувствительных элементов (отпадает необходимость в использовании платиновой сетки со слоем хлорида серебра) и эксплуатации (благодаря высокой злектропровадности электролита элемент эксплуат1л руют в амперометрическам режиме), а также повысить их стабильность ВО времени (продукты реакции удаляются в атмосферу), Предлагаа образующийся хлороводарад удаляется в атмосферу. На вспомогательном электроде . происходит разложение поглощаемых из атмосферы воздуха паров воды по схеме

1755165

Составитель В.Чвирук

Техред M.Mîðãåíòàë

Редактор М,Повхан

Корректор Л.Лукач 3 аказ Л88 Тираж Подписное

: - ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4!5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

7 емый чувствительный элемент может быть основой миниатюрното электрохимического газаанализатора для определения хлора в промышлейных и природных объектах, Формула изобретенйя

Чувствительный элемент газоанализатора. хлора в воздухе, состоящий из твердого электролита с униполярной прово димостью по чужеродным к хлору ионам.и

-каталитйчески активных электродов, о т л ич а i6 шийся тем, что, с целью упрощения технологии изготовления и условий эксплуатации чувствительного элемента и повышения стабильности его работы, в качестве твердого электролита используют про5 тонпроводящий электролит на основе гидратированного оксида сурьмы разупорядоченной структуры состава SbzOs (3,03,5) Н20 с добавкой полимерного связующего в количестве, мас. jo:

10 $Ь20Б (3,0-3,5) Н20 60 — 80

Полимерное связующее 20-40.