Способ определения концентрации примесей восстановителей в исследуемом материале с помощью твердоэлектролитной ячейки

 

Использование: в аналитическом приборостроении, в частности, при анализе воды. Сущность изобретения: содержание кислорода и восстановителей определяют с помощью твердоэлектролитной ячейки. К электродам ячейки прилагают фиксированное постоянное напряжение. Рабочую камеру, которую предварительно герметизируют, соединяют с известным объемом анализируемой воды. Испаряют воду и измеряют количество электричества, прошедшего через ячейку за определенный интервал времени. С учетом данного количества электричества и известного объема анализируемой воды определяют концентрацию примесей. 1 ил.

Изобретение относится к аналитическому приборостроению и используется, в частности, при анализе воды. Изобретение может быть наиболее эффективно использовано для определения кислорода в морской и пресной воде, а также для определения химического потребления кислорода в технологической и сточной воде.

Известен способ определения кислорода в воде [1] заключающийся в отборе пробы воды известного объема, из которой растворенный кислород извлекается с помощью газа-носителя (азота или инертного газа). Извлеченный кислород определяется с помощью кулонометрических твердоэлектролитных ячеек, причем для сигнализации об окончании отдувки кислорода из пробы воды служит потенциометрическая твердоэлектролитная ячейка.

Основным недостатком этого способа является сложность аппаратурного оформления.

Наиболее близким к предлагаемому является способ измерения примесей восстановителей по количеству кислорода, пошедшему на их окисление, т.е. по химическому потреблению кислорода (ХПК) [2] Для определения используется твердоэлектролитная ячейка, к электродам которой прикладывают напряжение постоянного тока, а в рабочую камеру ячейки подают анализируемый газ с постоянной скоростью и по току, прошедшему через твердоэлектролитную ячейку, судят о ХПК и соответственно о концентрации восстановителей.

Недостатком способа является узкая область его применения, ограниченная только определением ХПК и только в газе.

Целью изобретения является расширение диапазона исследуемых материалов на воду, а исследуемых примесей на кислород.

Концентрацию примесей определяют с помощью твердоэлектролитной ячейки. К электродам ячейки прикладывают постоянное напряжение, при этом отрицательный полюс источника напряжения соединен с электродом рабочей камеры, а значение напряжения определяют по формуле U ln где R газовая постоянная; Т рабочая температура ячейки; 4F количество электричества, необходимое для электрохимического переноса 1 моля кислорода; P парциальное давление воды в рабочей камере ячейки; К_р константа равновесия реакции образования воды; Р₂ парциальное давление кислорода в сравнительной ячейке.

Рабочую камеру ячейки герметизируют, устанавливают ток, равный нулю, соединяют рабочую камеру с известным объемом исследуемой воды, испаряют воду и одновременно регистрируют ток. Определяют количество электричества, прошедшего через твердоэлектролитную ячейку с момента соединения рабочей камеры ячейки с объемом исследуемой воды до момента установления тока через ячейку, равного нулю. Концентрацию примесей восстановителей или кислорода рассчитывают по количеству электричества и известному объему исследуемой воды.

На чертеже изображено устройство для реализации способа.

Устройство содержит твердоэлектролитную трубку 1, имеющую однополярную кислородоионную проводимость, клапан 2, электроды 3 и 4, нагреватель 5, испаритель 6, емкость 7 известного объема с водой, кран-переключатель 8, источник 9 постоянного напряжения, измеритель 10 количества электричества, рабочую камеру 11 твердоэлектролитной ячейки и сравнительную камеру 12.

Способ осуществляется следующим образом.

С помощью нагревателя 5 нагревают твердоэлектролитную трубку 1 до 600-900^оС в области электродов 3 и 4. Герметично закрывают рабочую камеру. На электроды 3 и 4 подают напряжение (минус к электроду рабочей камеры).

Рабочую температуру выбирают равной 1000 К, а общее давление в рабочей камере поддерживается близким к атмосферному, P= 1 атм.

Учитывая, что lgK_p (13008/Т 2,947), а сравнительная среда воздух (Р₂ 0,2 атм), после подстановки в формулу имеем U+0,298 В.

Под действием приложенного напряжения через твердый электролит в общем случае потечет ток, который через некоторое время примет значение, равное нулю.

После этого с помощью крана-переключателя соединяют анализируемую пробу известного объема с внутренней камерой. Испаряют пробу с помощью испарителя 6. Парообразная вода вместе с содержащимся в ней кислородом либо восстановителями будет поступать к электроду 4 рабочей камеры, и в случае определения кислорода последний начнет извлекаться через твердый электролит из рабочей камеры, а в случае определения восстановителей кислород начнет переноситься через твердый электролит в рабочую камеру и взаимодействовать с восстановителями до тех пор, пока восстановители не окислятся полностью. В обоих случаях показателем окончания процесса будет значение тока, равное нулю. Следует сказать, что полярность тока будет в этих случаях различной. Для того, чтобы в рабочей камере не создавалось большое давление, на выходе из твердоэлектролитной трубки установлен клапан, поддерживающий давление постоянным. Скорость испарения анализируемой воды подбирается экспериментально. Аналитическим сигналом, характеризующим либо содержание кислорода, либо химическое потребление кислорода при определении восстановителей, является количество электричества, по которому в соответствии с законом Фарадея и с учетом известного объема пробы воды рассчитывается либо концентрация кислорода, либо химическое потребление кислорода.

Экспериментально установлено, что данный способ пригоден для определения кислорода в воде в диапазоне концентраций от 0,1 до 20 мг/л с относительной погрешностью не более ± 10% а при определении восстановителей диапазон по ХПК составляет 10-1000 мг/л при той же относительной погрешности. Время анализа в обоих случаях составляет 5-10 мин.

Применение способа обеспечивает по сравнению с прототипом возможность определения кислорода и восстановителей в воде. Добавим, что, располагая между емкостью с анализируемой пробой и внутренней камерой твердоэлектролитной ячейки хроматографическую колонку с соответствующим сорбентом, можно определять кислород и восстановители при их совместном присутствии в анализируемой воде.

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ПРИМЕСЕЙ ВОССТАНОВИТЕЛЕЙ В ИССЛЕДУЕМОМ МАТЕРИАЛЕ С ПОМОЩЬЮ ТВЕРДОЭЛЕКТРОЛИТНОЙ ЯЧЕЙКИ, к электродам которой приложено постоянное напряжение, при этом отрицательный полюс источника напряжения соединен с электродом рабочей камеры, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона исследуемых материалов на воду, а исследуемых примесей на кислород, к электродам ячейки прилагают напряжение U, значение которого определяют из условия где R газовая постоянная;
T рабочая температура ячейки;
4F количество электричества, необходимое для электрохимического переноса 1 моль кислорода;
парциальное давление воды в рабочей камере ячейки;
K_р константа равновесия реакции образования воды;
P₂ парциальное давление кислорода в сравнительной ячейке,
герметизируют рабочую камеру ячейки, устанавливают ток, равный нулю, соединяют рабочую камеру с известным объемом исследуемой воды, испаряют воду и одновременно регистрируют ток, определяют количество электричества, прошедшего через твердоэлектролитную ячейку, с момента соединения рабочей камеры ячейки с объемом исследуемой воды до момента установления тока через ячейку, равного нулю, причем концентрацию примесей восстановителей или кислорода рассчитывают по количеству электричества и известному объему исследуемой воды.

РИСУНКИ

Рисунок 1