Датчик для определения концентрации хлора в воздухе

(19) (762214 А ический ин брьской со им. тиерасименко, ева, А. Н,Як ликов 92614,в,ельство СССР 27/46, 1983.ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(71) Киевский политехн50-летия Великой Октческой революции(56) Патент США ч. 44кл, 6 01 И 27/58, 1985Авторское свидетч 1188623, кл. 6 01 М Изобретение относится к аналитическому приборостроению, в частности к электро- химическим газоанализаторам для определения концентрации хлора в атмосферном воздухе и технологических газах, может быть использовано в промышленной санитарии и для контроля технологических процессов при производстве хлора в химических и других отраслях промышленности.Известен датчик хлора потенциометрического 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 осуществляют прессованием указанныксолей в потоке сухого азота, пайкой контактов из золотой проволоки, нанесением тонких слоев платины или палладия на обестороны диска из электролита с последующим хранением в сухом газе,(5)5 О 01 Н 27/406(54) ДАТЧИК ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ХЛОРА В ВОЗДУХЕ(57) Использование: аналитическое приборостроение, электрохимические газоанализаторы для определения концентрации хлора в воздухе и в технических газах, Сущность изобретения: чувствительный элемент датчика выполчен из твердого протонпроводящего электролита с индикатор эетродо из порошка британа, активированного составом, мол.: диоксиды рутения 1-5; титан 95-99, и вспомогательного электрода из порошка титана, активированного диоксидом рутения. 1 ил,остатками датчика являются необходимость осушки пробы анализируемого газа, подачи эталонного газа на вспомогательный электрод и поддержания темпеоатуры эксплуатации датчика на уровне 230"С.Известен датчик потенциометрического типа для определения концентрации хлора в воздухе, в котором в качестве электролита используют хлориды стронция и калия, индикаторного электрода - диоксид рутения и вспомогательного электрода - смесь серебра и его хлорида, Датчик эксплуатируют при температуре 260 С, Во избежание гидратации электролита парами воды, поглощаемыми из воздуха при температуре окружающей среды, он должен храниться в герметичных условиях. Срок службы датчика при эксплуатационной температуре 260 - 280 С составляет около одного месяца. При снижении температуры ухудшается быстро 17622145 10 15 20 25 30 35 40 4550 55 действие датчика, а при повышении ее - снижается время жизни датчика,Наиболее близким к предлагаемому является датчик для измерения концентрации хлора в газах, чувствительный элемент которого содержит каталитически активные электроды из платины и слой твердого электролита на основе эвтектической смеси хлоридов лития и цезия с добавкой окиси алюминия. При температуре 300 - 310 С и редста вл я ется возмокн ым эксплуати ровать датчик в амперометрическом режиме благодаря более высокой электропроводности твердого электролита по сравнению с известными,Недостатками этого датчика являются гидратация электролита при температуре окружающей среды и быстрый выход из строя каталитически активных электродов при эксплуатационной температуре 300 - 310 С. Изготовление таких датчиков является сложным процессом, так как должно осуществляться в сухой атмосфере,Целью изобретения является упрощение технологии изготовления и эксплуатации датчика концентрации хлора в воздухе амперометрического типа, увеличение срока его службы, снижение расхода драгметаллов и повышение селективности по хлору,Поставленная цель достигается тем, что чувствительный элемент датчика выполнен иа основе твердого протонпроводящего электролита, а индикаторный электрод - из порошка титана, активированного диоксидом рутения (1 - 5 мол, ,) и диоксидом титана (95 - 99 мол,)",),Из литературы неизвестны датчики концентрации хлора в воздухе амперометрического типа на основе протонпроводящих твердых электролитов с индикаторным электродом из диоксидов рутения и титана,Положительный эффект при использовании настоящего изобретения возникает благодаря применению протонпроводящих электролитов с высокой электропроводностью при температуре окружающей среды и индикаторного электрода, представляющего собой смесь диоксидов рутения 1 - 5 мол,%) и титана (95 99 мол,%), нанесенную на порошок металлического титана.Использование протонпроводящих электролитов с высокой электропроводностью при температуре окружающей среды позволило создать датчик для определения концентрации хлора в воздухе амперометрического типа, который эксплуатируется без специального подорева. Это упрощает конструкцию датчика и технологию изготовления, увеличивает срок службы индикаторного электрода, не приводит к выходу иэ строя при прекращении-подачи электроэнергии,Применение индикаторного электрода указанного состава. в отличие от известных электродов из платины, иридия или диоксида рутения обеспечивает в определенной, в зависимости от рабочего напряжения, области потенциалов протекание только реакции восстановления хлора и резкое торможение реакции восстановления кислорода и других примесей. Это позволяет реализовать хлорную реакцию даже в условиях применения электролита, не содержащего ионов хлора, а именно протонпроводящего электролита.Таким образом, благодаря применению твердого электролита с высокой протонной проводимостью при температуре окружающей среды в сочетании с селективным к хлорной реакции индикаторным электродом из диоксидов рутения и титана, обладающего высоким перенапряжением конкурирующей реакции катодного восстановления кислорода, оказалось возможным создание датчика для определения концентрации хлора в воздухе амперометрического типа без специального подогрева,Схема предлагаемого датчика для определения концентрации хлора в воздухе представлена на чертеже. В корпус из диэлектрика 1 вмонтирован чувствительный элемент датчика, который состоит из индикаторного электрода 2, протонпроводящего электролита 3 и вспомогательного электрода 4. Чувствительный элемент датчика соединен с источником постоянного тока 5, который поддерживает заданное падение напряжения на электродах 2 и 4. Датчик снабжен измерителем силы тока 6. Изобретение выполняется следующим образом, В матрицу пресс-формы равномерно засыпают заданное количество металлического порошка титана, активированного диоксидами рутения и титана в количестве, соответственно, в мол.(1 - 5) и(95 - 99), Этот слой выполняет функции индикаторного электрода 2. Его уплотняют пуансоном и засыпают слой протонпроводя щего электролита 3 с полимерным связующим, например смесь гетерополикислоты и порошка фторопласта. После уплотнения пуансоном твердого электролита изготавливают вспомогательный электрод 4 путем засыпки в матрицу, например, слоя порошка гитана с активным слоем из диоксида рутения и прессуют с удельной нагрузкой порядка 4 тс/см . Чувствительный элемент может быть закрепленв корпусе из диэлектрика после или в процессе прессования.Нанесение диоксидов титана и рутения нэ порошок титана осуществляют любым известным методом, например, термохимическим. Порошок титана обезжиривэют, травят серной кислотой, промывают водой, сушат и пропитывают раствором, содержащим гидроксихлорид рутения и четыреххлористый титан кон центра ции соответственно 100 г/л и 500 гл, Затем осуществляют:ушку при 100 - 100 С и прокалку при 450 - 460 С, в процессе которой на поверхности порошка титана формируется активный слой из диоксидов рутения и титана.Датчик работает следующим образом.При поддержании постоянного значения напряжения между электродами 2 и 4 в воздушной атмосфере протекает фоновый ток, обусловленный реакцией восстановления кислорода:02+ 4 Н + 4 е = 2 Нх 0 (1) При появлении в воздухе хлора на индикаторном электроде 2, соединенным с отрицательным полюсом источника постоянного тока 5, происходит восстановление хлора по реакцииС 2+ 2 Н+ 2 е = 2 НС, (2) а образующийся хлористый водород удаляется в воздух. Для выбранного индикаорного электрода величина фонового тока намного меньше силы тока, протекающего в присутствии хлора. В реакции (2) потребляются ионы водорода, генерация которых осуществляется на вспомогательном электроде при анодном разложении воды, содержащейся в воздушной атмосфере в виде пара, согласно уравнению2 Н 20 = 4+ 02+ 4 е, (3) На электрсдах поддерживают напряжение, при котором величина тока прямо пропорциональна концентрации хлора в воздухе.П р и м е р, В пресс-форме диаметром 18 мм при усилии прессования 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 рутения (3 мол.,Ь) и титана (97 мол.%), слоя протонпроводящего электролита (смесь 1 г гетерополикислоты и 0,2 г порошка фторопласта) и вспомогательного электрода (1 г порошка титана с активным слоем из диоксида рутения).При напряжении между электродами 1,0 В получена следуюшая зависимость силытока от концентрации хлора в воздухе и От состава покрытия при комнатной температуре:5 1 О 15 20 25 30 35 40 45 50 Чувствительность датчика определяется разностью между величинами полезного сигнала и фонового. Из табл, 1 видно, что при содержании диоксида рутения в количестве 100, 30, 10 мол. Д (примеры 1, 2, 3) при концентрации хлора в воздухе, например, 100 мгlм полезный сигнал превышает фозновый всего лишь на 7-14 мкА, а в случае применения покрытия, содержащего диоксид рутения в количсстве 1 - 5 мол.,4, более чем на 80 мкА (примеры 4, 5, 6), Для этого покрытия при данном напряжении между электродами сила тока прямо пропорционали а концентрэции хлора в воздухе После перерьва в подаче электроэнергии и изменения температуры датчики с выбранными индикаторными электродами воспроизвсдили представленные данные с точностью . 5;4,Важной характеристикой датчиков является их селективность в присутствии различных примесей. Предлагаемый датчик с индикаторным электродом из диоксида рутения (1 - 5 мол./а) и титана (95-99 мОл, Ц значительно менее чувствителен к различным примесям, чем датчик с электродами из платины, В табл, 2,приведены результаты сравнительных испытаний двух видов датчиков, в ходе которых на индикаторный электрод подавали насыщенный пар соот. ветствующей жидкости или испытуемый газ концентрации, близкой к 100), при 20 С.Таким образом, использование изобретения по сравнению с прототипом позволяет упростить технологию изготовления чувствительного элемента (отпадает необ- ХОДИМОСТЬ В ИСПОЛЬЗОВаНИИ ЭВТЕКТИЧЕСКИХ смесей, обладающих гигроскопичностью 1, условия их эксплуатации (отсутствие специального устройства для подогрева), увеличить срок службы датчика (за счет снижения температуры), повысить селективность (за счет использования специального состава индикаторного электрода) и снизить расход драгметаллов (в результате замены пластины менее дефицитным рутением и использования в качестве токопроводящей основы порошка титана). Предлагаемый дэ чик для определения концентрации хлора в воздухе прост з изготовлении, удобен и стабилен в эксплуатации, имеет небольшие гаГариты. На его основе может быть изготовлен малогабаритный электре, имический газоанализатор, позволяющий вести оперативный контроль среды в технологических процессах, в производственных помещениях и на открытом воздухе,1762214 Таблица 1 Таблица 2 Формула изобретения Датчик для определения концентрации хлора в воздухе, содержащий чувствительный элемент с индикаторным и вспомогательным электродами и слой твердого электролита между ними, источник постоянного тока и измеритель силы тока, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью упрощения технологии изготовления и условий эксплуатации, увеличения срока службы и селективности, а также снижения расхода драгметаллов, чувствительный элемент выполнен на основе твердого протонпрово дящего электролита, а индикаторный электрод - из порошка титана, активированного составом, мол.,ь:Диоксид рутения 1-5Диоксид титана 95-99.1762214 оставитель 8, Чвирук хред М.Моргентал Корректор Н, Гунько то Заказ 3255 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5роизводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101