Датчик для визначення концентрації хлору в повітрі

Изобретение относится к области аналитического приборостроения, в частности, к электрохимическим газогенераторам для определения концентрации хлора в атмосферном воздухе и технологических газах. Оно 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 о качестве электродов - платину, палладий или их сплавы [1]. Изготовление датчика осуществляют прессованием указанных солей в потоке сухого азота, пайкой контактов из золотой проволоки, нанесением тонких слоев платины или палладия на обе стороны диска из электролита с последующим хранением в сухом газе. Недостатками датчика являются необходимость осушки пробы анализируемого газа, подачи эталонного газа на вспомогательный электрод и поддержания температуры эксплуатации датчика на уровне 230°C. Наиболее близким к изобретению 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 [2]. При температуре 300 310°C представляется возможным эксплуатировать 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 эксплутациоиной температуре 300 - 310°C. Изготовление таких датчиков является сложным процессом, так как должно осуществляться в сухой атмосфере. Задачей изобретения является упрощение конструкции датчика, увеличение срока службы, улучшение эксплуатационных характеристик, снижение расхода драгметаллов и повышение селективности по хлору. Поставленная задача достигается тем, что в датчике для определения концентрации хлора в воздухе, содержащем чувстви тельный элемент с индикаторным, и вспомогательным электродами и слой твердого электролита между ними, источник постоянного тока и измеритель силы тока, согласно изобретению, чувствительный элемент выполнен на основе твердого протонпроводящего электролита, а индикаторный электрод - из порошка титана, активированного составом, мол.%: 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 подогрева. Это упрощает конструкцию датчика и технологию изготовления, увеличивает срок службы индикаторного электрода, из приводит к выходу из 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 реакций 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 (фиг.). 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 диоксидом рутения и титана в количестве, соответственно, мол.% (1 - 5) и (95 - 99). Этот слой выполняет функции индикаторного электрода 2. Его уплотняют пуансоном и засыпают слой протонпроводящего электрода 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 титана с активным слоем из диоксида рутения и прессуют с удельной нагрузкой порядка 4тс/см 2. Чувствительный элемент может быть закреплен в корпусе из диэлектрика после или в процессе прессования. Нанесение диоксидов титана и рутения на порошок титана осуществляют любым известным методом, например, термохимическим. Порошок титана обезжиривают, травят серной кислотой, промывают водой, сушат и пропитывают раствором, содержащим гидроксихлорид рутения и четыреххлористый титан концентрации соответственно 100г/л и 500г/л. Затем осуществляют сушк у при 100 - 110°C и прокалку при 450 - 460°C, 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 При появлении в воздухе хлора на индикаторном электроде 2, соединенным с отрицательным полюсом источника постоянного тока 5, происходит восстановление хлора по реакции а образующийся хлористый водород удаляется в воздух. Для выбранного индикаторного 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 уравнению На электродах поддерживают напряжение, при котором величина тока прямо пропорциональна концентрации хлора в воздухе. Пример. В пресс-форме диаметром 18мм при усилии прессования 9тс изготовлен чувствительный элемент датчика концентрации хлора в воздухе. Элемент состоит из индикаторного электрода (1г порошка титана фракцией - 0,18 - 0,08мм с активным слоем из диоксидов рутения (3мол.%) и титана (97мол.%)), слоя протонпроводящего электролита(смесь 1г гетерополикислоты и 0,2г порошка фторопласта) и вспомогательного электрода (1г порошка титана с активным слоем из диоксида рутения). При напряжении между электродами 1,0В получена следующая зависимость силы тока от концентрации хлора в воздухе и от состава покрытия при комнатной температуре (табл.1). Чувствительность датчика определяется разностью между величинами полезного сигнала и фонового. Из табл.1 видно, что при содержании диоксида рутения в количестве 100, 30, 10мол.% (примеры 1, 2, 3) при концентрации хлора в воздухе, например, 100мг/м 3 полезный сигнал превышает фоновый всего лишь на 7 - 14мкА. Тогда как в случае покрытия, содержащего диоксид рутения в количестве 1 - 5мол.%, более чем на 80мкА (примеры 4, 5, 6). Для этого покрытия при данном напряжении между электродами сила тока прямо пропорциональна концентрации хлора в воздухе. После перерыва в подаче электроэнергии и изменении температуры датчики с выбранными индикаторными электродами воспроизводили представленные данные с точностью ±5%. Важной характеристикой датчиков является их селективность в присутствии различных примесей. Предлагаемый датчик с индикаторным электродом из диоксида рутения (1 - 5мол.%) и титана (95 99мол.%) значительно менее чувстви телен 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 соответствующей жидкости или испытуемый газ концентрации, близкой к 100%, при 20°C. Таким образом, использование настоящего изобретения по сравнению с прототипом позволяет упростить технологию изготовления чувствительного элемента (отпадает необходимость в использовании эвтектических смесей, обладающих гигроскопичностью), 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 платины менее дефицитным рутением и использования в качестве токопроводящей основы порошка титана). Предлагаемый датчик для определения концентрации хлора в воздухе прост в изготовлении, удобен и стабилен в эксплуатации, имеет небольшие габариты. На его основе может быть изготовлен малогабаритный электрохимический газогенератор, позволяющий вести оперативный контроль среды в технологических процессах, в производственных помещениях и на открытом воздухе.