Електрохімічна комірка амперометричного типу для визначення вмісту діоксиду вуглецю в повітрі

1. Електрохімічна комірка для визначення вмісту діоксиду вуглецю в повітрі, що містить розді 3 13790 4 доліки обумовлені зменшенням частки оксиду сріПринцип дії комірки гальванічного типу з катабла та збільшенням частки металічного срібла в літично активними електродами з золота при виіндикаторному електроді при роботі комірки, вназначенні концентрації діоксиду вуглецю в повітрі слідок чого змінюються параметри індикаторного полягає в наступному. При відсутності діоксиду електрода. вуглецю в навколишньому повітрі рівноважний чи В основу корисної моделі поставлена задача стаціонарний потенціал індикаторного електроду 1 створення електрохімічної комірки для визначення визначається реакцією за участю адсорбованого вмісту діоксиду вуглецю в повітрі зі стабільними в кисню OS, води та іонів гідроксилу часі струмовими сигналами і високими чутливістю, OS+H2O+2e=2OН-. (1) відтворюваністю і терміном служби шляхом викоЗ появою в навколишньому повітрі діоксиду ристання індикаторного електрода, здатного відтвуглецю відбувається його дифузія через мембраворювати свої властивості в результаті кисневої ну 14 і поглинання приелектродним шаром фонодеполяризації атмосферним повітрям. вого електроліту біля індикаторного електрода зі Поставлена задача вирішується тим, що в споживанням іонів ОН- і утворенням іонів СО32- по електрохімічній комірці для визначення вмісту діореакції ксиду вуглецю в повітрі, що містить розділені се2OН-+CO2=СО32-+Н2О. (2) паратором індикаторний електрод і допоміжний Рівновага реакції (2) описується рівнянням [8] електрод з срібла та його оксиду і фоновий розчин lgPCO2=lg[CO32-]+18,14-2pH. (3) електроліту і розміщені в корпусі з оберненою до Як випливає з рівнянь (2) і (3), при постійній індикаторного електрода газопроникною мембраконцентрації іонів СО32- у рівноважних умовах збіною, новим є те, що індикаторний електрод викольшення парціального тиску CO2 призводить до наний з напресованого на сепаратор дрібнодиспезменшення концентрації іонів ОН- і, відповідно, до рсного золота. Крім того, допоміжний електрод появи катодного струму на індикаторному електкомірки виконаний у вигляді пористої матриці з роді за реакцією (1). порошку титану з добавками срібла та його оксиду. Таким чином, на індикаторному електроді в Така структура допоміжного електрода додає корезультаті протікання реакції (1) у катодному намірці стабільності та механічної міцності. При цьопрямку, і хімічної реакції (2) реалізується сумарний му пори матриці слугують ємністю для фонового процес електроліту. Індикаторний та допоміжний електроCO2+OS+2e=СО32-. (4) ди відокремлені гідрофільним сепаратором, викоВідтворення адсорбованого кисню OS на індинаним із суміші діоксиду цирконію і полімерного каторному електроді відбувається внаслідок дозв'язуючого. сить швидкої реакції хемосорбції атмосферного Таким чином, на відміну від прототипу [7], у кисню з повітря. корисній моделі використаний індикаторний електПри впливі діоксиду вуглецю на індикаторний род з дрібнодисперсного золота, якому притаманні електрод відповідно на допоміжному електроді властивості газодифузійного електрода і на якому комірки протікає анодна реакція перебігає реакція катодного відновлення кисню, 2Ag+СО32-=Ag2CО3+2е. (5) адсорбованого з атмосферного повітря, та порисСтабілізація рН фонового електроліту досягата матриця з титану для допоміжного електроду, ється при взаємодії в допоміжному електроліті що збільшує термін служби і підвищує стабільність оксиду срібла з іонами карбонату комірки. Запропонована двохелектродна комірка Ag2O+СО32-+Н2О↔Ag2CО3+2ОН-. (6) гальванічного типу характеризується постійною З реакцій (4) і (5) випливає, що сумарний проготовністю до роботи, що підвищує швидкодію і цес в комірці описується реакцією роздільну здатність комірки. CО2+OS+2Ag=Ag2CO3, (7) Схема комірки представлена на фігурі. тобто при експлуатації витрачається срібло, Комірки містить індикаторний електрод 1, секількістю якого визначається теоретичний ресурс паратор 2 і допоміжний електрод 3, що просочені комірки. Щодо реакції (6), то вона виконує роль розчином фонового електроліту. Комірка встановстабілізатора рН фонового електроліту. лена в обичайках з діелектрика 4 і фіксується в Показники роботи запропонованої комірки накорпусі 5 кришками 6 і 8, герметизуючою прокладведені в прикладі. кою між ними 7 і стопорним кільцем 9. Діоксид вугПриклад. Двохелектродна комірка згідно Фіг. лецю з навколишнього повітря через захисну сітку виконана у виді спресованої таблетки, містить ін13 і газопроникну мембрану чи мембрану з калібдикаторний електрод 1 з напресованого на сепарованим дифузійним каналом 14 надходить на ратор 50мг дрібнодисперсного золота, сепаратора індикаторний електрод. Струмопідводи 10 і 11 до 2 із суміші порошків діоксиду цирконію і фтороплаіндикаторного і допоміжного електродів з корозійста і допоміжного електрода 3 із суміші 6г порошку ностійкого матеріалу, наприклад, з титану, зовніштитану і 0,6г срібла та 0,2г оксиду срібла. Розрахоніми проводами 12 замкнуті на навантажувальний ваний за законом Фарадея відповідно до реакції резистор 15. Падіння напруги на резисторі 15, яке (5) ресурс допоміжного електроду по сріблу склавимірюється мілівольтметром 16, є мірою струму, де 150мА·год. Фоновим електролітом є розчин 6m що протікає між електродами комірки. К2СО3. Випробовування проводили з мембраною Комірка може бути виконана пошаровим пре14 товщиною 1,5мм із дифузійним каналом діамесуванням функціональних шарів у виді таблетки, тром 0,4мм. У ході випробовувань вольтметром 16 що спрощує її монтаж і додає механічну міцність. вимірювали падіння напруги на резисторі 15 опоПісля виготовлення комірку просочують 5-8m розром 10Ом, по величині якого визначали силу чином карбонату калію при рН12±0,5. струму, що протікає через комірку при заданій 5 13790 6 концентрації діоксиду вуглецю в аналізованому боти при концентрації вуглекислого газу в аналізоповітрі. Наприклад, при вмісті 2% діоксиду вуглецю ваному повітрі 2%. При випробовуваннях визначав повітрі падіння напруги на резисторі склало ли час відгуку комірки 0,9 (час досягнення 90% від 0,2мВ, що відповідає силі струму 20мкА чи нормусталого струмового сигналу після подачі діоксиду ванню сигналу 10мкА/% CО2. вуглецю), діапазон концентрації діоксиду вуглецю, Нормування струмового сигналу сенсору при в якому зберігається лінійність струмового сигналу концентрації CО2 0,5; 1; 2 і 5% відповідало від концентрації, нормування сигналу та кількість 10мкА/% CО2, а при концентрації CО2 10% електрики, що пройшло через комірку за 100год. 8мкА/% CО2, тобто лінійність струмового сигналу Результати випробовувань комірок приведені сенсора зберігалася в діапазоні концентрацій СО2 в таблицях. 0,1-5%. Також проводили випробовування після виготовлення комірок і після 100год. безперервної роТаблиця Показники Перехідний час, 0,9, с після виготовлення після 100год. експлуатації комірки при 2% СО2 Нормування сигналу, мкА/% СО2 після виготовлення після 100год. експлуатації комірки при 2% СО2 Діапазон лінійності, % СО2 після виготовлення після 100год. експлуатації комірки при 2% СО2 Кількість електрики, мА·год після виготовлення після 100год. експлуатації комірки при 2% СО2 Як видно, показники роботи комірки залишалися стабільними після 100год. експлуатації. При цьому на допоміжному електроді витрачено близько 1,3% Ag за реакцією (5), тобто ресурс комірки за сріблом еквівалентний 15000 чи 7500год безперервної роботи при вмісті діоксиду вуглецю в повітрі відповідно 1 чи 2%. Бібліографія. 1. Основы аналитической химии. Кн. 2. Методы химического анализа / Под ред. Ю.А. Золотова. - 2-е изд., М.: Высш. шк., 1999. - 494с. 2. Патентная заявка 10018784, Германия, опубл. 31.10.2001, МКИ G01N31/22. 3. Ostrick В., Fleischer М., Meixner H. // Sensors and Actuators, B. Chem., 2003, Vol.95, №1-3, p.266270. Експериментальні дані 40 40 10 10 0,1-5 0,1-5 0 2,0 4. Будников Г.К., Майстренко В.Н., Вяселев М.Р. Основы современного электрохимического анализа. - М.: Бином, 2003. - 592с. 5. Патент США 4659434, опубл.21.04.1987, МКИ G01N27/30. 6. Добровольский Ю.А., Леонова Л.С., Укше Е.А., Ермолаева С.И., Надхина С.Е. // Метрология, 1991, №6, С.38-45. 7. Патент Великобритании 2075197, опубл.11.11.1981, МКИ G01N27/46. 8. Pourbaix М. Atlas of Electrochemical Equilibria in Aquous Solutions. 1966. Pergamon Press. P.452. 9. Добош Д. Электрохимические константы. Справочник для электрохимиков. - М.: Мир, 1980. 367с. 10. Справочник по электрохимии / Под ред. А.М. Сухотина. - Л.: Химия, 1981. - 488с. 7 Комп’ютерна верстка М. Мацело 13790 8 Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601