Спосіб електрохімічного аналізу газоподібних і рідких середовищ

1. Спосіб електрохімічного аналізу газоподібних і рідких середовищ, що включає розміщення щонайменше двох електродів на границях поділу розчину електроліту і аналізованих середовищ, причому як одне з середовищ використовують середовище з відомою концентрацією компонентів, наприклад атмосферне повітря, іонізацію аналізованого середовища, створення заданої різниці потенціалів між електродами, зміну електричного струму в зовнішньому колі між електродами, створення між електродом, що стикається із середовищем з відомою концентрацією (допоміжний електрод), і електродом, дотичним з аналізованим U 2 (19) 1 3 Недоліком способу прототипу є та обставина, що діафрагма, що забезпечує підвищення вибірковості аналізу, настроюється на один з компонентів і не може забезпечити аналіз концентрації одночасно декількох компонентів. Розглянемо спосіб прототипу на приладі роботи пристрою. Аналізоване повітря через діафрагму потрапляє в ЕХК з дифузійним заходом і перетворюється концентрація сірководню в електричний струм, яка є основою первинного електрохімічного перетворювача (надалі ПЕП). Діафрагма пропускає тільки той газ, на який настроєна, у цьому випадку сірководень, а концентрацію інших газів значно послаблює. У корпусі ПЕП розташовані робочий, допоміжний і порівнювальний електроди, що контактують з електролітом. За допомогою потенціостата на робочому електроді підтримують потенціал на заданому рівні щодо порівнювального електрода незалежно від змін, що відбуваються на допоміжному електроді (фактично постійне односпрямоване електричне поле). При окисленні сірководню на робочому електроді ПЕП протікає наступна реакція H2S+3Н2O SO2+8H++8е-. Одночасно на допоміжному електроді відбувається відновлення кисню з повітря 2O2+8H++8е- 4Н2O Електрони, що виникають в результаті електролізу, створюють електричний струм, пропорційний концентрації газу (H2S). Порівнювальний електрод ПЕП у реакції не бере участь і служить як опорний елемент при завданні потенціалу робочого електрода. У прототипі вибірковість забезпечується за рахунок введення діафрагми, що пропускає аналізуємий газ - сірководень, що послаблює проникнення до поверхні вимірювального електрода інших газів, які також можуть окислятися на робочому електроді. Недоліком прототипу є те, що діафрагма не може змінювати свої проникні здатності і перебудовуватися таким чином, щоб пропускати інший газ. Для аналізу концентрації декількох компонентів потрібно ввести кілька комплектів електродів з своїми діафрагмами й пристроями забезпечення стабілізації різниці потенціалів між електродами й обробки результатів вимірювань. Іншими словами, один ПЕП може аналізувати тільки концентрацію одного компонента, що аналізується. Крім того, діафрагма послаблює не тільки вплив неаналізуємих компонентів, але також й аналізованого компонента, зменшуючи тим самим чутливість ПЕП. В основу пропонованої корисної моделі поставлена задача вдосконалення відомого способу шляхом того, що інформацію про концентрацію одержують не від інтегрального струму в зовнішньому колі між електродами як у прототипі, а від його складових, які обумовлені різною швидкістю переміщення в подвійному електричному шарі іонів, утворених з молекул різних аналізованих компонентів, які мають різну масу. Внаслідок періодичної зміни напруги між електродами стрибком іони, що володіють меншою масою, швидше змінюють розташування в подвійному електричному шарі біля вимірювального електрода, а більш важ 15852 4 кі іони - відповідно довше. Внаслідок цього форма струму в зовнішньому колі між електродами залежить від складу й концентрації аналізованих компонентів. Якщо встановити зв'язок між формою струму й концентрацією аналізованих компонентів, наприклад, в результаті градуювання, вибірковість ПЕП значно збільшиться, внаслідок чого за допомогою однієї ЕХК можна буде аналізувати до 5-10 різних компонентів. Це дозволить збільшити також надійність і довговічність пристрою, що реалізує спосіб, в 5-10 разів. Крім того, до 2-х раз підвищиться чутливість. Додаткове введення елемента, чутливого до зміни напруженості магнітного поля, створюваного переміщенням іонів у подвійному електричному шарі біля вимірювального електрода, виключає спотворення динамічних процесів, що відбуваються в подвійному електричному шарі біля вимірювального електрода, обумовлених поляризацією електродів електричним струмом, і дозволяє додатково підвищити вибірковість і чутливість до 2-х разів. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що у відомому способі електрохімічного аналізу, що включає розміщення, щонайменше, двох електродів на границях поділу розчину електроліту і аналізованих середовищ, причому в якості одного з середовищ використовують середовище з відомою концентрацією компонентів, наприклад атмосферне повітря, іонізацію аналізованого середовища, створення заданої різниці потенціалів між електродами, зміна електричного струму в зовнішньому колі між електродами, створення між електродом, що стикається із середовищем з відомою концентрацією (допоміжний електрод) і електродом, дотичної з аналізованим компонентом (вимірювальний електрод) змінного електричного поля, періодично стрибком змінюють потенціал вимірювального електрода до завершення перехідного електрохімічного процесу між електродами, згідно з цією корисною моделлю новим є те, що вимірювання концентрації аналізованих компонентів здійснюють: За формою кривої зміни електричного струму в зовнішньому колі між електродами, або за формою кривої зміни напруженості магнітного поля, створюваного струмом електрохімічних процесів, що протікають у подвійному електричному шарі вимірювального електрода. Крім того, по величині коефіцієнтів ряду Фур'є, у який розкладають функцію зміни електричного струму в зовнішньому колі між електродами, або по величині коефіцієнтів ряду Фур'є, у який розкладають функцію зміни напруженості магнітного поля, створюваного струмом електрохімічних процесів, що протікають у подвійному електричному шарі вимірювального електрода. На кресленні (див. Фіг.1) зображена блоксхема аналізатора, який реалізує спосіб, що заявляється. Розглянемо спосіб, що заявляється на прикладі електрохімічного аналізатора. Електрохімічний аналізатор, має електрохімічну комірку (1) з вимірювальним (7), і допоміжним (8) електродами, потенціостат (2), генератор періодичних імпульсів (3), вимірювальний пристрій (4) і 5 елемент, чутливий до зміни напруженості магнітного поля (5). Електрохімічний аналізатор працює в такий спосіб. Напруга на вимірювальному електроді (7) електрохімічної комірки (1) по відношенню до допоміжного електрода (8) стабілізують за допомогою потенціостата (2) і за допомогою генератора періодичних імпульсів (3) створюють його періодичну зміну. Аналізований компонент подають на вимірювальний електрод, виготовлений з металу, що має позитивний електродний потенціал, наприклад платини. Конструкцію електродів виконують таким чином, щоб аналізовані компоненти попадали на границю поділу електроліт-електрод і утворювали максимально можливу площу зіткнення. В якості такого електрода може бути обраний електрод з пористої платини. Аналізовані компоненти, що попадають на границю поділу електроліт-електрод, стикаються з поляризованим розчинником і іонізуються завдяки ефекту сольватації, переходячи в електроліт. При цьому вони залишають один або декілька електронів на електроді, а самі несуть позитивний заряд. Внаслідок наявності електростатичних сил притягання вони розташовуються поблизу електрода, разом з іонами матеріалу електрода, утворюючи подвійний електричний шар. Фактично не всі іони розташовуються в безпосередній близькості від електрода й можуть віддалятися від нього на деяку відстань. Аналогічні процеси відбуваються і на допоміжному електроді, за винятком того, що замість аналізованих компонентів використовують компоненти з відомою і стабільною концентрацією, наприклад атмосферне повітря. Потенціал допоміжного електрода використовують в якості опорного. З метою підвищення чутливості й вибірковості, електричний струм через аналізатор не пропускають. Це дозволяє виключити вплив поляризації, що вносить спотворення в розподіл зарядів, на результати вимірювань. Елемент, чутливий до зміни напруженості магнітного поля (5), розташовують у безпосередній близькості біля вимірювального електрода (7) електрохімічної комірки (1). Як елемент (5) може бути використаний будь-який датчик напруженості магнітного поля, що має чутливість не менш 10-8А/м. В якості такого елемента може бути застосований чутливий елемент, виконаний на основі сквіда. Іони, що переміщуються в подвійному електричному шарі біля вимірювального електрода, створюють змінне магнітне поле, напруженість якого перетвориться за допомогою елемента (5) в електричний сигнал. Вимірювання концент 15852 6 рації аналізованих компонентів роблять за допомогою вимірювального пристрою (4). У пропонованому способі між електродами за допомогою генератора періодичних імпульсів (3), періодично змінюється різниця потенціалів, що позначається на розподілі електричного поля всередині комірки. Це приводить до зміни електростатичних сил взаємодії в подвійних електричних шарах біля обох електродів, внаслідок чого іони, які беруть участь в створенні подвійного електричного шару, зміщуються, а їхнє зміщення викликає зміну струму в зовнішньому електричному колі. Склад іонів біля допоміжного електрода постійний, тому його внесок у загальну форму кривої зміни струму залишається постійним. Склад іонів у подвійному електричному шарі біля вимірювального електрода залежить від концентрації аналізованих компонентів. Через те, що ці іони мають різну масу, то й швидкість їхнього зміщення, а, отже, форма кривої спадання струму, буде визначатися концентрацією аналізованих компонентів. Вимірювальний пристрій (4), що аналізує форму кривої струму шляхом порівняння вибірок величин струму або знаходження значень коефіцієнтів ряду, у який розкладають криву зміни струму, попередньо градуюють по концентраціям аналізованих коефіцієнтів. У процесі градуювання вимірювальний пристрій (4) запам'ятовує вибірки (див. Фіг.2) величин струму або коефіцієнти ряду. Величина концентрації аналізованих компонентів визначається вимірювальним пристроєм (4) шляхом порівняння вибірок величин струму або коефіцієнтів ряду з тими, які перебувають у пам'яті, і визначення відповідних комбінацій. На Фіг.2 зображена залежність зміни вихідних параметрів комірки при поданні на її вхід газу СО. Температура навколишнього середовища Т=20°С; напруга зміщення U=0,5B; концентрація газу CO: 1-15%; 2-70%; 3-60%; 4-5%; 5-25%; 6-50%; 7-55% Спосіб, що заявляється, дозволяє використати як електроліт чистий розчинник, наприклад, воду, тому що проходження іонного струму через розчинник не потрібне. Це дозволяє підвищити надійність і довговічність електрохімічної комірки, а, отже, і всього аналізатора. На відміну від відомих, спосіб, що заявляється, для електрохімічного аналізу газів дозволяє підвищити вибірковість до аналізованих компонентів, а також чутливість і точність вимірювань і також надійність і довговічність аналізатора за рахунок виключення проникнення всередину електрохімічної комірки сторонніх іонів, що обумовлено відсутністю струму через електроліт. 7 Комп’ютерна верстка Д. Шеверун 15852 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