Спосіб визначення вмісту хлору в повітрі з допомогою газохромного покриття

Реферат: Спосіб визначення вмісту хлору в повітрі за допомогою оптичної системи реєстрації сигналів, при якому для визначення вмісту хлору в повітрі як сенсорний елемент використовується газохромна плівка Ni(OH)2, що знаходиться у контакті з розчином 0,11,0 моль/л NaOH, а як протиелектрод - нікелева фольга. UA 107102 U (12) UA 107102 U UA 107102 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Спосіб належить до визначення вмісту хлору в газових сумішах за допомогою контрольновимірювальних приладів, зокрема до вимірювання його токсичних концентрацій у суміші з повітрям оптичною системою на основі газочутливої плівки гідроксиду нікелю Ni(OH) 2. Відомі схожі способи визначення небезпечного вмісту хлору [1-3]. Так, в патенті РФ Чугунова Л.С. та ін.. [1] використовують плівки, що складаються із суміші двох провідних полімерів: політіофену і полісиланоаніліну, нанесені на капронову тканину. Описаний ними індикатор використовує ефекти хімічної взаємодії між добавками та плівкою на основі політіофену і полісилананіліну. За рахунок добавок солей броміду або йодиду літію при дії газоподібного хлору проходить реакція заміщення бромід- або йодид-іонів на хлор та їх взаємодії з плівкою на основі політіофену і полісиланоаніліну, що в свою чергу приводить до зміни кольору самої плівки. Недоліком [1] є відсутність інформації про швидкодію та діапазон вимірюваного вмісту хлору (або інших газів) в повітрі, що дуже важливо для його кількісної оцінки. Патент США Джаятисса А. [2] використовує сенсор, принцип дії якого ґрунтується на вимірюванні електропровідності плівки на основі вуглецевих нанотрубок, модифікованої оксидами металів, яка в залежності від вмісту хлору змінюється, та наступному опроміненні її 14 світлом для відновлення. Описана система включає в себе: ІЧ випромінювач, сенсор в виді плівки (на основі вуглецевих нанотрубок модифікованої оксидами (вольфраму, олова, паладію нікелю та Ін.) нанесеної на мембрану з азотованого кремнію з золотими контактами, адаптер напруги, аналого-цифровий перетворювач та комп'ютер. Недоліком системи [2] є повільність відновлення сенсорного елементу. Відновлення сенсорного елементу при використанні нанотрубок модифікованих оксидом вольфраму, після 1-го контакту з хлором становила близько 4500 с. При вимірюваннях витоку хлору, коли його концентрація в повітрі може швидко змінюватись, дуже важливо швидко провести відновлення сенсорного елементу для його точної оцінки, тому це суттєвий недолік даної системи. Найбільш близьким до заявленого є спосіб оптичного визначення хлору плівками на основі люмінесцентних барвників або органічних метало-комплексів (рутенію родію платини та ін.) (прототип) [3]. В цьому патенті США Нараянасвами і ін.. використовують методику визначення хлору по зміні люмінесцентного відгуку світла плівкою на основі барвників або металокомплексів в УФ та ближній видимій ділянці спектру. Описаний ними спосіб дозволяє визначати тільки невисокий вміст хлору від 0 до 300 ррm в повітрі. Застосування розроблених ними, найбільш стійких до хлору оптичних матеріалів на основі (9,10-дифенілантрацену), в атмосфері з вмістом хлору більше 300 ррm (0,03 об.%) приводить до їх деградації, що робить неможливим застосування даних матеріалів для визначення хлору в повітрі в широкому діапазоні його концентрацій. Задача даної корисної моделі застосування простого способу визначення вмісту хлору в повітрі в широкому діапазоні його концентрацій за рахунок вимірювання зміни оптичного пропускання видимого світла, яке проходить крізь плівку Ni(OH) 2, нанесену на скло. Поставлена задача досягається шляхом приведення чутливої до хлору плівки в контакт з розчином на основі 0,1 н NaOH та подальшим застосуванням її для оптичного визначення хлору в повітрі. Відновлення початкової величини оптичного пропускання світла плівкою забезпечується за рахунок електрохімічної реакції в розчині електроліту, яка проходить при умові омічного контакту підкладки SnO2 з протиелектродом. Для реалізації поставленої задачі використовується прозора комірка, що містить чутливу до хлору плівку Ni(OH)2, нанесену на скло з струмопровідним шаром SnO2, і обладнану трьома отворами, два зверху для вводу - виводу газу і один знизу для подачі розчину електроліту. На фіг. 1 схематично зображена схема вимірювальної установки для визначення вмісту хлору в повітрі оптичним сенсором. В складі такої установки є: 1 - джерело світла (напівпровідниковий світлодіод з довжиною хвилі =450 нм); 2 - прозора герметична комірка; 3 - тримач та газочутлива плівка Ni(OH)2, яку нанесено на прозорий струмопровідний шар SnO 2; 4 - тримач та протиелектрод; 5 - фотоприймач (кремнієвий фотодіод); 6 - вимірювальний прилад (мікроамперметр); 7 - пристрій на базі ЕОМ, що фіксує і записує сигнали вимірювального приладу. Визначення вмісту хлору в повітрі визначається по зміні інтенсивності світлопропускання від часу (фіг. 2) та відповідно калібровочній кривій (фіг. 3). Калібрування приладу проводилось з використанням схеми, зображеної на фіг. 1, пробами газу з відомим вмістом хлору в повітрі. Чутливим елементом сенсора є покриття з гідроксиду нікелю, яке за допомогою гальванічного методу осадження нанесено на скло з струмопровідним шаром діоксиду олова. Покриття Ni(OH)2 саме по собі не може взаємодіяти з хлором, оскільки для його забарвлення і подальшого використання в якості чутливого до хлору елемента оптичного газового сенсора йому необхідне лужне середовище на його поверхні. Присутність на поверхні тонкої плівки 1 UA 107102 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 лужного розчину дає можливість проходженню окисно-відновних реакцій (1 та 2), в результаті яких покриття Ni(OH)2 забарвлюється в темно-коричневий колір при контакті з хлором, який по своїй природі являється сильним окисником. Сl2 + NaOH = NaOCl + NaCl (1) NaOCl + 2Ni(OH)2 = 2ΝiΟΟΗ + NaCI + H2O (2) В результаті фотоприймач фіксує зменшення величини інтенсивності пропущеного світла. Зі збільшенням вмісту хлору в повітрі покриття інтенсивніше забарвлюється, що дозволяє визначати вміст хлору в повітрі шляхом вимірювання величини інтенсивності пропускання видимого світла. Аналіз залежностей пропускання світла (=450 нм) від часу показав, що вміст хлору в газовій атмосфері пропорційний часу забарвлення тонкоплівочного покриття Ni(OH) 2 (фіг. 2). Таким чином, за рахунок хімічних перетворень в розчині електроліту на поверхні плівки Ni(OH)2, та її хеміхромного забарвлення в темно-коричневий колір, досить точно по оптичному пропусканню світла можна визначати вміст хлору в газовій атмосфері. Для цього потрібно визначити тангенс куту нахилу прямолінійної ділянки на фіг. 2, який буде відповідати швидкості зміни пропускання світла в відносних одиницях розділених на час. Графік зміни швидкості пропускання в залежності від об'ємного вмісту хлору в повітрі показаний на фіг. 3. Як видно з фіг. 3, ці дані вкладаються в прямолінійну залежність з невеликим відхиленням в області малих концентрацій і їх можна використовувати для калібрування оптичних сенсорних елементів хлору на основі тонких плівок гідроксиду нікелю. Відновлення сенсору здійснюється зворотною реакцію знебарвлення за рахунок розряду тонкої плівки NiOOH в розчині при контакті електроліту з протиелектродом. + NiOOH + Η + e  Ni(OH)2 (3) Реалізувати реакцію саморозряду плівки можливо тільки при забезпеченні контакту плівки Ni(OH)2 з електролітом та омічного контакту підкладки SnO2 з протиелектродом (позиція 1 фіг.4.). Вимірювання концентрацій хлору в повітрі необхідно проводити в умовах розімкнутого омічного контакту підкладки SnO2 з протиелектродом та відсутності електроліту в комірці (позиція 2 фіг.4.). Для автоматизації процесу подачі рідини електроліту в комірку та функції замикання та розмикання контакту між підкладкою плівки Ni(OH) 2 і протиелектродом були використані електромагнітні реле (позиції 1, 2 фіг.4.). Таким чином оператор віддалено проводить моніторинг концентрації хлору, знаходячись на безпечній відстані від його можливого витоку. Аналіз залежностей пропускання світла (=450 нм) від часу (фіг. 5) прямої та зворотної хеміхромних реакцій забарвлення плівки Ni(OH) 2 при контакті з хлором та знебарвлення в розчині електроліту показав, що дія високих концентрацій хлору в повітрі не виливає на стабільність показів при окисленні (забарвленні) та відновленні (знебарвленні) плівки Ni(OH) 2 в результаті саморозряду в електроліті (0,1 Μ NaOH). На відміну від прототипу [3], визначення об'ємного вмісту хлору в повітрі з допомогою плівки Νi(ΟΗ)2, як показали наші виміри, здійснюються в широкому діапазоні концентрацій від 0,05 до 100 об.% та з швидким відновленням сенсору протягом 100-120 с. Однією з переваг даного способу є також безпека вимірювань токсичних концентрацій цього газу, під час яких аналізована газова суміш хлору з повітрям в пробах газу при концентраціях (0,05 - 100 об.%) поглинається при підйомі рівня електроліту фіг 4. Час відновлення сенсору залежить від часу повного знебарвлення плівки Ni(OH) 2. Визначення часу повного знебарвлення газочутливої плівки Ni(OH) 2 оптичного сенсора після дії на нього хлору при концентрації (0,05-100 об.%) проводилося зануренням плівки в електроліти різного складу та при використанні різних матеріалів протиелектродів (таблиця 1). При цьому 100 % відновлення величини світлопропускання плівки Ni(OH) 2, відносно світлопропускання знебарвленого шару гідрооксиду нікелю було досягнуто при використанні електроліту на основі (0,1  1 Μ NaOH ) (приклади 2,3,4 і 5 таблиця 1) та нікелевого протиелектроду (приклад 5, таблиця 1). Одержані величини світлопропускання та часу знебарвлення наведені в таблиці 1, показують, що вже за 100 с (приклад 5) шар Ni(OH)2 повністю знебарвлюється і готовий для визначення вмісту хлору в суміші з повітрям. Таким чином, переваги запропонованого способу визначення вмісту хлору за допомогою газохромного покриття на основі плівки Ni(OH) 2 заключаються в тому, що визначення вмісту хлору в повітрі проводиться в повному діапазоні концентрацій (0,05 - 100 об.%) з швидкодією 120-100 с та при кімнатній температурі, за допомогою оптичної схеми реєстрації сигналів у видимій ділянці спектру. 2 UA 107102 U Таблиця 1 № п/п Склад електроліту та концентрації речовин Приклад 1 Приклад 2 1 моль/л NaOH Приклад 4 Приклад 5 10 0,1 моль/л NaOH Приклад 3 5 0,1 моль/л КОН 1 моль/л NaOH 1 моль/л NaOH Матеріал протиелектроду Час занурення Ступінь плівки Ni(OH)2 знебарвлення в електроліт плівки Ni(OH)2, % Тонка плівка SnO2 на склі Тонка плівка SnO2 нa склі Тонка плівка SnO2 на склі Сталевий лист Ст3 Нікелева фольга НП1 160 с 98 % 150 с 100 % 120 с 100 % 120 с 100 с 100 % 100% Література 1. Патент РФ 2208225. МПК G01N31/22; G01N21/78 Індикатор токсичних газів / Л.С. Чугунов, А.К. Терехов, С.А. Радін // Опубліковано: 10.06.2005 2. Патент США 8414831. МПК G01N21/00 Система для вимірювання газоподібного хлору / А.Н. Ahalapitiya // Опубліковано: 09.04.2013 3. Патент світової організації інтелектуальної власності WO/1990/013809. МПК G01N21/64; G01N21/85 Методи та пристрої для визначення хлору / R.Narayanaswamy, S. A.Momin, A.Sharma // Опубліковано: 15.11.1990. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 15 Спосіб визначення вмісту хлору в повітрі за допомогою оптичної системи реєстрації сигналів, який відрізняється тим, що для визначення вмісту хлору в повітрі як сенсорний елемент використовується газохромна плівка Ni(OH)2, що знаходиться у контакті з розчином 0,11,0 моль/л NaOH, а як протиелектрод - нікелева фольга. 3 UA 107102 U 4 UA 107102 U 5 UA 107102 U Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6