Датчик для электрохимических измерений

 

ДАТЧИК ДЛЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ, содержащий стакан с для анализируемого раствора и размещенные в стакане твердые анод и катод, отличающий ся тем, что, с целью повышения чувствительности и воспроизводимости измерений , датчик снабжен катушкой с сердечником, размещенной в скобе с держателем, закрепленной на стакане , катод выполнен неподвижным, а анод снабжен толкателем и установлен в держателе с возможностью перемещения между сердечником и катодом . (Л с

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

»

РЕСПУБЛИН (l.9) (!)) 4(5)) С 01 N 27/48

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

Н ASTOPGHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3626917/24-25 (22) 28.07. 83 (46) 23. 06. 85. Бюл. У. 23 (72) А.В.Железцов (71) Казанский филиал Московского ордена Ленина энергетического инсти,тута (53) 543. 253 (088. 8) (56) 1. Крюкова Т.А., Синякова С.И., Арефьева Т.В. Полярографический анализ. М., Госхнмиздат, 1 959, с. 772.

2. Плесков Ю.В., ФилиновскЪй В.Ю.

Вращающийся дисковый электрод.

М., "Наука", 1972, с. 344.

3. Брук Б.С. Полярографические методы. М., "Энергия" : 1972, с. 159. (54) (57) ДАТЧИК ДЛЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИИ, содержащий стакан с крышкой для анализируемого раствора и размещенные в стакане твердые анодикатод, отличающий ся тем, что, с целью повьппения чувствительности и воспроизводимости измерений, датчик снабжен катушкой с сердечником, размещенной в скобе с держателем, закрепленной на стакане, катод выполнен неподвижным, а анод снабжен толкателем и установлен в держателе с воэможностью перемещения между сердечником и катодом.

1 11632

Изобретение относится к области физико-химического анализа и может быть использовано для контроля воздушного и водного бассейнов и почв.

Известно устройство, которое

5 содержит два твердых электрода— анод (вспомогательный) и катод (рабочий), выполненные иэ графита или подходящего металла (платина, золото), стакан с анализируемым раствором, 10 крышку, на которой крепятся электроды и другие вспомогательные устройства (сравнительный электрод, мешалку, затвор, трубки для подвода и отвода газа) (1 1.

Обычно площадь рабочего электрода много меньше (в 100 и более раз) площади вспомогательного электрода.

Анод и катод помещаются в анализируемый раствор, который представляет рр собою смесь индифферентного электро— лита (фона) высокой проводимости и концентрации и определяемого деполяриэатора (примеси) низкой концентрации (10 -10 . И). На практике 25 концентрация фона превышает концентрацию примеси в 100-1000 раэ и более.

После удаления растворенного кислорода на электроды подается поляризующее напряжение. Под действием этого напряжения через электроды протекает ток, определяемый концентрацией примеси, остаточным и емкостным током. Названные токи изменяют структуру поверхности электродов. Регистрируемая кривая ток — потенциал

35 электрода при периодической записи не воспроизводит своих параметров.

Электроды загрязняются продуктами электролиза, константа скорости

40 электродного процесса резко уменьшается, снижая величину предельного тока, чувствительность и воспроизводимость

Известные способы очистки твердых 45 электродов: механический, химический, электрохимический не дают желаемых результатов. Поэтому не удается использовать на практике такие преимущества твердых электродов, как простота и удобство, широкий выбор материалов. Известны датчики с твердыми вращающимися, вибрирующими и макающимися электродами (2 ).

Указанным датчикам присущи те же недостатки, что и датчикам с непод- . вижными твердыми электродами.

Наиболее близкьм техническим решением к изобретению является датчик для полярографических измерений, содержащий стакан с крышкой для анализируемого раствора и размещенные в стакане твердые анод и катод (3 3.

В известном датчике после каждой регистрации тока электроды необходимо обновлять одним иэ названных выше способов очистки, иначе понижается чувствительность и воспроизводимость.

Недостатком известного датчика с твердыми электродами является также загрязнение рабочей поверхности электродов. Результатом загрязнения является резкое уменьшение величины тока (при постоянной концентрации) исследуемого деполяризатора и соответственно чувствительности аппаратуры с таким датчиком и воспроизводимости полярограмм. Полярограммы, полученные таким датчиком, изменяитсвою форму (максимум, полуширину, потенциал максимума) случайным образом.

Целью изобретения является повышение чувствительности и воспроизводимости измерений.

Поставленная цель достигается тем, что датчик для электрохимических измерений, содержащий стакан с крышкой для анализируемого раствора и размещенные в стакане твердые анод и катод, снабжен катушкой с сердечником, размещенной в скобе с держателем, закрепленной на стакане, катод выполнен неподвижным, а анод снабжен толкателем и уста— новлен в держателе с воэможностью перемещения между сердечником и катодом.

На чертеже показана конструкция датчика для полярографических измерений. !

Сущность изобретения заключается в том, что возвратно-поступательное движение анода осуществляется с помощью электромагнита, сердечник которого перемещается под действием сил магнитного поля. Изменяя амплитуду колебания анода, регулируют расстояние между анодом и катодом таким образом, чтобы оба электрода были часть периода замкнуты накоротко, а другую часть — разомкнуты. При замыкании электродов происходит их автоматическая очистка, а во время раэмыкания протекает электрохимичес11 632 45 кая реакция соответствующего деполяризатора, обеспечивая ток регистрации. Если амплитуда колебаний равна нулю и анод неподвижен, это соответствует частному случаю твердых неподвижных электродов. При дви" жении массивного анода происходит интенсивное перемешивание раствора.

Соответственно ускоряются процессы транспортировки вещества к электроду, а продуктов электролиза — от электрода в объем раствора. Это приводит к увеличению диффузионного тока исследуемого деполяризатора и к повышению чувствительности датчика. Автоматическая очистка электродов кроме повышения воспроизводимости приводит к повышению чувствительности за счет обновления диффузионного слоя и увеличения константы скорости.

Датчик состоит из электромагнитной катушки 1, которая может быть подключена к любому источнику переменного тока. Катушка 1 закреплена в скобе 2 из ферромагнитного материала сердечником 3. Выполнение скобы из ферромагнитного материала позволяет выполнить конструкцию датчика малогабаритной, так как материал скобы уменьшает сопротивление магнитным силовым линиям катушки с сердечником. Через магнитное поле воздушного зазора с рдечник 3 связан с толкателем анода 4, который расположен на держателе 5, установленном в скобе 2 с помощью винтов в специальных вертикальных прорезях.

Толкатель анода 4 через резьбовое соединение связан с твердым анодом 6, который находится над твердым катодом 7, неподвижно закрепленным в крышке 8 стакана 9. Выводы катушки 1 и электродов 6 и 7 не показаны.

Величина воздушного зазора регулируется поднятием или опусканием держателя 5. .Величина воздушного зазора между анодом 6 и катодом 7 регулируется их расположением относительно крышки 8 .и может составлять от долей миллиметра до 1-2 см.

Конструкция датчика дает возможность работы в трех режимах с изменением зазора между электродами, амплитуды и частоты движения, времени замкнутого и разомкнутого состояний. Это достигается наличием держателя, толкателя анода, катушки с сердечником и скобы.

В первом режиме работы датчика анод неподвижен и разомкнут с катодом, во втором — анод двигается поступательно-возвратно, не замь.— каясь с катодом, в третьем — анод двигается поступательно-возвратно, замыкаясь на некоторое время с като1О д,м.

Датчик работает следующим образом.

В стакан 9 датчика заливается исследуемый раствор (например, 1 М раствор NaC1 и 10 М раствор соли

«+

15 кадмия). Выбирается необходимый режим работы электродов. Крышка 8 с электродами 6 и 7 и скобой 2 устанавливается.над стаканом таким образом, чтобы электроды были погружены

20 в раствор. Электроды, анод 6 и катод 7 через соединительные провода подключаются к палярографу или к другому прибору.

Без подачи напряжения на катушку 1 электроды 6 и 7 в режиме 3 должны . быть замкнуты. При подаче напряжения на катушку 1 через автотрансформатор или реостатный регулятор от сети

220 В 50 Pq толкатель анода 4 начнет

50 совершать поступательно-возвратное движение (вверх и вниз). При этом анод 6 будет совершать такое же движение, как и толкатель анода. При движении вверх анод 6 и катод 7 раз-. мыкаются и между ними протекает электрохимическая реакция (если на электродах имеется достаточная величина поляризующего напряжения, подаваемого от полярографа или прибора .

40 При замыкании .электродов происхо;. дит их деполяриэация и очистка от продуктов реакции, а движение анода приводит к интенсивному перемешиванию раствора и быстрому удалению

45 продуктов реакции от катода. Перемешивание раствора и быстрое удаление продуктов реакции приводят к значительному повышению воспроизводимости и чувствительности, т.е.

5О к росту фарадеевского тока. Емкостный ток не зависит от перемешивания раствора, а поэтому он не увеличивается по сравнению с емкостным током для неподвижного раствора.

В первом режиме напряжение на катушку 1 не подается, а электроды 6 и 7 разомкнуты на необходимое расстояние с помощью толкателя анода 4

11 632 45

Материал катода ВТ-6, анода— сталь 12х18Н10Т, площадь плоского катода 12 мм, . плошадь цилиндрического анода 1800 мм, амплитуда 1 мВ.

Режимы работы датчика

Параметры полярограмм

Неподвижный анод Двигающийся анод Эамыкающийся часть периода анод

Примеры

1 2 3 1 2 3 1 2 3

Высота максимума, мм 58 50 0 126 124 120 130 134 131

16 19 — l3 l3 14 12 12 12

Полуширина, мм и держателя 5. В этом режиме датчик работает с неподвижными твердыми электродами.

Во втором режиме зазор между 5 электродами 6 и 7 больше амплитуды движения анода, а катушка подключена к источнику переменного тока. За счет движения анода происходит перемешивание раствора движущимся анодом 10 бе з з амыкан ия с к а тодом .

Таким образом, движение анода и перемешивание раствора приводяr к повышению чувствительности, а замыкание электродов — к их очистке и, 15 как результат, — к повышеныо воспроизводимости полярограмм, получаемых в датчике с твердыми электродами, что подтверждается данными таблицы.

При необходимости иметь меньшую 20 скорость движения анода рекомендуется запитать катушку 1 от сети через полупроводниковый диод (например, Д 229) .

В таблице показаны результаты 25 исследования иона кадмия (3 ° 10 М) ф в растворе хлорида лития (0,5 M) на полярографе ППТ-1 для разных состояний электродов различных режимах работы pàò÷èêà. 30

Из таблицы видно, что высота (ток) максимума полярограмм, получаемых в датчике с твердым двигающимся и замыкающимся анодом, более чем в два раза превышает высоту полярограмм для неподвижного анода. Это означает, что чувствительность предлагаемого датчика с такими электродами выше чувствительности известного датчика.

Кроме того, высота полярограмм в известном датчике через некоторое время становится равной нулю и измерения проводить невозможно. Воспроиэводимость и погрешность в этом случае теряют смысл. Для предлагаемого дат— чика воспроизводимость составляет

3 — 5X.

Использование новых элементов— скобы, катушки с сердечником, толкателя анода, держателя - и режимов работы датчика с твердыми электродами отличает предлагаемый датчик от известного тем, что повышается чувствительность и воспроизводимость результатов измерений и расширяются возможности режимов.

Кроме того, по сравнению с известным предложенный датчик позволит повысить точность анализа и сократить время определения, так как перемешивание и очистка электродов может проводиться автоматически — задаваемым режимом работы и не требуется прерывать процесс измерений для воспроизведения поверхности анода.

Составитель Е.Анисимов

Редактор А. Сабо Техред Т.Дубинчак Корректор М. Самборская

Заказ 4099/44 Тираж 897 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г.Ужгород, ул.Проектная, 4