Ионоселективный электрод



Ионоселективный электрод
Ионоселективный электрод
Ионоселективный электрод
Ионоселективный электрод

 


Владельцы патента RU 2452941:

Учреждение Российской академии наук Институт химии твердого тела Уральского отделения РАН (RU)

Изобретение относится к области потенциометрических методов контроля и управления технологическими процессами, в частности к датчикам для их осуществления, и может быть использовано, например, для определения кислотности растворов и концентрации ионов щелочного металла. Предлагается ионоселективный электрод, содержащий чувствительный элемент на основе оксида переходного металла, выполненный в виде мембраны, расположенной на токоотводе, и помещенный в корпус, в котором мембрана включает в свой состав поливинилхлорид, дибутилфталат и триоксид молибдена MoO3 при следующем соотношении компонентов: поливинилхлорид: дибутилфталат: MoO3=0,5÷3,0:0,05÷0,40:2÷40 соответственно, а токоотвод выполнен в виде графитового стержня. Конструкция ионоселективного электрода согласно изобретению характеризуется коротким временем отклика (время отклика равно 10 с) и высокой стабильностью рабочих характеристик (дрейф потенциала электрода в течение месяца составляет ±5 мВ). 4 ил.

 

Изобретение относится к области потенциометрических методов контроля и управления технологическими процессами, в частности к датчикам для их осуществления. Область преимущественного использования - определение кислотности растворов и концентрации ионов щелочного металла.

Известен кислотно-щелочной датчик для измерения рН раствора и концентрации ионов щелочных металлов, чувствительный электрод которого выполнен либо из металла, выбранного из группы, включающей вольфрам, сурьму, титан или молибден, либо из сплава, выбранного из группы, включающей сплавы Pt-Ir, Pt-W, Pt-Sb, Pt-Ti, Pt-Mo, и имеет защитную пленку на поверхности (патент CN №1160205, МПК G01N 27/406, 1997 г.). Датчик обладает рядом преимуществ, характеризуясь устойчивостью свойств, высоким сопротивлением к агрессивным средам, длительным сроком службы.

Однако недостатками известного датчика являются, во-первых, низкое значение электродной функции, сильно отличающееся от теоретического значения вследствие использования в качестве электродноактивного материала химически инертных металлов или их сплавов, что затрудняет восстановительные процессы, лежащие в основе потенциалообразующей реакции, во-вторых, в конструкции электрода может быть использован дорогостоящий металл (платина, иридий), а также токсичный металл (сурьма), что представляет опасность для окружающей среды при последующей утилизации электродов.

Известен твердофазный ионоселективный электрод, чувствительный материал которого имеет состав, включающий проводящую смолу, диспергирующий агент и наноразмерный порошок триоксида вольфрама WO3, и выполнен в виде мембраны, нанесенной на медную проволоку, расположенную на подложке из проводящей керамики, эпоксидной смолы или пластика и покрытую электроизоляционным лаком (патент CN №101236170, МПК G01N 27/406, 2008 год). Известный электрод прост в изготовлении, имеет короткое время отклика, высокую механическую стойкость и высокую стойкость к агрессивным средам.

Однако известный ионоселективный электрод позволяет определять только концентрацию ионов водорода, при этом электрод не проявляет металлическую функцию по отношению к ионам щелочных металлов вследствие особенности кристаллической структуры и химической инертности триоксида вольфрама WO3, что не только не позволяет определять концентрацию щелочных металлов в растворе, но приводит к ошибке в определении рН раствора в присутствии ионов щелочного металла.

Таким образом, задача изобретения - расширить диапазон чувствительности ионоселективного электрода наряду с коротким временем отклика и высокой стабильностью рабочих характеристик.

Поставленная задача решена в предлагаемой конструкции ионоселективного электрода, содержащего чувствительный элемент на основе оксида переходного металла, выполненный в виде мембраны, расположенной на токоотводе, и помещенный в корпус, в котором мембрана включает в свой состав поливинилхлорид, дибутилфталат и триоксид молибдена MoO3 при следующем соотношении компонентов: поливинилхлорид: дибутилфталат: MoO3=0,5÷3,0:0,05÷0,40:2÷40 соответственно, а токоотвод выполнен в виде графитового стержня.

В настоящее время из патентной и научно-технической литературы не известна конструкция ионоселективного электрода для определения концентрации ионов водорода и щелочных металлов, выполненного в виде мембраны, в состав которой входят поливинилхлорид, дибутилфталат и триоксид молибдена MoO3, расположенной на графитовом стержне.

Предлагаемый ионоселективный электрод позволяет селективно определять концентрацию ионов водорода в интервале 1≤рН≤5, а также концентрацию ионов щелочных металлов в интервале 0≤рСм+≤4 для М - Na, К и 1≤рСм+≤5 для М - Rb, Cs и кислотности среды 5≤рН≤13,5.

Исследования, проведенные авторами, позволили сделать вывод о возможности использования порошка триоксида молибдена, обладающего наноразмерной морфологией, в качестве электродноактивного материала для селективного определения концентрации ионов водорода и щелочных металлов. Так, при использовании в качестве электродноактивного материала коммерческого порошка триоксида молибдена квалификации "ос.ч." угловые коэффициенты водородной и калийной функции равны 40±2 мВ и 45±2 мВ соответственно, что примерно в полтора раза ниже теоретического значения.

В основе работы оксида переходного металла как электродноактивного материала лежит окислительно-восстановительный механизм, то есть реакция образования твердого раствора внедрения ионов водорода в известном техническом решении (WO3+-→HWO3) или ионов водорода и/или щелочных металлов в предлагаемом техническом решении (х·М++MoO3-↔MXMoO3, где М - Na+, К+, Rb+, Cs+). Однако кристаллографические свойства оксида молибдена определяют у него наличие более подвижной решетки-хозяина по сравнению с оксидом вольфрама, что, видимо, позволяет интеркалировать в межслоевое пространство оксида молибдена не только ионы водорода, но и катионы щелочных металлов, размер которых значительно больше ионов водорода. При этом, как показали исследования, наностержни оксида молибдена имеют "открытую структуру", когда электродноактивный материал использован в виде пленки, позволяющей легко осуществлять процесс интеркаляции-деинтеркаляции определяемых ионов в межслоевое пространство оксида. Экспериментальным путем авторами было установлено соотношение компонентов электродноактивной массы для формирования чувствительного элемента ионоселективного электрода в виде тонкопленочной мембраны. При использовании в качестве пленкообразующего компонента поливинилхлорида, а в качестве пластификатора - дибутилфталата оптимальным является следующее соотношение: поливинилхлорид: дибутилфталат: MoO3=0,5÷3,0:0,05÷0,40:2÷40. При несоблюдении заявленного соотношения компонентов, то есть при его уменьшении или увеличении, электродные характеристики ионоселективной мембраны значительно отличаются от теоретических (58 мВ/рСМ+), увеличивается время отклика до 5 минут, дрейф потенциала составляет ±40 мВ в течение месяца. Использование в качестве токоотвода графитового стержня позволяет получить прочный механический контакт между мембранным чувствительным элементом и токоотводом вследствие физической и химической адсорбций органических составляющих на поверхности графита.

На фиг.4 изображен предлагаемый ионоселективный электрод. Чувствительный элемент (1) выполнен в виде пленочной мембраны, в состав которой входят поливинилхлорид, дибутилфталат и триоксид молибдена MoO3 при следующем соотношении компонентов: поливинилхлорид: дибутилфталат: MoO3=0,5÷3,0:0,05÷0,40:2÷40 соответственно. Чувствительный элемент (1) нанесен на графитовый стержень (2), являющийся токоотводом. На графитовый стержень (2) наносят электродноактивную массу, полученную путем смешивания 5%-ного раствора поливинилхлорида в тетрагидрофуране, дибутилфталата и порошка наностержней триоксида молибдена диаметром 60-90 нм и длиной несколько мкм (см. фиг.1), а затем сушат при комнатной температуре до полного испарения тетрагидрофурана. Графитовый стержень (2) снабжен металлическим проводом (4) и помещен в химически стойкий корпус (3), выполненный из инертного материала (стекло, полипропилен, полиэтилен).

Работоспособность ионочувствительного электрода проверяют путем измерения чувствительности его к ионам водорода или щелочного металла. Для этого определяют ЭДС гальванического элемента типа

электрод |исследуемый раствор ||KCl нас., AgCl |Ag

с использованием иономера И-130.2М. Рабочие растворы концентрацией 1·10-4-1 М готовят растворением хлоридов и гидроксидов соответствующих металлов в воде. Водородную функцию электродов изучают в растворах с постоянной ионной силой µ=0,01, чтобы исключить влияние посторонних ионов на его значение. Контроль морфологии электродноактивного вещества проводят методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ).

На фиг.2 представлена зависимость потенциала предлагаемого ионочувствительного электрода от концентрации ионов водорода (рН раствора). Потенциал электрода определяют при постоянной силе µ=0,01. В интервале 1≤рН≤5 угловой коэффициент водородной функции предлагаемого электрода равен 54±2 мВ и близок к теоретическому значению (58 мВ). Ионочувствительный электрод изготовлен путем смешения 4 мг порошка наностержней триоксида молибдена диаметром 60-90 нм и длиной несколько мкм с 2,0 мл 5%-ного раствора поливинилхлорида в тетрагидрофуране и 0,1 мл дибутилфталата с получением соотношения поливинилхлорид: дибутилфталат: MoO3=2,0:0,1:4,0; последующего нанесения полученной массы на графитовый стержень и сушкой при комнатной температуре в течение 5 часов до полного испарения тетрагидрофурана.

На фиг.3 представлена зависимость потенциала предлагаемого электрода от концентрации ионов цезия. При рН 7,0 в интервале концентраций 1≤pCCs+≤5 угловой коэффициент цезиевой функции близок к теоретическому значению и равен 54±2 мВ/pCCs+. Ионочувствительный электрод изготовлен путем смешения 2 мг порошка наностержней триоксида молибдена диаметром 60-90 нм и длиной несколько мкм с 0,5 мл 5%-ного раствора поливинилхлорида в тетрагидрофуране и 0,05 мл дибутилфталата с получением соотношения поливинилхлорид: дибутилфталат: MoO3=0,5:0,05:2; последующего нанесения полученной массы на графитовый стержень и сушкой при комнатной температуре в течение 5 часов до полного испарения тетрагидрофурана.

При определении ионов калия в интервале концентраций 1≤рСк+≤4 при рН 6,5 угловой коэффициент калийной функции близок к теоретическому значению и равен 54±2 мВ/рСк+. Ионочувствительный электрод изготовлен путем смешения 20 мг порошка наностержней триоксида молибдена диаметром 60-90 нм и длиной несколько мкм с 2,5 мл 5%-ного раствора поливинилхлорида в тетрагидрофуране и 0,4 мл дибутилфталата с получением соотношения поливинилхлорид: дибутилфталат: MoO3=2,5:0,4:20; последующего нанесения полученной массы на графитовый стержень и сушкой при комнатной температуре в течение 5 часов до полного испарения тетрагидрофурана.

При определении ионов натрия в интервале концентраций 1≤pCNa+≤4 при рН 12,0 угловой коэффициент натриевой функции близок к теоретическому значению и равен 44±2 мВ/pCNa+. Ионочувствительный электрод изготовлен путем смешения 8 мг порошка наностержней триоксида молибдена диаметром 60-90 нм и длиной несколько мкм с 2,0 мл 5%-ного раствора поливинилхлорида в тетрагидрофуране и 0,05 мл дибутилфталата с получением соотношения поливинилхлорид: дибутилфталат: MoO3=2,0:0,05:8,0; последующего нанесения полученной массы на графитовый стержень и сушкой при комнатной температуре в течение 5 часов до полного испарения тетрагидрофурана.

При определении ионов рубидия в интервале концентраций 1≤pCRb+≤4 при pH 7,0 угловой коэффициент рубидиевой функции близок к теоретическому значению и равен 55±2 мВ/pCRb+. Ионочувствительный электрод изготовлен путем смешения 40 мг порошка наностержней триоксида молибдена диаметром 60-90 нм и длиной несколько мкм с 3,0 мл 5%-ного раствора поливинилхлорида в тетрагидрофуране и 0,1 мл дибутилфталата с получением соотношения поливинилхлорид: дибутилфталат: MoO3=3,0:0,1:40; последующего нанесения полученной массы на графитовый стержень и сушкой при комнатной температуре в течение 5 часов до полного испарения тетрагидрофурана.

Таким образом, авторами разработана конструкция ионоселективного электрода, обладающего бифункциональным действием (реагирует на ионы водорода и щелочных металлов). Кроме того, электрод характеризуется коротким временем отклика (время отклика равно 10 с) и высокой стабильностью рабочих характеристик (дрейф потенциала электрода в течение месяца составляет ±5 мВ).

Ионоселективный электрод, содержащий чувствительный элемент на основе оксида переходного металла, выполненный в виде мембраны, расположенной на токоотводе, и помещенный в корпус, отличающийся тем, что мембрана включает в свой состав поливинилхлорид, дибутилфталат и триоксид молиюдена MoO3 при следующем соотношении компонентов поливинилхлорид:дибутилфталат:MoO3=0,5÷3,0:0,05÷0,40:2÷40 соответственно, а токоотвод выполнен в виде графитового стержня.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области физико-химических методов анализа, в частности к потенциометрии с ионоселективными электродами, и может быть использовано для количественного анализа железа (III) в жидких средах.
Изобретение относится к области анализа ионного состава водных растворов и жидкостей и может быть использовано в изыскании материалов, стойких в сильнокислых растворах сложного состава с низким рН и высоким ионным фоном, предназначенных для использования в качестве чувствительных и стабильных элементов ионоселективных электродов для количественного определения концентрации ионов кадмия в водных растворах.

Изобретение относится к ионометрии, потенциометрическим методам анализа и контроля концентрации ионов в водных растворах и может быть использовано в химической, металлургической промышленности, в оптической химии, при научных исследованиях в качестве чувствительного элемента ионоселективного электрода для количественного определения концентрации ионов меди в водных растворах.

Изобретение относится к средствам потенциометрического определения содержания в растворах различных ионов с использованием ионоселективных мембран. .

Изобретение относится к ионометрии и может быть использовано для анализа производственных и сточных вод промышленных предприятий на содержание кислородсодержащих ионов вольфрама, молибдена и ванадия.

Изобретение относится к области электрохимического анализа растворов, а именно к методике изготовления ионоселективного электрода для прямой потенциометрии. .

Изобретение относится к области электрохимического анализа растворов, а именно к методике изготовления ионоселективного электрода для прямой потенциометрии. .

Изобретение относится к области электрохимического анализа растворов, а именно к методике изготовления ионоселективного электрода для прямой потенциометрии. .

Изобретение относится к ионометрии, в частности к материалам, предназначенным для использования в качестве чувствительного элемента ионоселективных электродов для количественного определения концентрации ионов свинца в водных растворах.
Изобретение относится к анализу ионного состава водных растворов и жидкостей

Изобретение относится к области аналитической химии и может быть использовано в контрольно-аналитических, клинических лабораториях для определения концентрации цефалоспориновых антибиотиков

Изобретение относится к области потенциометрических методов контроля и управления технологическими процессами, в частности к материалам, предназначенным для использования в качестве чувствительного элемента ионоселективных электродов для количественного определения концентрации ионов свинца в водных растворах

Использование: для определения ионов кадмия в водных растворах. Сущность: кадмий-селективный электрод содержит чувствительный элемент, в качестве которого применяется композиционный электропроводящий материал, содержащий ультрадисперсные частицы кадмия в полимерной матрице, полученный методом химического восстановления кадмия из растворов его солей на поверхность гранул термопластичного полимера с последующим горячим прессованием. Технический результат - снижение содержания кадмия, повышение чувствительности, повышение стабильности показаний и увеличение длительности непрерывного использования электрода. 2 ил., 1 табл.

Изобретение относится к мембране ионоселективного электрода, состоящей из поливинилхлорида в качестве матрицы, дибутилфталата в качестве пластификатора и электродно-активного соединения, содержащего медь и додецилсульфат натрия. Мембрана характеризуется тем, что электродно-активное соединение дополнительно содержит пиридин, причем медь Сu2+, пиридин и додецилсульфат взяты в соотношении 1:2:2 соответственно, а компоненты мембраны находятся в следующем соотношении, мас. %: поливинилхлорид 24,88 - 24,73; дибутилфталат 74,61 - 74,25; электродно-активное соединение 0,51 - 1,02. Использование мембраны позволяет снизить предел обнаружения ионных ПАВ в водных средах, снизить погрешности определения результата, уменьшить время отклика электрода в разбавленных растворах. 5 табл., 11 ил.

Изобретение может быть использовано в качестве аналитического элемента приборов, с помощью которых измеряют концентрации ионов в жидких образцах различных типов. Согласно изобретению предложена проточная мультисенсорная потенциометрическая ячейка для анализа малых объемов жидких образцов, содержащая корпус из полимерного материала, представленный расположенными в ряд ионоселективными сенсорами в количестве не менее двух. Каждый сенсор имеет чувствительный элемент, выполненный в виде сенсорной мембраны из поливинилхлорида и пластификатора с ионофорами, и снабжен проводником для подключения к измерительному прибору. А также содержит электрод сравнения и емкость для анализируемых образцов. Расстояние между чувствительными элементами не менее 2 мм. Корпус выполнен трубчатым из поливинилхлорида, а соединение ионоселективных сенсоров выполнено бесшовным. Устройство позволяет достоверно измерять концентрации ионов в образцах малых объемов, 50-200 мкл, может использоваться для анализа медико-биологических образцов, отличается длительными сроками службы и хранения. 7 ил., 7 пр.

Изобретение может быть использовано в аналитической химии. Гидратированную оксидную ванадиевую бронзу аммония состава (NH4)0,5V2O5·0,5H2O используют в качестве ионоселективного материала для селективного определения концентрации ионов аммония в растворах. Для получения гидратированной оксидной ванадиевой бронзы аммония указанного состава метаванадат аммония NH4VO3 растворяют в воде и добавляют при постоянном перемешивании по каплям водный раствор лимонной кислоты до установления кислотности раствора 2,0≤pH≤6,0. Затем смесь обрабатывают при температуре 140-180°C в течение 24-48 часов в автоклаве. Полученный продукт фильтруют, промывают и сушат. Изобретение позволяет получить ионоселективный материал для простого и надежного определения концентрации NH4 + в растворах. 2 н.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл., 4 пр.

Изобретение может быть использовано для потенциометрического определения анионных и катионных поверхностно-активных веществ (ПАВ), таких как алкилсульфатов натрия, алкилпиридиниевых и тетраалкиламмониевых солей в многокомпонентных смесях, моющих, чистящих композиций, технологических растворах, сточных водах, лекарственных препаратах. Согласно изобретению мембрана ионоселективного электрода состоит из поливинилхлорида в качестве полимерной матрицы, дибутилфталата в качестве пластификатора и электродно-активного соединения, содержащего медь и додецилсульфат натрия, при этом электродно-активное соединение дополнительно содержит 1,10-фенантролин, причем медь, 1,10-фенантролин и додецилсульфат натрия взяты в соотношении 1:2:2 соответственно, а компоненты мембраны находятся в определенном массовом соотношении. Изобретение обеспечивает возможность создания полимерной мембраны, чувствительной к гомологам солей алкилпиридиния, тетраалкиламмония и алкилсульфатов натрия, и создание на основе полученной мембраны ионоселективного электрода, для экспрессного количественного определения ионных ПАВ в водных объектах. 4 пр., 5 табл., 11 ил.

Изобретение относится к технике измерений гидрохимических параметров водных сред в океанографических, гидрографических и экологических исследованиях и может быть использовано в различных технологических процессах, связанных с контролем концентрации (активности) сульфид-ионов растворенных веществ. Технический результат - уменьшение погрешности измерения концентрации растворенного сероводорода и повышение степени автоматизации измерений за счет возможности учитывать влияние факторов среды, например, рН, солености, на степень диссоциации растворенного сероводорода, не осуществляя в процессе измерений градуировку прибора. Сущность: среду зондируют преобразователем, содержащим ионоселективный электрод, реагирующий на ионы двухвалентной серы, и электрод сравнения. Преобразуют полученные текущие потенциалы ионоселективного электрода, по отношению к потенциалу электрода сравнения, в выходные коды. Осуществляют градуировку преобразователя. По полученным значениям выходных кодов с использованием полученных коэффициентов c1 и с0 градуировочного уравнения определяют текущие значения показателя концентрации растворенного сероводорода, по которым определяют текущие значения CSVi концентрации растворенного сероводорода. При этом преобразователь градуируют в буферных растворах с разными заданными значениями концентрации растворенного сероводорода и с одинаковыми значениями каждого из n заданных факторов Фn влияющих на диссоциацию растворенного сероводорода. По полученным кодам, соответствующим концентрациям растворенного сероводорода в каждом из буферных растворов, получают коэффициенты c1 и с0 градуировочного уравнения. Затем используют растворы с разными заданными значениями Фnz каждого из n факторов влияния Фn где n=1, 2,..., m, и с одним и тем же значением CSV концентрации растворенного.сероводорода. Определяют выходные коды Nnz, соответствующие значениям Фnz, где число z задается для каждого из факторов влияния Фn в зависимости от допустимой погрешности преобразования. По полученным значениям Nnz выходных кодов определяют z-тые значения Fz(Фnz) функции влияния Fn(Фn) для каждого из факторов влияния Фn по формуле По значениям Fz(Фnz) функции влияния и значениям Фnz влияющего фактора выбирают вид аппроксимирующей функции Fn(Фn) с определением коэффициентов функции влияния для каждого из факторов влияния Фn, используя один из алгоритмов для расчета линии тренда. Во время зондирования среды измеряют текущие значения Фni каждого из и факторов влияния на диссоциацию растворенного сероводорода и определяют текущие значения CSVi концентрации растворенного сероводорода по формуле где Ni - текущие значения выходного кода преобразователя. Или дополнительно определяют контрольное значение CSVконтр концентрации растворенного сероводорода на глубине, где значение CSVi максимально и равно CSVimax, способом, принятым за достоверный, например, с помощью прямого химического анализа пробы среды, вычисляют коэффициент поправки КП по формуле и определяют текущие значения CSVi концентрации растворенного сероводорода с учетом поправки по формуле 3 ил.
Наверх