DE2808339A1 - Elektrochemische vorrichtung zum aufspueren und/oder ueberwachen einer komponente in einem fluid - Google Patents

Description

PATENTANWALT RICHARD KNEISSL Widgnmayorstr. 46 -

MÜNCHEN 089/295125

Mappe 24 402 - Dr.K/rm ICI Case Nr. Mt) 29378

IMPERIAL CHEMICAL INDUSTRIES LIMITED London, Großbritannien

Elektrochemische Vorrichtlang zum Aufspüren und/oder Überwachen einer Komponente in einem Fluid

8 09836/0681

Beschreibung

Die Erfindung "bezieht sich auf eine elektrochemische Vorrichtung für die Analyse eines Fluids und insbesondere auf eine elektrochemische Vorrichtung zum Aufspüren und/oder Überwachen einer Komponente eines Fluids. Eine spezielle Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht aus einer elektrochemischen Vorrichtung zum Aufspüren und Überwachen von Chlor in einem Gasstrom.

In der Industrie ist es häufig nötig, rasch und genau die Anwesenheit und die Konzentration einer Komponente in einem Fluid, insbesondere in Gasen, aufzuspüren bzw. zu überwachen. Beispielsweise besteht ein Bedarf für das rasche Aufspüren und genaue Überwachen von giftigen Stoffen, wie z.B. Chlor, Brom, Stickoxide, Chlordioxid und Ozon, in einzuatmender Luft oder in Prozeßgasströmen. Für diesen Zweck wurden bereits zahlreiche Vorrichtungen bekannt, darunter auch elektrochemische Vorrichtungen, bei welchen die aufzuspürende und zu überwachende Substanz chemisch mit einem Reagens reagiert, das mit Elektroden in Kontakt steht, an welchen eine niedrige Spannung angelegt ist. Als Ergebnis der Änderung der Zusammensetzung des Reagenses aufgrund der chemischen Reaktion wird ein elektrischer Strom zwischen den Elektroden erzeugt. Die vorliegende Erfindung befaßt sich nunmehr mit dieser Type von elektrochemischen Vorrichtungen.

Vorrichtungen dieser Art können ein statisches Reagens oder ein fließendes Reagens enthalten. Bei der ersteren Type ist das Reagens in bezug auf die Elektroden statisch, und bei der letzteren Type fließt es über die Elektroden. Mit beiden Typen ist es möglich, ein rasches und genaues Ansprechen auf die im Fluid aufzuspürende und zu überwachende Komponente zu erzielen, jedoch besitzen beide Nachteile. Bei den Vorrichtungen mit statischem Reagens besteht das Reagens üblicherweise aus einer Lösung, oftmals einer wäßrigen Lösung. Wenn nun eine solche Vorrichtung

809836/0681

längere Zeit Gasströmen ausgesetzt ist, dann verdampft das Lo= sungsmittel und trocknet die Vorrichtung aus. Solche Vorrichtungen erfordern- deshalb eine häufige Yfertung, um ein zuverlässiges Arbeiten sicherzustellen. Vorrichtungen mit fließendem Reagens unterliegen weniger einem Austrocknen, da frisches Reagens kontinuierlich zu den Elektroden geführt wird. Sie sind jedoch teurer, da bei ihnen eine kontinuierliche Zufuhr von Reagens nötig ist, die Reagensfließgeschwindigkeit gemessen werden muß und die Reagensfließgeschwindigkeit häufig überwacht werden muß, um sicherzustellen, daß die Reagenszufuhr zufriedenstellend arbeitet.

Vorrichtungen mit statischem Reagens sind billiger zu installieren und zu betreiben als Vorrichtungen mit fließendem Reagens, weshalb ein Bedarf für eine Vorrichtung mit statischem Reagens einfacher Bauweise besteht, welche nicht die durch Austrocknen bedingten Schwierigkeiten ergibt und lange Zeiten ohne häufige Wartung betrieben werden kann. Die vorliegende Erfindung schafft nunmehr eine solche Vorrichtung. Diese beruht auf der Verwendung einer wäßrigen Lösung einer zerfließlichen Substanz als Reagens .

Gegenstand der Erfindung ist also eine elektrochemische Vorrichtung mit statischem Reagens zum Aufspüren und/oder Überwachen einer Komponente eines Fluids, welche zwei oder mehr Elektroden aufweist, die mit einem Reagens in Kontakt stehen, das chemisch mit der aufzuspürenden und/oder zu überwachenden Komponente des Fluids reagiert, so daß ein elektrischer Strom fließen kann. Das Neue der'Vorrichtung besteht darin, daß sie eine wäßrige Lösung einer zerfließlichen Substanz enthält.

Bei der Verwendung der Vorrichtung, welche zweckmäßig die Form einer Sonde aufweist, wird eine niedrige Spannung an die Elektroden angelegt. Eine Änderung der Zusammensetzung des Reagenses, die sich aus dessen Reaktion mit der aufzuspürenden bzw. zu überwachenden Fluidkomponente ergibt, verursacht einen meßbaren

809836/0681

elektrischen Strom zwischen den Elektroden. Die Größe dieses elektrischen Stroms steht in direktem Verhältnis zur Menge der mit dem Reagens umgesetzten Fluidkomponente und ergibt somit ein Anzeichen der Konzentration dieser Komponente im Fluid. Da das Reagens eine zerfließliche Substanz enthält, wird der Neigung der Vorrichtung, durch Verlust von Wasser aus dem Reagens auszutrocknen, aufgrund von Absorption von Wasser aus dem zu analysierenden Fluid, beispielsweise atmosphärische Luft, entgegengewirkt.

Die erfindungsgemäße elektrochemische Vorrichtung kann die Form aufweisen, wie sie bisher für die bekannten Vorrichtungen üblich war. Beispielsweise kann sie eine Zelle besitzen, welche das Reagens enthält, in das die Elektroden vollständig oder teilweise eintauchen, wobei das zu analysierende Fluid über die Oberfläche des Reagenses geführt wird. Jedoch besitzt die Vorrichtung vorzugsweise die Form einer Sonde mit Drahtelektroden, die außen und im Abstand voneinander rund um ein absorbierendes Teil, z.B. Filterpapier, das mit dem Reagens gesättigt ist, gewickelt sind. Solche Sonden können einfach in das zu analysierende Fluid eingehängt werden und bieten den Vorteil, daß jegliches durch das zerfließliche Reagens gesammelte zusätzliche Wasser, wenn das zerfließliche Reagens mit einem einen hohen Feuchtigkeitsanteil enthaltenden gasförmigen Fluid in Berührung kommt, ohne wesentliche Beeinflussung des Ansprechens oder der Genauigkeit der Sonde verkraftet werden kann. Eine äußere kontinuierliche Zufuhr von Reagens ist nicht erforderlich.

Durch eine geeignete Auswahl eines Reagenses, welches mit der aufzuspürenden bzw. zu überwachenden Fluidkomponente chemisch reagiert, kann die elektrochemische Vorrichtung zum Aufspüren bzw. Überwachen einer großen Reihe von Fluidkomponenten eingerichtet werden. Beispielsweise kann durch eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung Chlor in Gasen aufgespürt und überwacht werden, wobei in der Vorrichtung das

809836/0681

280833

Reagens aus einer wäßrigen Lösung eines zerfließlichen Halogenid= salzes, wie z.B. Calciumbromid, besteht.

Da eine besonders nützliche Reaktion eine solche ist, bei der ein Halogen, insbesondere Brom oder Jod, in Freiheit gesetzt wird, wird es bevorzugt, zerfließliche Halogenidsalze als Reagens zu verwenden. Beispiele für geeignete Reagentien sind die zerfließlichen Bromide und Jodide von Calcium, Lithium und Magne= sium.

Oxidierende Gase, wie z.B. Chlor, Brom_s Chlordioxid, Ozon und Stickoxide, wie Stickstoffdioxid, können mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung aufgespürt bzw. überwacht werden» Es wurde beispielsweise gefunden, daß Calciumbromid das bevorzugte Reagens zum Aufspüren bzw. Überwachen von Chlor ist und daß Lithiumiodid zum Aufspüren bzw. Überwachen von Stickoxiden bevorzugt wird_o

Die Elektroden können aus jedem leitenden Material hergestellt werden, das unter den Reaktionsbedingungen chemisch inert ist, d.h., daß es gegenüber dem Reagens, dem aufzuspürenden bzw» zu überwachenden Gas und den durch die Reaktion gebildeten Verbindungen inert ist. Platin ist das bevorzugte Material für die Elektroden, obwohl auch andere Materialien, wie z_oB_e Platin/ Rhodium-Legierungen, gegebenenfalls verwendet werden können.

809836/0681

Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen-:

Fig. 1 eine geschnittene Seitenansicht einer Sonde zum Aufspüren und Überwachen von Chlor in einem Gasstrom; und

Fig. 2 die Sonde von Figur 1 in einem Wetterschutz für die Verwendung im Freien.

Gemäß den Zeichnungen besitzt die Sonde Platindrahtelektroden 1 und 2, die getrennt, aber dicht aneinander in ein absorbierendes Faserrohr 3 gewickelt sind, welches mit einer wäßrigen Calciumbromidlösung gesättigt ist. Das Rohr ist zwischen einem zylindrischen Sondenkopf 4 aus Polyvinylchlorid und einem absorbierenden Rohr 5 mit Hilfe einer Gewindestange 6 aus rostfreiem Stahl und einer Kiemmutter 7 aus Polyvinylchlorid eingeklemmt. Die freien Enden der Drahtelektroden 1 und 2 gehen durch Löcher 8 und 9 im Sondenkopf 4 hindurch und führen zu Anschlüssen 10 und 11 auf dem Sondenkopf 4, zum Anschluß der Elektrode an eine Spannungsquelle, und zwar über eine geeignete elektrische Schaltung (nicht gezeigt), die ein Meßinstrument, wie z.B. einen Amperemeter, aufweist. Eine dicht-sitzende Hülse.12, wie z.B. ein Gummirohr, umgibt das absorbierende Rohr 5 und das Ende des absorbierenden Rohrs 3, wie dies dargestellt ist, so daß ein Reservoir 13 in der Unterseite der Sonde gebildet wird, worin der Reagensüberschuß, der nicht durch die Rohre 3 und 5 aufgenommen wird, gesammelt wird. Ringförmige Einsätze 14 und 15 in der Sonde ergeben Befestigungspunkte für die Drahtelektroden 1 und 2, verstärken die Rohrenden 3 und 5 und schützen die Stoßverbindung zwischen den Rohren 3 und 5.

Bei der Verwendung der Sonde werden die absorbierenden Rohre 3 und 5 mit einer wäßrigen Lösung von beispielsweise Calciumbromid gesättigt, und eine niedrige Spannung von beispielsweise 0,6 V wird an die Elektrodenanschlüsse 10 und 11 angelegt. Die Sonde

809836/0881

-JK-

9" 2608339

wird in den zu analysierenden Gasstrom eingeführt. Ein gegebenenfalls anwesendes Chlor in dem Gas reagiert mit dem Calciumbromid, wodurch ein elektrischer Strom zwischen den Elektroden 1 und 2 durch eine entsprechende elektrische Schaltung fließt, wobei der Strom direkt mit der Konzentration des Chlors im Gasstrom In Beziehung steht.

Gemäß Figur 2 ist die Sonde mit einem Wetterschutz 16 für die Befestigung im Freien versehen. Der Wetterschutz 16 ist an einem Wetterschutzkopf 17 mit Hilfe von Schrauben 18 befestigt. Ein Deckel 19 und eine Dichtung 20 dichten den Wetterschutzkopf 17 gegen den Eintritt von Wasser aus der Atmosphäre ab. Der Wetterschutz 16 ist mit Öffnungen 21 versehen, welche die Zirkulation der Luft innerhalb des Wetterschutzes 16 um die Sonde verbessern. Die Anschlüsse 10 und 11 auf dem Sondenkopf sind durch ein Signalkabel 22 über eine Stopfbüchse 23 mit einem Anschlußkasten 24 zum Zwecke des Anschlusses mit einer Meßschaltung (nicht gezeigt) verbunden. Ein Halter 25 ist vorgesehen, mit welchem die geschützte Sonde an einer geeigneten Wandung oder an einem geeigneten Behälter an irgendeiner gewünschten Stelle befestigt werden kann.

Bei der Verwendung der Sonde zum Aufspüren bzw. Überwachen einer Komponente eines Gasstroms, wie z.B. Luft, wird die Sonde einfach in den Gasstrom eingeführt, worauf eine niedrige Spannung an den Elektroden 1 und 2 angelegt wird» Wenn der Feuchtigkeitsgehalt des Gasstroms niedrig ist oder während des Gebrauchs der Sonde absinkt, dann wird Feuchtigkeit aus den freiliegenden Oberflächen des absorbierenden Rohrs 3 verdampfen. Um diesen Feuchtigkeitsverlust zu ersetzen, wird Reagens durch Kapillarwirkung vom absorbierenden Rohr 5, welches in das Reservoir 13 eintaucht, zum absorbierenden Rohr 3 überführt. Wenn umgekehrt der Feuchtigkeitsgehalt des Gasstromes hoch ist oder während der Verwendung der Sonde zunimmt, dann wird Feuchtigkeit durch das zer~ fließliche Reagens auf der freien Oberfläche des Rohrs 3 absorbiert, wobei jegliche überschüssige Feuchtigkeit in das Rohr 5 und das Reservoir 13 fließt.

809836/0681

Es ist leicht einzusehen, daß durch eine geeignete Auswahl von Reagens und Elektroden die in der Zeichnung dargestellte Sonde zum Aufspüren- und Überwachen der verschiedensten gasförmigen Komponenten, wie z.B. Chlordioxid, Ozon und Stickoxide, in Gasen angepaßt werden kann. Außerdem ist es leicht einzusehen, daß der Signalstrom, der durch die Sonde erzeugt wird, für die verschiedensten Zwecke verwendet werden kann. Beispielsweise kann er zum Auslösen eines sichtbaren und/oder hörbaren Alarms verwendet werden, wenn eine bestimmte Konzentration der überwachten Komponente erreicht oder überschritten wird. Außerdem kann er in ein Aufzeichnungssystem, wie z.B. einen Schreiber, eingegeben werden, so daß eine sichtbare Aufzeichnung der Änderungen in der Konzentration der Komponente mit der Zeit erhalten wird.

809836/0681

L e e r s e i ί

Claims (7)

1. Patentansprüche

   Elektrochemische Vorrichtung mit statischem Reagens zum Aufspüren und/oder Überwachen einer Komponente eines Fluids, mit zwei oder mehr Elektroden, die mit einem Reagens in Kontakt stehen, das chemisch mit der aufzuspürenden und/oder zu überwachenden Fluidkomponente reagiert, so daß ein elektri«= scherStrom zwischen den Elektroden fließen kann, dadurch gekennzeichnet, daß das Reagens aus einer wäßrigen Lösung einer zerfließlichen Substanz besteht.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung die Form einer Sonde aufweist, welche Drahtelektroden besitzt, die außen und im Abstand voneinander um ein mit dem Reagens gesättigtes absorbierendes Teil gewickelt sind.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das absorbierende Teil, um welches die Elektroden gewickelt sind, aus einem Faserrohr besteht.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Reservoir des Reagenses vorgesehen ist, das mit"dem absorbierenden Teil in Verbindung steht, um welches die Elektroden gewickelt sind.
5. 5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Anschlüsse zum Anschluß der Vorrichtung an ein Meß-, Alarm- oder Aufzeichnungssystem vorgesehen sind.
6. 6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Reagens aus einer wäßrigen Calciumbromidlösung besteht.

   809836/0601

   - 2 - 28Ü8339
7. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch g e kennzeichnet, daß das Reagens aus einer wäßrigen Lithiumjodidlösung besteht.