Тема 4 і 5 газоаналітичні прилади для вимірювання хімічного складу газового середовища.

1. Електрохімічні газоаналізатори.

Електрохімічні методи використовують для безперервного автоматичного аналізу газів і пари. Особливо широко ці методи застосовують для визначення мікроконцентрацій домішок токсичних речовин в атмосфері. В той же час використання полімерних плівок як дифузійних бар'єрів дозволило розширити область застосування електрохімічних методів на великі концентрації речовин. Ці газоаналізатори застосовують також для визначення концентрації газів, розчинених в рідинах.

На підставі цих методів побудовані: кондуктометричний, кулонометрический і полярографічний газоаналізатори.

Кондуктометричні газоаналізатори засновані на вимірюванні електричної провідності поглинювальних розчинів, що абсорбують вимірюваний компонент газової суміші.

На мал. 1 приведена схема газоаналізатора, що працює на принципі кондуктометрії. Аналізований газ проходить через капілярну трубку 1 і подається в реакційну ємність 2 і змійовик 3, де визначуваний компонент абсорбується розчином електроліту, що подається з постійною швидкістю. Далі розчин електроліту проходить через вимірювальний осередок 4 з парою електродів 5, а газова фаза виводиться з газоаналізатора через трубку 6. Порівняльні електроди 7 знаходяться в трубці, по якій подається свіжий розчин електроліту.

Мал. 1. Схема кондуктометричного газоаналізатора.

Таким чином, в газоаналізаторі вимірюється електрична провідність розчину електроліту до і після абсорбції вимірюваного компоненту. Різниця значень провідності пропорційна концентрації визначуваного компоненту, що фіксується вторинним приладом 8. Для запобігання при електролізі відкладення осадів на електроди комірки подається змінна напруга, яка потім випрямляється. Прилад градуюють з використанням газу відомої концентрації.

Газоаналізатори, засновані на вимірюванні електричної провідності, можна застосовувати для аналізу O₂, СO₂, Н₂S, SO₂, NH₃ водяної пари і інших компонентів.

Кулонометрічні газоаналізатори.

Метод кулонометричного аналізу заснований на відкритому Фарадєєм законі, що встановлює пряму пропорційність між кількістю минулої через електрохімічну систему електрики і кількістю речовини, що прореагувала на електроді. Методи кулонометричного аналізу розділяють на дві групи: метод кулонометричного титрування і метод кулонометрії при контрольованому потенціалі.

Метод кулонометричного титрування полягає в електрохімічному отриманні деякого проміжного компоненту (титранта), здатного швидко і відповідно до стехіометричним співвідношення реагувати з аналізованим компонентом газової суміші. По силі струму генерування титранту судять про концентрацію. Такі газоаналізатори призначені для визначення малих концентрацій сірчистих з'єднань (сірчистого ангідриду, сірководню, сульфідів і т.д.) в аналізованій суміші або в повітрі виробничих приміщень.

Метод кулонометрії при контрольованому потенціалі полягає у вимірюванні сили струму при електролізі розчину, що містить визначувану речовину, причому потенціал вимірювального електроду під час електролізу підтримують в таких межах, що визначуваний компонент реагує повністю. На базі цього методу розроблені газоаналізатори для визначення озону, сірководня, сірчистого газу і ін.

Одним з приладів подібного типу, що працює в безперервному режимі, є газоаналізатор для аналізу мікроконцентрацій сірчистого газу.

Мал. 2. Схема осередку кулонометрического газоаналізатора.

Осередок аналізатора (мал. 2) містить вимірювальний електрод 1 і два допоміжні електроди 6. Допоміжні електроди відокремлені іонообмінними мембранами 5 від вимірювального електроду і від камери 2 із запасним електролітом, в якій знаходиться електрод очищення 3. Сполучні канали а і б забезпечують підтримку рівня електроліту в камері вимірювального електроду. Аналізована суміш подається в камеру вимірювального електроду через отвори, радіально розташовані в нижній частині трубки 4. На дні камери під електродом завжди знаходяться декілька шматочків елементарного йоду, де вони поволі розчиняються. При барботировании газової суміші через електроліт сірчистий газ відновлює йод до йодиду, який потім окислюється на вимірювальному електроді. Як електроліт використовують 5 %-ный розчин сірчаної кислоти.

Осередок працює в режимі гальванічного елементу. Для цього як допоміжний електрод використовують електрод на основі двоокису марганцю. Осередок не потребує калібрування і періодичної перевірки, оскільки визначувану концентрацію завжди можна розрахувати, виходячи із закону Фарадея. Для цього необхідно знати лише силу струму і витрату аналізованого газу.

Полярографічний метод газового аналізу.

Метод заснований на електролізі електролітів, що містять електрохімічний активні речовини, кількість яких пропорційно парціальному тиску цих речовин в газі, що безперервно продувається (барботирующем) через електроліт.

Сила струму електролізу (1)

де п — заряд іона; F — число Фарадея; s — площа поверхні індикаторного електроду; D — коефіцієнт дифузії; З — концентрація визначуваної речовини; д — загальна товщина дифузійного шару.

При постійному д сила струму Iд = kС.

Робота полярографічних газоаналізаторів заснована на вимірюванні граничної сили дифузійного струму згідно рівнянню (1) в ланцюзі трьохелектродного електролітичного осередку з індикаторним, порівняльним і допоміжним електродами. В процесі вимірювання контролюється різниця потенціалів між індикаторним електродом і порівняльним; потенціал останнього постійний. Різниця потенціалів порівнюється з потенціалом, заданим блоком живлення. При відхиленні різниці потенціалів від заданого значення автоматично змінюється напруга, що подається на електроди, що викликає зміну потенціалу допоміжного і, відповідно, індикаторного електроду до відновлення різниці потенціалів, що змінилася.

За відсутності в електроліті електрохімічний активної речовини індикаторний електрод поляризується і сила струму у вимірювальному ланцюзі практично рівна нулю. При введенні в осередок електрохімічний активної речовини у вимірювальному ланцюзі з'являється струм, сила якого пропорційна концентрації речовини.

На мал. 3 приведена схема газоаналізатора для визначення кисню. Газоаналізатор складається з блоку I підготовки проби, осередки II, блоку живлення III, потенціометра IV. Індикаторний 8 і допоміжний 7 електроди змонтовані на стрижні, поміщеному в індикаторній камері 6. Порівняльний електрод 3 розташований в окремому корпусі 4, поміщеному в камеру 5 із запасним електролітом, і сполучений з робочим електролітом містком 12 з агарової солі. Постійний рівень електроліту в індикаторній камері підтримується за допомогою електролітного а і газового б каналів. У індикаторну камеру введені нагрівальний елемент 11 і індикатор температури 9, призначені для термостатирования робочого об'єму камери.

Мал. 3. Схема полярографічного газоаналізатора.

Аналізований газ подається в датчик газоаналізатора з технологічної лінії через фільтр 1, що очищає пробу від механічних домішок. Швидкість подачі проби регулюється регулятором витрати 2. Поступаючи в осередок, газ розбивається на дрібні потоки на пористій пластині 10. Кисень, що міститься в газі, розчиняється в електроліті пропорційно своєму парціальному тиску. Збираючись над електродом, аналізований газ витісняє електроліт з індикаторної камери до рівня нижнього зрізу каналу а, а потім барботирует через камеру із запасним електролітом і скидається в атмосферу.