游離氯傳感器的製作方法

2023-10-23 19:59:47

專利名稱:游離氯傳感器的製作方法
發明背景本發明涉及定量分析的傳感器。更具體而言，本發明涉及利用電極響應而測量溶液中游離氯濃度的傳感器。
氯，不管哪一種形式，經常被用作水處理的消毒劑。這樣的處理可以包括消毒飲用水、處理遊泳池、消毒與水進行接觸的物品和想要殺死水中細菌的許多其它應用。水的消毒劑系統的適當操作一般需要氯的測定以確保使用了足夠量的氯。
游離氯是以一種或多種形式存在的用作消毒劑的氯。游離氯可以存在為解離的氯氣、次氯酸鹽離子、和次氯酸。已知次氯酸鹽離子與次氯酸的相對比例是與溶液的pH有關的。Rosemount Analytical Incorporated，anEmerson Process Management Company提供用於游離氯連續測定的游離氯傳感器，商品名稱型號為499ACL-01。所述傳感器可以測量pH高達9.5的樣品中的游離氯並且作為電流分析傳感器操作。
一般而言，現有技術的游離氯傳感器需要與某種形式的pH補償配對。所述pH的補償是必要的，因為只有次氯酸形式的游離氯在電流分析裝置的陰極是可還原的。如上所述，游離氯在溶液中存在兩種形式次氯酸鹽離子和次氯酸，兩種形式的相對比例取決於所述溶液的pH。低於pH 6，游離氯實際上是100％次氯酸，而高於pH 10，游離氯實際上是100％次氯酸鹽離子。次氯酸鹽離子和次氯酸的相對濃度隨pH而變化，如圖1中所圖解。
如果游離氯傳感能夠不用pH的另外傳感而進行，那麼它將是非常有用的。本領域的目前狀態，其中pH必須被傳感或已知到一定程度，不必要地複雜化了游離氯測量並且增加了測量系統的費用。
已經進行了嘗試以減輕不同的pH對氯測量的影響。例如，使用了緩衝液以嘗試維持內部電解質溶液在選定的pH。此外，授予Popp的美國專利5,693,204提供了分析儀器用被動式pH調整。然而，至今，嘗試涉及笨重的pH維持系統或者用於所述氯測量的獨立的pH補償。不需要pH測量和補償的游離氯傳感器的提供，還有簡單和易保養游離氯傳感器的提供，將推進游離氯傳感技術並降低提供和維持水消毒劑系統的總成本。
發明概述提供了游離氯測量系統和傳感器。根據本發明的一個方面，所述傳感器具有放置在最接近多孔膜的電解質中的多孔工作電極。所述膜使游離氯通過那裡和在那裡被還原並產生電流。所述電流與所述游離氯濃度有關。用長期pH穩定劑使內部電解質溶液pH穩定，所述pH穩定劑在室溫下在水中具有約1.2摩爾/升和約0.001摩爾/升之間的溶解度。所述穩定劑可以是酸或者鹼，這分別取決於所述pH是被穩定在相對低的值還是相對高的值。
附圖簡述圖1是游離氯種類的比例作為pH的函數的圖。
圖2是本發明實施方案是特別有用的游離氯監測系統的圖解視圖。
圖3是根據本發明實施方案的游離氯電流分析傳感器的圖解視圖。
圖4是根據本發明實施方案的游離氯傳感器的傳感器響應的曲線圖。
圖5是根據現有技術的游離氯傳感器的傳感器響應的曲線圖。
優選實施方案詳述本發明的實施方案提供了游離氯傳感器，其具有多孔陰極組件和放置在所述電解質填充溶液中的室溫下在水中的溶解度在約1.2摩爾/升和約0.001摩爾/升之間的酸或鹼。這個放置提供了有用的不用pH補償就可以操作的游離氯電流分析傳感器。
圖2是本發明實施方案是特別有用的游離氯監測系統的圖解視圖。系統10包括分析裝置12和傳感器14。分析裝置12可以是能夠從傳感器14產生有意義的游離氯信息的任何適合裝置。例如，裝置12可以是分析儀例如從Rosemount Analytical Inc.Uniloc Division of Emerson ProcessManagement可得到的1054型Microprocessor Analyzer。裝置12也可以是適合於產生氯數據並通過過程通信迴路傳送所述數據的變送器(transmitter)。這樣一種變送器的一個實例是從Rosemount Analytical Uniloc可得到的1181RC型Transmitter。將傳感器14連接到液體樣品標本容器16，例如，它可以是管。傳感器14具有應所述液體標本中游離氯濃度而變化的電特性。
圖3是根據本發明實施方案的游離氯電流分析傳感器40的圖解視圖。將工作電極42放置在最接近多孔親水膜32。在一個優選實施方案中，工作電極42是氣體擴散電極(Gas Diffusion Electrode(GDE))。在這個實例中，電極42是在碳布電極(carbon cloth electrode)(ECC)上裝有80％鉑黑(粉末狀的鉑)和碳的GDE。所述鉑以約5.0mg/cm2的密度分布。用於工作電極26的構造可以從Somerset，New Jersey，USA的E-Tek，Inc.(www.etek-inc.com)通過指定上述所列的裝料和密度而獲得。雖然圖3將工作電極42表示為GDE，但是可以使用其它形式的多孔電極，例如篩孔(mesh)。
對於這種類型傳感器的一個重要的設計考慮是所述電解質的損失速率。具體而言，因為親水膜是多孔的，所以將存在所述電解質隨時間的損失，並且如果認為所述損失速率是通常不能接受的，那麼所述傳感器將需要頻繁地再填充。為了限制損失速率，將長期pH穩定劑用作電解質。所述長期pH穩定劑一般是固體形態的弱酸或鹼35，根據它的解離常數，將它提供在電解質溶液中以維持所述pH在選定的水平。為實現可接受的損失速率，希望所述酸或鹼具有在室溫(約25攝氏度)下在水中的溶解度在約1.2摩爾/升和約0.001摩爾/升之間。例舉的具有適合溶解度的酸是琥珀酸(丁二酸)；己二酸(adipic acid)(己二酸)；辛二酸(suberic acid)(辛二酸)；和硼酸。將所述低溶解度酸用於維持所述電解質在低濃度。如果需要，所述pH可以通過採用具有合適地低溶解度的鹼改為保持在相對高的水平，所述溶解度還是在室溫下在水中為約1.2摩爾/升和約0.001摩爾/升之間。為了減少再填充頻率，將固相的所述酸或鹼儲存在如圖3中所示的傳感器室內部。因為溶解的酸或鹼通過所述親水膜損失，所以所述固相將持續補充所述酸或鹼以長時間保持所述溶液是飽和的。
圖4和5圖解了根據本發明的傳感器(圖4)和根據本領域現有技術的傳感器(圖5)的傳感器響應的對比。如圖解，當pH從7變至約10時，現有技術傳感器的傳感器響應變化顯著。另一方面，圖4中所示的傳感器響應，當顯示較小的pH依賴時，幾乎不像圖5的響應那樣顯著。事實上，認為變化的樣品pH的效應將對根據本發明的傳感器的響應具有很小的影響以致可以排除pH測量和補償。此外，藉助於選擇適合的酸或鹼，可以簡單地完成所述電解質填充溶液內的長期pH控制的提供。
雖然根據本實施方案描述了本發明，但是本領域技術人員將理解在不背離本發明實質和範圍的情況下可以在形式和細節上進行變化。
權利要求
1.一種用於測量游離氯的電流分析傳感器，所述傳感器包括傳感器主體；放置在所述傳感器主體內的電解質；連接到所述傳感器主體並且適於使游離氯通過那裡進入到所述傳感器主體的膜；放置在所述電解質中的參比電極；放置在最接近所述膜的多孔工作電極，所述多孔工作電極由貴金屬製成；和放置在所述電解質中的固相的長期pH穩定劑，所述穩定劑在約25攝氏度下在水中具有約1.2摩爾/升和約0.001摩爾/升之間的溶解度。
2.權利要求
1的傳感器，其中所述非緊密形式是氣體擴散電極。
3.權利要求
2的傳感器，其中所述氣體擴散電極是用粉末形式的貴金屬裝填的。
4.權利要求
3的傳感器，其中所述貴金屬是鉑。
5.權利要求
4的傳感器，其中將所述鉑以大約80％Pt/C裝填到所述氣體擴散電極上。
6.權利要求
2的傳感器，其中所述氣體擴散電極包括碳布。
7.權利要求
1的傳感器，其中所述非緊密形式的工作電極是篩孔。
8.權利要求
7的傳感器，其中所述工作電極是由金篩孔製成的。
9.權利要求
1的傳感器，其中所述長期pH穩定劑是酸。
10.權利要求
9的傳感器，其中所述酸是琥珀酸。
11.權利要求
9的傳感器，其中所述酸是己二酸。
12.權利要求
9的傳感器，其中所述酸是辛二酸。
13.權利要求
9的傳感器，其中所述酸是硼酸。
14.權利要求
1的傳感器，其中所述穩定劑是鹼。
15.權利要求
1的傳感器，其中所述膜是親水的。
16.一種用於監測游離氯濃度的系統，所述系統包括游離氯電流分析傳感器，該游離氯電流分析傳感器包括傳感器主體；放置在所述傳感器主體內的電解質；連接到所述傳感器主體並且適於使游離氯通過那裡進入到所述傳感器主體的膜；放置在所述電解質中的參比電極；放置在最接近所述膜的多孔工作電極，所述多孔工作電極由貴金屬製成；和放置在所述電解質中的固相的長期pH穩定劑，所述穩定劑在約25攝氏度下在水中具有約1.2摩爾/升和約0.001摩爾/升之間的溶解度；和連接所述參比電極和所述工作電極的分析裝置，所述分析裝置適於提供充分的工作電勢和測量在所述參比電極和工作電極之間流動的電流並且基於所述電流提供游離氯濃度的指示。
17.權利要求
16的系統，其中所述分析裝置是變送器。
專利摘要
本發明提供了游離氯測量系統(10)和傳感器(14)。根據本發明的一個方面，所述傳感器(14)具有放置在最接近多孔膜(32)的電解質(24)中的多孔工作電極(42)。所述膜(32)使游離氯通過那裡，在那裡氯被還原並產生電流。所述電流與所述游離氯濃度相關。內部的電解質溶液(24)是用長期pH穩定劑(35)pH穩定化的，所述穩定劑在室溫下在水中具有約1.2摩爾/升和約0.001摩爾/升之間的溶解度。所述穩定劑(35)可以是酸或者鹼，這分別取決於所述pH是穩定在相對低的值還是相對高的值。
文檔編號G01N33/00GK1997890SQ200580022198
公開日2007年7月11日 申請日期2005年7月22日
發明者馮昌東, 徐基壽, J·加勒森 申請人:羅斯蒙德分析公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan