DE1262046B - Anordnung zur Konzentrationsmessung von oxydierenden und reduzierenden Stoffen in Fluessigkeiten - Google Patents

Anordnung zur Konzentrationsmessung von oxydierenden und reduzierenden Stoffen in Fluessigkeiten

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DE1262046B
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Dr Helmuth Galster
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    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/416Systems
    • G01N27/4166Systems measuring a particular property of an electrolyte
    • G01N27/4168Oxidation-reduction potential, e.g. for chlorination of water

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Description

  • Anordnung zur Konzentrationsmessung von oxydierenden und reduzierenden Stoffen in Flüssigkeiten Die Erfindung betrifft Anordnungen zur Bestimmung von in einer Flüssigkeit enthaltenen oxydierenden oder reduzierenden Stoffen im Wege der Potentialmessung. Diese Messung bedient sich einer aus Meßelektrode und Bezugselektrode bestehenden Meßkette und beruht auf der möglichst stromlosen Bestimmung der elektromotorischen Kraft, die in dem zu untersuchenden Elektrolyten zwischen den beiden Elektroden besteht. Für die Meßelektrode verwendet man dabei ein polarisierbares, chemisch praktisch unangreifbares Material, meist Gold, Platin oder ein anderes Edelmetall, während als Bezugselektrode die Kalomelelektrode bevorzugt wird. Diese Meßmethode eignet sich besonders zur laufenden Kontrolle und Regelung des Gehaltes an Ozon, Chlor, Hypochlorit usw. in Wasser, da hierbei das Oxydationspotential, welches das einzige Maß für die Wirksamkeit einer Bleichung oder Entkeimung darstellt, direkt, und zwar laufend und ohne Reagensverbrauch, gemessen werden kann.
  • Der kontinuierlichen Messung von Redoxpotentialen haftet der Nachteil des Auftretens der sogenannten Polarisationserscheinungen an, welche die praktische Anwendung dieser Messung bisher begrenzten. Die Meßelektrode zeigt nach der positiven Aufladung, die sie gegen die Flüssigkeit bei Gegenwart eines oxydierenden Stoffes erhalten hat, eine scheinbare elektrochemische Veredelung, Passivierung genannt, die sich darin zu erkennen gibt, daß diese Elektrode auch dann noch ein höheres Potential beibehält, wenn dies der Zusammensetzung der zu messenden Flüssigkeit nicht mehr entspricht. Das als Material für die Meßelektrode zumeist verwendete Platin neigt besonders stark zur Passivierung.
  • Die Passivität der Meßelektrode geht erst nach längerer Zeit, nachdem eine bestimmte Elektrizitätsmenge über die Bezugselektrode abgeflossen ist, zurück. Bei sinkendem Potential ergibt sich daraus eine dem Eingangswiderstand der Meßanordnung proportionale Anzeigeverzögerung, die bei einem modernen Röhrenverstärker mit mehreren Megohm Eingang Stunden betragen kann.
  • Man hat versucht, mit einem Eingangswiderstand von nur wenigen tausend Ohm zu messen, bei dessen Verwendung sich die Passivierung der Meßelektrode nicht mehr störend bemerkbar macht. Dabei bricht jedoch das Potential zusammen, so daß die Messung zu einer Strommessung wird und an den Elektroden starke Veränderungen auftreten. Man versucht dem auf die Weise abzuhelfen, daß man die Elektrode periodisch mechanisch durch Bürsten oder mit Sand reinigt.
  • Zur Vermeidung der bei der Bestimmung von oxydierenden und reduzierenden Stoffen in Flüssigkeiten durch Potentialmessung zufolge Polarisation auftretenden Schwierigkeiten schlägt die Erfindung vor, die Meßanordnung so zu treffen, daß der, wie bekannt, aus Meßelektrode und Bezugselektrode bestehenden Kette eine die Polarisationserscheinungen ausschaltende Hilfselektrode zugeordnet ist, wobei zwischen Meßelektrode und Hilfselektrode eine Spannungsdifferenz besteht. Die Vorsehung einer Hilfselektrode im Sinne der Erfindung - Hilfselektroden sind bei anderen elektrochemischen Einrichtungen an sich bekannt, wie weiter unten ausführlich erörtert wird - ermöglicht es auf sehr einfache Weise, mit Hilfe des zufolge der genannten Spannungsdifferenz fließenden Depolarisationsstromes die polarisierte Elektrode in dem Sinne zu beeinflussen, daß die geschilderten, als Folge von Passivierung sich ergebenden nachteiligen Wirkungen unterbleiben. Dabei besitzt die Hilfselektrode gegenüber der Meßelektrode eine Vorspannung, die geringer ist als die Zersetzungsspannung des Elektrolyten. Zur Erzeugung der Spannungsdifferenz ist zwischen Meß- und Hilfselektrode eine Gleichstromquelle vorgesehen, wobei die Elektroden hinsichtlich Material und Form gleich oder ungleich sein können.
  • Die erfindungsgemäße Anordnung zur Konzentrationsanzeige von oxydierenden oder reduzierenden Stoffen in Flüssigkeiten, beruhend auf der Messung der an den Phasen- und Grenzflächen einer galvanischen Kette auftretenden Potentialdifferenz, bestehend aus einer Meßelektrode, aus einem polarisierbaren, chemisch unangreifbaren Material, vorzugsweise einem Platinmetall und aus einer Bezugselektrode sowie aus einem in den Leitungskreis geschalteten Anzeigegerät und bestehend aus einer bei anderen elektrochemischen Einrichtungen bekannten Kombination eines Hilfsstromkreises mit dem Meßstromkreis ist dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelektrode (3) des Meßkreises (3, 6, 2) während der Messung durch einen Hilfsstrom kontinuierlich entpolarisiert ist, daß der von der Gleichstromquelle (5) gespeiste Hilfsstromkreis aus der Hilfselektrode (4) als Anode und aus der Meßelektrode (3) als Kathode besteht, daß die an der Meßelektrode (3) ständig anliegende Vorspannung aus der Gleichstromquelle (5) in an sich bekannter Weise unter der Zersetzungsspannung des Elektrolyten liegt.
  • Einrichtungen, bei denen die elektrischen Potentiale möglichst unterhalb der Zersetzungsspannung liegen sollen, sind aus der präparativen Elektrochemie bekannt, um dort die Stromausbeuten im Hinblick auf die gewünschten Reaktionsprodukte günstig zu halten (vgl. Eucken - Suhrmann, »Physikalisch-chemische Praktikumsaufgaben«, 3. Auflage, 1952, S. 252). Es handelt sich dabei um die Oxydation von Oxalsäure zu Kohlensäure und Wasser.
  • Auch bei Meßanordnungen, bei denen die Stärke eines Depolarisationsstromes gemessen werden soll, ist bereits vorgeschlagen worden, Hilfsspannungen zu verwenden, die unterhalb der Zersetzungsspannung der verwendeten Elektrodenkette liegen sollen. Dabei setzt sich diese Spannung aus der Zersetzungsspannung des Wassers und der an den Elektroden herrschenden Überspannung zusammen. Die Hilfsspannung soll dabei ausschließlich zur Erzeugung der Polarisation dienen, um beispielsweise den im Wasser enthaltenen Sauerstoff auf Grund seiner depolarisierenden Wirkung zu messen. Hierbei ist der Hilfsstrom gleichzeitig ein Bestandteil des zu messenden Stromes; diese Maßnahme betrifft daher auch nicht eine Potentialmessung, weil diese nur an unpolarisierten Elektroden stromlos stattfinden kann.
  • Verfahren zur Beseitigung von P olarisationserscheinungen mittels Hilfssp annungen sind ebenfalls bereits vorgeschlagen worden, und zwar soll bei Leitfähigkeitsmessungen zur Vermeidung der Wechselstrompolarisation eine künstliche Polarisationsspannung gegengeschaltet werden (vgl. Eucken -Jakob, »Der Chemie-Ingenieur«, Bd. II, 4. Teil, 1933, S. 265). Nähere Einzelheiten über dieses Verfahren sind nicht bekanntgeworden, es wird sich jedoch auf keinen Fall auf die Messungen von Gleichspannungspotentialen anwenden lassen, da die Gegenschaltung im Meßkreis selbst erfolgen muß, also keine Hilfselektrode verwendet wird.
  • Die Beseitigung störender Polarisationserscheinungen bei der Potentialmessung war bisher nur nach einer diskontinuierlichen Methode möglich (deutsche Patentschrift 835 070), die darin besteht, daß in zeitlichen Abständen diskontinuierlich eine Fremdspannung an die Elektroden gelegt wird, die ausschließlich oberhalb der Zersetzungsspannung des Wassers liegt und deren Wirkung in der Ablösung aller Verunreinigungen durch die entwickelten Gase besteht.
  • Da jedoch während der Gasentwicklung keine Messung möglich ist, bleibt das Verfahren auf diskontinuierlichen Betrieb beschränkt. Die Passivierung der Platinmetalle tritt überdies sofort nach Berührung mit der oxydieren Lösung ein, so daß nach jeder Umschaltung nur ein Meßwert genommen werden könnte.
  • Demgegenüber zeigt die Erfindung erstmals den Weg für eine stetige Beseitigung störender Polarisation und Passivierung der Meßelektrode.
  • Die Verwendung von zusätzlichen Hilfselektroden bei der Potentialmessung ist an sich bekannt (deutsche Patentschrift 668 764), wenn sie zur Gewinnung weiterer Meßwerte dient, die gegebenenfalls zur Korrektur des Oxydationspotentials benutzt werden, wie z. B. die zusätzliche Bestimmung des pII-Wertes. In diesem Fall hat jedoch die dritte Elektrode keinerlei Einfluß auf den Verlauf oder die Störung der Potentialmessung.
  • Die Zeichnung veranschaulicht eine Ausführungsform der Erfindung, und zwar zeigt sie schematisch eine Anordnung mit einer der Meßelektrode zugeordneten Hilfselektrode.
  • Bei dieser Meßanordnung strömt die zu untersuchende Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, das auf seinen Ozon- oder Chlorgehalt geprüft werden soll, in Pfeilrichtung durch ein Rohr 1 aus elektrisch nichtleitendem Material. Der Rohrdurchmesser ist verhältnismäßig gering und beträgt zweckmäßig 20 mm.
  • In das Rohr 1 sind als Bezugselektrode eine Kalomelelektrode 2, eine Meßelektrode 3 aus Platin und eine Hilfselektrode 4, gleichfalls aus Platin, eingesetzt. Die Hilfselektrode 4 liegt am Pluspol einer Gleichspan nungsquelle 5, an deren Minuspol die Meßelektrode 3 angeschlossen ist, welche ihrerseits über ein Anzeige- oder ein Registriergerät 6, das allenfalls einen Röhrenverstärker enthält, mit der Bezugselektrode 2 verbunden ist. Die Hilfselektrode kann hinsichtlich Form und Material von der Meßelektrode auch abweichen, Wesentlich ist, daß, liegt, wie im gezeigten Beispiel, zwischen Meß- und Hilfselektrode eine Gleichspannungsquelle, die Vorspannung der Hilfselektrode gegenüber der Meßelektrode geringer ist als die Zersetzungsspannung des Elektrolyten.
  • Bei über die Hilfs- und Meßelektrode geschlossenem Stromkreis wird letztere mit Hilfe des fließenden Depolarisationsstromes derart beeinflußt, daß über die Hilfselektrode 4 und die Spannungsquelle 5 Elektronen zur Meßelektrode gelangen, so daß unter Aufhebung deren Passivität auch bei sinkendem Potential eine fast trägheitslose Anzeige auf dem Gerät 6 möglich ist.
  • Die Potentialmessung unter erfindungsgemäßer Verwendung der Hilfselektrode ist unter anderem geeignet für die Bestimmung von Chlor und Brom, sowie für Hypochlorit und Hypobromit, für Ozon und Peroxysäuren sowie für Chromat und Permanganat.
  • Der Konzentrationsbereich bei der Potentialmessung reicht von weniger Milligramm pro Liter bei direkter Bestimmung bis zu 100 g/l bei dem Einsatz in der potentiometrischen Titration.

Claims (3)

  1. Patentansprüche: 1. Anordnung zur Konzentrationsanzeige von oxydierenden oder reduzierenden Stoffen in Flüssigkeiten, beruhend auf der Messung der an den Phasen- und Grenzflächen einer galvanischen Kette auftretenden Potentialdifferenz, bestehend aus einer Meßelektrode, aus einem polarisierbaren, chemisch unangreifbaren Material, vorzugsweise einem Platinmetall, und aus einer Bezugselektrode sowie aus einem in den Leitungskreis geschalteten Anzeigegerät und bestehend aus einer bei anderen elektrochemischen Einrichtungen bekannten Kombination eines Hilfsstromkreises mit dem Meßstromkreis, d a d u r c h gekennzeichnet, daß die Meßelektrode (3) des Meßkreises (3, 6, 2) während der Messung durch einen Hilfsstrom kontinuierlich entpolarisiert ist, daß der von der Gleichstromquelle (5) gespeiste Hilfsstromkreis aus der Hilfselektrode (4) als Anode und aus der Meßelektrode (3) als Kathode besteht, und daß die an der Meßelektrode (3) ständig anliegende Vorspannung aus der Gleichstromquelle (5) in an sich bekannter Weise unter der Zersetzungsspannung des Elektrolyten liegt.
  2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelektrode (3) und Hilfselektrode (4) hinsichtlich des Materials und/ oder der Form gleich sind.
    In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 835 070, 668 764, 661 585; F. Seel, »Grundlagen der analytischen Chemie und der Chemie in wäßrigen Systemen«, Verlag Chemie, Weinheim/Bergstraße, 1955, S. 177; Eucken - akob, »Der Chemie-Ingenieur«, Bd. II, 4. Teil, 1933, S. 265; Eucken-Suhr mann, »Physikalisch-chemische Praktikumsaufgaben«,
  3. 3. Auflage, 1952, S.252.
    In Betracht gezogene ältere Patente: Deutsches Patent Nr. 949 981.
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