HU182748B - Electrochemical method and apparatus for determining the partial pressure of vapor content of gases - Google Patents

Abstract

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Entwicklung eines Verfahrens zur Bestimmung des Partialdruckes von Wasserdaempfen, bei dem keine Zirkulationdes untersuchten Gases erforderlich ist und dem der Feuchtegehalt in einem bestimmten Raumpunkt gemessen werden kann, sowie in der Entwicklung einer Vorrichtung zur Bestimmung des Partialdrucks von Wasserdaempfen, die auf dem Verfahren beruhen wuerde. Das Verfahren, wird durch Beruehrung der einen Seite der halbdurchlaessigen Gasdiffusionsmembran durch das zu untersuchende Gas realiiert. Die in ihm enthaltenen Wasserdaempfe diffundieren durch sie und werden anschliessend von einem stark hygroskopischen Elektrolyt absorbiert, der sich auf der anderen Seite der Membran befindet, sowie elektrochemisch von zwei Inertelektroden zerlegt, die entgegengesetzt polarisiert sind und sich mit dem hygroskopischen Elektrolch in Kontakt befinden. Die Vorrichtung besteht aus nacheinander ueber den Strom verbunden elektrochemischen Zelle mit spezieller Konstruktion, Stromquelle und System zur Messung von geringen Stroemen.The object of the present invention is to develop a method for determining the partial pressure of water vapor, which does not require circulation of the gas under investigation and which can measure the moisture content at a certain point in space, and the development of a device for determining the partial pressure of water vapor that would be based on the procedure. The method is realized by touching one side of the semi-permeable gas diffusion membrane by the gas to be examined. The water vapor contained in it diffuses through it and are then absorbed by a strongly hygroscopic electrolyte, which is located on the other side of the membrane, as well as electrochemically decomposed by two inert electrodes, which are oppositely polarized and are in contact with the hygroscopic Elektrolch. The device consists of successively connected electrochemical cell with special construction, power source and system for measuring low currents.

Description

A találmány tárgya elektrokémiai eljárás és berendezés gázok vizgőztartalma parciális nyomásának meghatározására.The present invention relates to an electrochemical method and apparatus for determining the partial pressure of water vapor in gases.

Gázok vizgőztartalma parciális nyomásának meghatározására ismeretes egy eljárás /lásd a 2.8J0.945 számú amerikai egyesült államokbeli szabadalmi leírást/, amelyben az analizálandó gázt speciális felépítésű elektrokémiai cellán vezetik keresztül. Ennek során a gázminta vízgőzét erősen higroszkópikus oldatban abszorbeálják és ezután elektromechanikus módszerrel oxigénre éa hidrogénre bontják fel. Az analizálandó gáznál a tömegáramot állandó értéken tartják. A vízgőz parciális nyomását a Faraday-törvény szerint a cellán átfolyó gáz-tömegáram alapján számítják ki. Az ismert eljárás csak a gázokban lévő vízgőz nagyon alacsony parciális nyomásának meghatározására alkalmazható. Az analízist folyamatesan és teljesen automatizálva lehet elvégezni.A method for determining the partial pressure of the water vapor content of gases is known (see U.S. Patent No. 2.8J0.945), in which the gas to be analyzed is passed through a specially designed electrochemical cell. In this process, the water vapor of the gas sample is absorbed in a highly hygroscopic solution and is then electromechanically decomposed to oxygen and hydrogen. The mass flow rate for the gas to be analyzed is kept constant. The partial pressure of the water vapor is calculated according to the Faraday law based on the mass flow of gas through the cell. The known method can only be used to determine the very low partial pressure of water vapor in gases. The analysis can be performed continuously and fully automated.

A fenti eljárás egyik hátránya abban van, hogy az analizálandó gáznak az elektrokémiai cellán átfolyó tömegáramát állandó értéken kell tartani, éspedig a gáz fajtájától és hőmérsékletétől függetlenül. Jelentős az a minimális mennyiségű gáz, ami az egyes analízisekhez szükséges. A gáz áthaladásának fenntartásához és felügyeletéhez speciális berendezésekre van szükség.One disadvantage of the above process is that the mass flow rate of the gas to be analyzed through the electrochemical cell must be kept constant, irrespective of the type and temperature of the gas. The minimum amount of gas required for each analysis is significant. Special equipment is required to maintain and control the flow of gas.

Ismeretes a gázokban lévő vizgőz parciális nyomásának elektrokémiai módszerrel történő meghatározására vonatkozó ismert eljáráshoz egy berendezés, amely max. 80 V-os egyenáramú tápforráshoz sorosan kapcsolt, speciális elrendezésű elektrokémiai cellával és egy nagyon kis aramu mérőrendszerrel van ellátva. A gázminta egy tartályból folyik az állandó tömegáramot fenntartó berendezésbe, amely az átfolyó tömeget mérő műszerrel van ellátva, és a gázminta ezután lép be az elektrokémiai cellába. Maga a cella egy szigetelőanyagból készült,^-800 mm hosszú, vastag csőből áll, amelyben két darab, egymással párhuzamosan, csigavonalszerüen feltekert, 0,1 mm átmérőjű platinahuzal· van elhelyezve. A tekercsek közötti 0,1 mm-es tér foszforpentoxid koncentrált oldatával van megtöltve.A device known in the art for electrochemical determination of the partial pressure of water vapor in gases is known, which has a max. It is equipped with a special arrangement of electrochemical cells connected in series to an 80 V DC power supply and a very small aram measuring system. The gas sample flows from a reservoir to a constant mass flow device equipped with a mass flow meter, and the gas sample then enters the electrochemical cell. The cell itself is made of an insulating material, ^- 800 mm long, with two platinum wires, 0.1 mm in diameter, wrapped parallel to each other in a spiral line. The space between the rolls is filled with a concentrated solution of phosphorus pentoxide 0.1 mm.

Az ismert berendezés a végrehajtandó eljárás összetettsége miatt nagyon bonyolult. Ezenkívül az elektrokémiai cella nagyon hosszú, emiatt annak előállítása nagyon nehéz. Jelentős a cellához szükséges platina mennyisége ia.The known apparatus is very complicated due to the complexity of the procedure to be performed. In addition, the electrochemical cell is very long, which makes it very difficult to produce. The amount of platinum required for the cell is significant ia.

A találmány elé kitűzött feladat olyan eljárás kidolgozása gáz halmazállapotú közegben lévő vizgőz parciális nyomásának meghatározására, amelynél nincs szükség gázcirkulációra, és a, nedvességtartalmat a tér minden helyén meg lehet mérni. A találmány olyan berendezést hoz létre, amelynek működtetése előnyös, előállítása pedig egyszerű.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a method for determining the partial pressure of water vapor in a gaseous medium that does not require gas circulation, and the moisture content can be measured at any location in the space. The present invention provides an apparatus which is advantageous in operation and easy to manufacture.

A kitűzött feladatot a találmány szerint olyan, gáz halmazállapotú közegekben lévő vizgcz parciális nyomásának meghatározására vonatkozó eljárás kidolgozásával oldottuk me^, amelynek során a gázt félig áteresztő gázdiffuziós membrán e^yik oldalával érintkezésbe hozzuk. A gáz vizgőztartalma a membránon keresztül végbemenő diffúzió utár erősen higr oszkópikus elektrolitoldatban abszorbeálódik, mely oldat a zárt térben a membrán másik oldalán van elhelyezve. Ezután elektrokémiai bontást hajtunk végre két közömbös elektródán, amelyeket ellentétesen polarizálunk és a higroszkópikus elektrolitoldattal érintkeztetünk. A cellán átfolyó áram egyenesen arányos az analizált gázban lévő:vizgőz parciális nyomásával, mint az Fick első törvé-2182.748 nyéből is következik abban az esetben, amikor azt egy diffúzióra korlátozott folyamatra alkalmazzuk. Az elektrolízis gáz hal-, mazálla^otu termékei a gázdiffuziós membránon keresztül visszadiffundalnak az analizált gáz mennyiségébe.The object of the present invention is solved by the development of a method for determining the partial pressure of water in gaseous media by contacting the gas with one side of a semi-permeable gas diffusion membrane. The water vapor content of the gas, after diffusion through the membrane, is strongly absorbed in a hygroscopic electrolyte solution placed on the opposite side of the membrane in a closed space. Electrochemical decomposition is then carried out on two inert electrodes which are polarized in reverse and contacted with the hygroscopic electrolyte solution. The current flowing through the cell is directly proportional to the partial pressure of the water vapor in the gas being analyzed, as follows from Fick's first law when applied to a diffusion-limited process. Fish products from the electrolysis gas are diffused through the gas diffusion membrane to the amount of gas analyzed.

A gáz halmazállapotú közegek vlzgőztartalma parciális nyomásának meghatározására kifejlesztett berendezés a találmány szerint egy speciális elrendezésű elektrokémiai cellából, egyThe apparatus for determining the partial pressure of the gaseous media, in accordance with the present invention, from a specially arranged electrochemical cell,

2-80 V-os feszültségű egyenáramú tápforrásból· és egy árammérőből áll. Maga a cella egy házból áll, amelyben porózus szeparátor van elhelyezve. A szeparátor erősen higroszkópikus anyaggal teljesen át van itatva. A szeparátor két oldalánál két Siebel-elektróda van szimmetrikusan,elhelyezve. Mindkét elektróda egy vagy több, meghatározott gázáteresztő tulajdonságú féligáteresztő gázdiffúziós·membránnal van a környezeti légkörtől elszigetelve. A cellaházaknál· a gázdiffúziós membránok két O-gyürüvel vannak tömitve. A gázdiffuziós membránok porózus részenek porozitása közepes, 10^-9 és 10”' m között van.It consists of 2-80 V DC power supply · and one current meter. The cell itself consists of a housing in which a porous separator is located. The separator is completely soaked with highly hygroscopic material. Two Siebel electrodes are arranged symmetrically on each side of the separator. Both electrodes are insulated from the ambient atmosphere by one or more semi-permeable gas diffusion membranes with defined gas permeability properties. For cell houses, · gas diffusion membranes are sealed with two O-rings. The porous portions of the gas diffusion membranes have a medium porosity of between 10 ^and 9 to 10 ”.

A találmány szerinti eljárás előnye abban van, hogy. sem állandó gáz tömegáramra, sem pedig ennek a tömegáramnak a figyelését végző berendezésre nincs szükség. Az eljárás lehetővé teszi, hogy az ismert eljárásoknál szükséges minimális mennyiségnél egy nagyságrenddel kisebb mennyiségű gázmíntát analizáljunk.An advantage of the process according to the invention is that. neither a constant gas mass flow rate nor a device for monitoring this mass flow is required. The method allows for the analysis of gas samples of a magnitude smaller than the minimum required for the known methods.

A találmány szerinti berendezés működését és felépítését tekintve egyaránt lényegesen egyszerűbb az ismert berendezéseknél. Az elektrokémiai cella, amely a berendezés érzékelője, könnyen előállítható és nagyon kicsi. Az érzékelő kis mérete lehetővé teszi, hogy a gáztömeg minden részén megmérjük a nedvességet. Sokkal kisebb tömegű közömbös fémre van szükség az elektródák előállításához* mint az ismert berendezések esetében. A gázdiffuziós membránok speciálisan kiválasztott felépítéséből adódóan a cellaáram a hőmérséklet és a vizsgálandó gá2 fajtájának függvényében elhanyagolható mértékben változik meg.Both the operation and construction of the apparatus according to the invention are considerably simpler than known apparatuses. The electrochemical cell, which is the sensor of the apparatus, is easy to produce and very small. The small size of the sensor makes it possible to measure the humidity in all parts of the gas mass. A much smaller mass of inert metal is required to produce the electrodes * than is known in the art. Due to the specially selected construction of the gas diffusion membranes, the cell current varies insignificantly with respect to temperature and the type of gas to be tested.

A találmány szerinti berendezést példakénti kiviteli alak kapcsán, a mellékelt rajz alapján Ismertetjük részletesebben, ahol az 1. ábrán a berendezés metszetben látható.The device according to the invention will be described in detail with reference to the accompanying drawing, in which Figure 1 is a sectional view.

A berendezés részei a következők:The equipment consists of:

elektrokémiai cella, 40 V-os 2 egyenáramú tápforrás és 3 mikroampermérő, amelyek egymással sorba vannak kapcsolva. Az 1 elektrokémiai cella házból áll* amelyben porózus 4 szeparátor van elhelyezve, és a 4 szeparátor foszforpentoxid,koncentrált oldatával van teljesen átitatva. A 4 szeparátor két darab platinából készült 5 Siebel-elektróda között van elrendezve. Mindkét 5 Siebel-elektróda két darab porózus 6, 7 gázdiffuziós membránnal van a környezeti légkörtől elszigetelve. A belső 6 gázdiffuziós membrán nagy gázateresztő tulajdonságú és jó szigetelési tulajdonságokkal rendelkezik. A külső 7 gázdiffuziós membrán gázáteresztesét pontosan meghatározott értékűre választjuk meg, éspedig a belső 6 gázdiffuziós membránénál lényegesen kisebbre, úgyhogy ez a membrán korlátozza a vízgőznek a környezeti légkörből az elektródákba történő diffúziós sebességét. A 8 tömítőgyűrűk akadályozzák meg a gázok elillanását a membrántartományon kívüli részekről.an electrochemical cell, a 40 V 2 DC power supply and 3 microampmeters connected in series. The electrochemical cell 1 consists of a housing * in which a porous separator 4 is located and the separator 4 is completely impregnated with a concentrated solution of phosphorus pentoxide. The separator 4 is arranged between two Siebel electrodes 5 made of platinum. Both Siebel electrodes 5 are insulated from the ambient atmosphere by two porous gas diffusion membranes 6, 7. The inner gas diffusion membrane 6 has a high gas permeability and good insulation properties. The gas permeability of the outer gas diffusion membrane 7 is selected to be well-defined, which is substantially smaller than the inner gas diffusion membrane 6, so that this membrane limits the diffusion rate of water vapor from the ambient atmosphere to the electrodes. The sealing rings 8 prevent the gases from escaping from outside the membrane region.

A találmányt a bemutatott kiviteli példa kapcsán ismertetjük részletesebben.The invention will be described in more detail with reference to the exemplary embodiment shown.

A vízgőzök parciális nyomásának meghatározásához olyan berendezést alkalmazunk, amely egy elektrokémiai cellából egy 30 V-os stabilizált egyenirányítóból és egy 60 mV-os mérésiTo determine the partial pressure of the water vapor, we use an apparatus consisting of an electrochemical cell, a 30 V stabilized rectifier, and a 60 mV measurement.

-3182.748 tartományú ni ki oamperucr öböl áll, amely shunt-készlettel van ellátva. Aa 1 elektrokémiai cella egy polipropilén házból áll, amelyben ogy polipropilénből készült, 0,1 mm átmérőjű porózus 4 szeparátor van elhelyezve, amely foszforpentoxid koncentrált vizes oldatával teljesen át van Itatva, továbbá két darab platina 5 Siebel-elektródából, amelyek 0,05 mm-es szálból vannak 3zőve, valamint 6, 7 gázdiffuziós membránokból, amelyek vegyileg tiszta szén és politetrafluoretilén keverékéből vannak előállítva, és a porózus szerkezet porózitása közepes, 10”° m sugarú.Ni ki Oamperucr Bay, which has a range of -3182,748, is provided with a shunt kit. The electrochemical cell 1 consists of a polypropylene housing containing a porous separator 4 made of polypropylene, 0.1 mm in diameter, completely immersed in a concentrated aqueous solution of phosphorus pentoxide, and two Siebel electrodes of platinum 5, each 0.05 mm thick. and the gas diffusion membranes 6, 7 made from a mixture of chemically pure carbon and polytetrafluoroethylene, and the porous structure has a medium porosity of 10? m.

Ennek a berendezésnek sok példányát vizsgáltuk egy teljes éven át, különböző gázkeverékekben, amelyek oxigént, nitrogént, széndioxidot, argont, kéndioxidot es hidrogénkloridőt tartalmaztak. Megállapítottuk, hogy a cellaáram és a vízgőz parciális nyomása között a 10 - 5 x 10^iv ppm /pár pro millión/ tartományban lineáris összefüggés áll fenn. A vizgőz-koncentráció alsó határa, amelyet kielégítő pontossággal meg lehet határozni, 1 ppm-néí van. A mérések honiéra éfeletfüggése nagyon kicsi és 0,ΙΟ,15 %/°C között változik. Az egy évig tartó kísérletek végen nem mutatkozott semmiféle változás a berendezés érzékenységét illetően.Many specimens of this apparatus were tested over a full year in various gas mixtures containing oxygen, nitrogen, carbon dioxide, argon, sulfur dioxide, and hydrogen chloride. It was found that there is a linear relationship between the cell current and the partial pressure of the water vapor in the range of 10 to 5 x 10 ^iv ppm / pair pro million. The lower limit of water vapor concentration, which can be determined with sufficient accuracy, is less than 1 ppm. The hormone dependence of the measurements on the honeysuckle is very small and varies between 0, ΙΟ, 15% / ° C. After one year of experimentation, there was no change in the sensitivity of the equipment.

Claims (3)

Szabadalmi igénypontokPatent claims 1. Elektrokémiai eljárás gázok viz^őztartalma parciális nyomásának meghatározására, amelynek során a gáz halmazállapotu közeg vizgőzét erősen higroszkópikus oldattal abszorbeáltatjuk, majd elektrokémiai utón oxigénre és hidrogénre bontjuk, azzal jellemezve, hogy az analizálandó gázt félig áteresztő gázdiffuziós membrán egyik oldalával érintkezésbe hozzuk, és a gázban lévő vizgőzt igy a membránon keresztül diffundáltatjuk, majd erősen higroszkópikus elektrolittal abszorbeáltatjuk, amelyet a membrán másik oldalával érintkeztetünk, és hogy az abszorbeált vizet két egymással e?JLentétesen polarizált, a higroszkópikus elektrolittal érintkezésben álló,semleges elektródával elektromechanikusán bontunk, ezzel a gázmintaban lévő vízgőz parciális nyomásával egyenesen arányos áramot hozunk létre a cellán, és hogy a bontási termékeket visszadiffundáltatjuk az analizálandó gáz mennyiségébe.An electrochemical method for determining the partial pressure of the water content of gases by absorbing the water vapor of a gaseous medium with a highly hygroscopic solution and then electrochemically decomposing it to oxygen and hydrogen, characterized in that they are semi- water vapor is then diffused through the membrane and then absorbed by a highly hygroscopic electrolyte, which is contacted with the other side of the membrane, and that the absorbed by generating a directly proportional current through the partial pressure of the cell and re-diffusing the decomposition products into the amount of gas to be analyzed. 2. Berendezés gázok vizgőztartalma parciális nyomásának meghatározására, amely villamosán sorbakapcsolt elektrokémiai cellából, egyenáramú tápforrásból és gyengeáramú mérőrendszerből áll, azzal jellemezve, hogy az elektrokémiai cella /1/ házat tartalmaz, amelyben lapos szeparátorlemez /4/ van elhelyezve, amely erősen higroszkópikus elektrolitoldattal van teljesen átitatva és két darab semleges, hálószerkezetü Siebel-elekfcróda /5/ között van elhelyezve, s Siebel-elektródák /5/ pedig egy-egy gázdiffuziós membránnal /6, 7/ vannak a környezeti légkörtől elválasztva.2. Apparatus for determining the partial pressure of water vapor content of gases comprising an electrically connected electrochemical cell, a DC power supply, and a low current measuring system, characterized in that the electrochemical cell contains a housing containing a flat separator plate impregnated and placed between two neutral mesh Siebel electrodes (5) and Siebel electrodes (5) separated by a gas diffusion membrane (6, 7) from the ambient atmosphere. 3. A 2. igénypont szerinti berendezés kiviteli alakja, azzal jellemezve, hogy_qa gázdiffuziós membránok /6, 7/ pórusainak közepes sugara 10”“ és 10-7 _m között van_f 3. Apparatus according to claim 2, characterized in that the gas diffusion membranes _q / 6, 7 / mean radius of the pores is between 10 '' and 10-7 _{m f}