專利名稱：利用質(zhì)子交換膜的水溶解氧分析儀及其檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電化學(xué)領(lǐng)域。更具體地說，本發(fā)明涉及一種利用質(zhì)子交換膜的水溶解氧分析儀及其檢測方法。
背景技術(shù)：
經(jīng)由化學(xué)反應(yīng)或生化作用而溶解進入水體中的氧氣被稱為溶解氧。溶解氧含量是衡量水質(zhì)狀況的一個重要標準，也是研究水體自凈能力的一個依據(jù)。它主要來源于大氣的溶解和海洋中藻類及浮游植物光合作用的釋放。海洋動物的呼吸作用、生物尸體及生物排泄物的分解、海水中其它有機化學(xué)物質(zhì)的氧化皆消耗溶解氧。被污染的海水溶解氧含量較天然海水低，甚至完全缺氧。隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，各種工業(yè)廢水，生活污水，過量施用化肥農(nóng)藥等對環(huán)境的污染日益加劇，尤其是水體污染已成為人們關(guān)心的焦點，作為水質(zhì)的指示標準之一-溶解氧濃度的測定越來越重要，特別是水體溶解氧的現(xiàn)場快速測量更為重要。目前測量水體溶解氧的國家標準方法是winkler碘量法，此法存在需消耗大量的樣品， 耗時長，不能現(xiàn)場實時監(jiān)測等缺點。另一種可以現(xiàn)場檢測溶解氧濃度的電極類型傳感器，如比色法，主次波長分光法，伏安法，氧化鋯微量氧分析儀，聚苯乙烯陰離子交換膜電化學(xué)氧傳感器等都是屬于電極類型的氧傳感器，但由于信號電流從產(chǎn)生到達平衡的過程緩慢，限制了測量速度；而且電極的透氣膜容易老化，以及它需要電極本身的氧化還原反應(yīng)來測定氧的濃度，測定過程中需消耗被測樣品中的溶解氧，因此它的測量精確度和響應(yīng)時間都受到嚴重約束。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一是提供一種利用質(zhì)子交換膜的水溶解氧分析儀。本發(fā)明的另一目的在于提供一種利用質(zhì)子交換膜的水溶解氧分析儀檢測水溶解氧的方法。本發(fā)明還一目的在于提供一種利用質(zhì)子交換膜的水溶解氧分析儀在檢測水中溶解氧的應(yīng)用。為了實現(xiàn)本發(fā)明目的，本發(fā)明的一種利用質(zhì)子交換膜的水溶解氧分析儀，其包括燃料電池、反應(yīng)氣/液罐、循環(huán)泵、電壓指示表、電路導(dǎo)通組件，所述反應(yīng)氣/液罐與循環(huán)泵串聯(lián)并通過電路導(dǎo)通組件連接在燃料電池陽極的兩端；所述電壓指示表通過電路導(dǎo)通組件連接在陽極與陰極之間；其中被測液作為所述燃料電池的陰極氧化劑。其中，所述循環(huán)泵可以為直流泵、離心泵、旋轉(zhuǎn)泵、配量泵等各種能使液體或氣體循環(huán)的裝置。所述電壓指示表是用來讀取電壓值的裝置。可以為數(shù)顯式或指針式。所述電路導(dǎo)通組件是用來導(dǎo)通電路、使各部分組件正常工作，已得到測量溶解氧的目的。所述燃料電池包括陰極、陽極、介于陽極和陰極之間的質(zhì)子交換膜、燃料倉；所述陰極包括被測液、陰極導(dǎo)電板、陰極擴散層、陰極催化劑層、設(shè)置在陰極擴散層兩端的2個密封圈；所述陽極包括反應(yīng)氣/液、陽極導(dǎo)電板、陽極擴散層、陽極催化劑層、設(shè)置在陽極擴散層兩端的2個密封圈；所述質(zhì)子交換膜將反應(yīng)氣/液與被測液分離，所述陽極導(dǎo)電板、陽極擴散層、陽極催化劑層、質(zhì)子交換膜、陰極催化劑層、陰極擴散層、陰極導(dǎo)電板依次排列并壓緊；陽極導(dǎo)電板與殼體構(gòu)成燃料倉，陽極導(dǎo)電板與陰極導(dǎo)電板保證絕緣；所述陰極導(dǎo)電板與陽極導(dǎo)電板平行分布于陰極擴散層和陽極擴散層鏡像的兩端； 陽極導(dǎo)電板和陰極導(dǎo)電板上與擴散層平行的一側(cè)開有透過液體或氣體的小孔，陽極擴散層和陰極擴散層透過液體或氣體，用以收集并傳導(dǎo)電子，密封圈和質(zhì)子交換膜用以阻斷陰、陽兩極的液體或氣體。所述質(zhì)子交換膜是傳導(dǎo)質(zhì)子(H+)的任何一種離子導(dǎo)電聚合物。例如可以采用成品的商品膜，如Nafion，也可以采用全氟磺酸離子交換膜樹脂，將其溶融后涂布于催化層表所述陽極催化劑層、質(zhì)子交換膜、陰極催化劑層用物理或化學(xué)的方法粘接在一起形成三聯(lián)體的一個組件。所述陽極擴散層、陽極催化劑層、質(zhì)子交換膜、陰極催化劑層、陰極擴散層用物理或化學(xué)的方法粘接在一起形成五聯(lián)體的一個組件。所述陽極、陰極催化劑層可以是單獨的陰陽極催化劑層也可以是融合在擴散層中。其是由含鉬及鉬合金的導(dǎo)電多孔材料組成，可以分為具有疏水性能和親水性能兩種。其中疏水性能的催化層，是指用至少含有一種疏水性能聚合物如聚四氟乙烯以及其他聚合物作為粘結(jié)劑，同時以鉬或鉬合金為催化劑所形成的導(dǎo)電多孔材料構(gòu)成，鉬或鉬合金可以附著在載體碳或其它導(dǎo)電粉末上。親水性能的催化層，是指用至少含有親水性能聚合物如全氟磺酸樹脂作為粘結(jié)劑，同時以鉬或鉬合金為催化劑所形成的導(dǎo)電材料構(gòu)成，鉬或鉬合金可以附著在載體碳或其它導(dǎo)電粉末上。或者采用非Pt系催化劑制成。所述燃料倉中放有反應(yīng)氣體或反應(yīng)液體，如甲醇、乙醇等液體或氫氣、富含氫的氣體(重整氣)等氣體。所述陽、陰極導(dǎo)電板可以由導(dǎo)電金屬或?qū)щ娛瞥伞Ｋ鲫?、陽極擴散層為電子導(dǎo)電的多孔材料，該材料是由電子導(dǎo)電材料、造孔組份與粘結(jié)劑混合而成。電子導(dǎo)電材料可以是碳粉、金屬粉以及具有高導(dǎo)電性的金屬陶瓷粉等； 造孔組份是一種松散結(jié)構(gòu)的顆粒，可以是碳粉、碳纖維；粘結(jié)劑是一種聚合物，這種聚合物可以是部分或者全部氟化的碳聚合物，以及其他具有疏水性能的聚合物?？瓷先ズ芟駥?dǎo)電碳紙或?qū)щ娞疾贾瞥?。本發(fā)明還提供了一種利用質(zhì)子交換膜的水溶解氧分析儀的檢測方法，其包括如下步驟制作測試對照標準圖，取被測液體作所述分析儀的陰極，讀出電壓指示表的電壓值， 比對標準圖，測得被測液溶解氧濃度。本發(fā)明還提供了一種利用質(zhì)子交換膜的水溶解氧分析儀在檢測水中溶解氧的應(yīng)用。本發(fā)明的效果在于，其一，由于本發(fā)明在測量溶氧時可以直接與被測液接觸，使測量時間縮短；其二，由于本發(fā)明方法是與被測液直接接觸，避免使用先滲透再測量的方法，使測量誤差大大縮小。其三，是本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、靈敏性高。


圖1為本發(fā)明利用質(zhì)子交換膜的水溶解氧分析儀燃料電池原理說明圖；圖2為本發(fā)明利用質(zhì)子交換膜的水溶解氧分析儀系統(tǒng)說明圖；圖3為本發(fā)明利用質(zhì)子交換膜的水溶解氧分析儀結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明測量水中溶解氧濃度0_20mg/L的對照標準圖；圖中1-陽極導(dǎo)電板、2-陽極擴散層、3-陽極催化劑層、4-質(zhì)子交換膜、5-陰極催化劑層、6-陰極擴散層、7-陰極導(dǎo)電板、8-被測液、9-反應(yīng)氣/液、10-循環(huán)泵、11-反應(yīng)氣 /液罐、12-電壓指示表、13-密封圈、14-后蓋、15-外殼、16-燃料倉。體實施方式以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。實施例1分析儀結(jié)構(gòu)本發(fā)明的一種利用質(zhì)子交換膜的水溶解氧分析儀如圖1、圖2和3所示，具體包括 燃料電池、反應(yīng)氣/液罐11、循環(huán)泵10、電壓指示表12、電路導(dǎo)通組件，所述反應(yīng)氣/液罐 11與循環(huán)泵10串聯(lián)并通過電路導(dǎo)通組件連接在陽極的兩端；所述電壓指示表12通過電路導(dǎo)通組件連接在陽極與陰極之間，其中被測液8作為所述燃料電池的陰極氧化劑。其中燃料電池包括外殼15、陰極、陽極、介于陽極和陰極之間的質(zhì)子交換膜4、燃料倉16、后蓋14;其中，所述陰極包括被測液8、陰極導(dǎo)電板7、陰極擴散層6、陰極催化劑層 5、設(shè)置在陰極擴散層6兩端的2個密封圈13 ；所述陽極包括反應(yīng)氣/液9、陽極導(dǎo)電板1、 陽極擴散層2、陽極催化劑層3、設(shè)置在陽極擴散層2兩端的2個密封圈13 ；所述質(zhì)子交換膜4將反應(yīng)氣/液9與被測液8分離，陽極導(dǎo)電板1、陽極擴散層2、 陽極催化劑層3、質(zhì)子交換膜4、陰極催化劑層5、陰極擴散層6、陰極導(dǎo)電板7依次排列并壓緊，其中陽極導(dǎo)電板1與殼體構(gòu)成燃料倉16 ；所述陰極導(dǎo)電板7與陽極導(dǎo)電板1平行分布于陰極擴散層6和陽極擴散層2鏡像的兩端；陽極導(dǎo)電板1和陰極導(dǎo)電板7上與擴散層平行的一側(cè)開有可以透過液體或氣體的小孔，陽極擴散層2和陰極擴散層6可以透過液體或氣體，用以收集并傳導(dǎo)電子，密封圈13 和質(zhì)子交換膜4用以阻斷陰、陽兩極的液體或氣體；所述陽極催化劑層3采用Pt/Ru催化劑，質(zhì)子交換膜4采用Nafionll7膜；陰極催化劑層5采用Pt ；陽極擴散層2和陰極擴散層6均采用碳布；陽極導(dǎo)電板1和陰極導(dǎo)電板 7均采用316L不銹鋼板加工而成；陽極導(dǎo)電板1、陰極導(dǎo)電板7和電壓指示表12用普通電線連接。實施例2標準圖的繪制采用該溶解氧分析儀對不同溶氧量的標準水樣品進行電壓測試，得到表1數(shù)據(jù)如下表1不同溶氧量的標準水樣品所對應(yīng)的電壓
權(quán)利要求
1.利用質(zhì)子交換膜的水溶解氧分析儀，其特征在于，其包括燃料電池、反應(yīng)氣/液罐、 循環(huán)泵、電壓指示表、電路導(dǎo)通組件，所述反應(yīng)氣/液罐與循環(huán)泵串聯(lián)并通過電路導(dǎo)通組件連接在燃料電池陽極的兩端；所述電壓指示表通過電路導(dǎo)通組件連接在燃料電池的陽極與陰極之間；其中被測液作為所述燃料電池的陰極氧化劑。
2.如權(quán)利要求1所述的分析儀，其特征在于，所述燃料電池包括陰極、陽極、介于陽極和陰極之間的質(zhì)子交換膜和燃料倉；其中，所述陰極包括被測液、陰極導(dǎo)電板、陰極擴散層、陰極催化劑層、設(shè)置在陰極擴散層兩端的2個密封圈；所述陽極包括反應(yīng)氣/液、陽極導(dǎo)電板、陽極擴散層、陽極催化劑層、 設(shè)置在陽極擴散層兩端的2個密封圈；所述質(zhì)子交換膜將反應(yīng)氣/液與被測液分離，所述陽極導(dǎo)電板、陽極擴散層、陽極催化劑層、質(zhì)子交換膜、陰極催化劑層、陰極擴散層、陰極導(dǎo)電板依次排列并壓緊；陽極導(dǎo)電板與殼體構(gòu)成燃料倉，陽極導(dǎo)電板與陰極導(dǎo)電板保證絕緣；所述陰極導(dǎo)電板與陽極導(dǎo)電板平行分布于陰極擴散層和陽極擴散層鏡像的兩端；陽極導(dǎo)電板和陰極導(dǎo)電板上與擴散層平行的一側(cè)開有透過液體或氣體的小孔，陽極擴散層和陰極擴散層透過液體或氣體，用以收集并傳導(dǎo)電子，密封圈和質(zhì)子交換膜用以阻斷陰、陽兩極的液體或氣體。
3.權(quán)利要求1或2所述分析儀檢測水溶解氧的方法，其包括如下步驟制作測試對照標準圖，取被測液體作所述分析儀的陰極，讀出電壓指示表的電壓值，比對標準圖，測得被測液溶解氧濃度。
4.如權(quán)利要求1或2所述分析儀在檢測水中溶解氧中的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種利用質(zhì)子交換膜的水溶解氧分析儀及其檢測方法，該水溶解氧分析儀包括燃料電池、反應(yīng)氣/液罐、循環(huán)泵、電壓指示表、電路導(dǎo)通組件，所述反應(yīng)氣/液罐與循環(huán)泵串聯(lián)并通過電路導(dǎo)通組件連接在燃料電池陽極的兩端；所述電壓指示表通過電路導(dǎo)通組件連接在陽極與陰極之間；其中被測液作為所述燃料電池的陰極氧化劑。本發(fā)明在測量溶氧時可以直接與被測液接觸，使測量時間縮短，而且本發(fā)明分析儀結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、靈敏性高。
文檔編號G01N27/417GK102411023SQ20111033954
公開日2012年4月11日 申請日期2011年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月1日
發(fā)明者劉萍, 李帥, 王剛 申請人:北京綠舍環(huán)境能源技術(shù)有限責(zé)任公司