專利名稱:游離氯傳感器的制作方法
發(fā)明背景本發(fā)明涉及定量分析的傳感器。更具體而言，本發(fā)明涉及利用電極響應(yīng)而測(cè)量溶液中游離氯濃度的傳感器。
氯，不管哪一種形式，經(jīng)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、處理游泳池、消毒與水進(jìn)行接觸的物品和想要?dú)⑺浪屑?xì)菌的許多其它應(yīng)用。水的消毒劑系統(tǒng)的適當(dāng)操作一般需要氯的測(cè)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(duì)比例是與溶液的pH有關(guān)的。Rosemount Analytical Incorporated，anEmerson Process Management Company提供用于游離氯連續(xù)測(cè)定的游離氯傳感器，商品名稱型號(hào)為499ACL-01。所述傳感器可以測(cè)量pH高達(dá)9.5的樣品中的游離氯并且作為電流分析傳感器操作。
一般而言，現(xiàn)有技術(shù)的游離氯傳感器需要與某種形式的pH補(bǔ)償配對(duì)。所述pH的補(bǔ)償是必要的，因?yàn)橹挥写温人嵝问降挠坞x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(duì)比例取決于所述溶液的pH。低于pH 6，游離氯實(shí)際上是100％次氯酸，而高于pH 10，游離氯實(shí)際上是100％次氯酸鹽離子。次氯酸鹽離子和次氯酸的相對(duì)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(jìn)行，那么它將是非常有用的。本領(lǐng)域的目前狀態(tài)，其中pH必須被傳感或已知到一定程度，不必要地復(fù)雜化了游離氯測(cè)量并且增加了測(cè)量系統(tǒng)的費(fèi)用。
已經(jīng)進(jìn)行了嘗試以減輕不同的pH對(duì)氯測(cè)量的影響。例如，使用了緩沖液以嘗試維持內(nèi)部電解質(zhì)溶液在選定的pH。此外，授予Popp的美國(guó)專利5,693,204提供了分析儀器用被動(dòng)式pH調(diào)整。然而，至今，嘗試涉及笨重的pH維持系統(tǒng)或者用于所述氯測(cè)量的獨(dú)立的pH補(bǔ)償。不需要pH測(cè)量和補(bǔ)償?shù)挠坞x氯傳感器的提供，還有簡(jiǎn)單和易保養(yǎng)游離氯傳感器的提供，將推進(jìn)游離氯傳感技術(shù)并降低提供和維持水消毒劑系統(tǒng)的總成本。
發(fā)明概述提供了游離氯測(cè)量系統(tǒng)和傳感器。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，所述傳感器具有放置在最接近多孔膜的電解質(zhì)中的多孔工作電極。所述膜使游離氯通過(guò)那里和在那里被還原并產(chǎn)生電流。所述電流與所述游離氯濃度有關(guān)。用長(zhǎng)期pH穩(wěn)定劑使內(nèi)部電解質(zhì)溶液pH穩(wěn)定，所述pH穩(wěn)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(wěn)定劑可以是酸或者堿，這分別取決于所述pH是被穩(wěn)定在相對(duì)低的值還是相對(duì)高的值。
附圖簡(jiǎn)述圖1是游離氯種類的比例作為pH的函數(shù)的圖。
圖2是本發(fā)明實(shí)施方案是特別有用的游離氯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的圖解視圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的游離氯電流分析傳感器的圖解視圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的游離氯傳感器的傳感器響應(yīng)的曲線圖。
圖5是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的游離氯傳感器的傳感器響應(yīng)的曲線圖。
優(yōu)選實(shí)施方案詳述本發(fā)明的實(shí)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(zhì)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/升之間的酸或堿。這個(gè)放置提供了有用的不用pH補(bǔ)償就可以操作的游離氯電流分析傳感器。
圖2是本發(fā)明實(shí)施方案是特別有用的游離氯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的圖解視圖。系統(tǒng)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(chǎn)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也可以是適合于產(chǎn)生氯數(shù)據(jù)并通過(guò)過(guò)程通信回路傳送所述數(shù)據(jù)的變送器(transmitter)。這樣一種變送器的一個(gè)實(shí)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(biāo)本容器16，例如，它可以是管。傳感器14具有應(yīng)所述液體標(biāo)本中游離氯濃度而變化的電特性。
圖3是根據(jù)本發(fā)明實(shí)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(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，工作電極42是氣體擴(kuò)散電極(Gas Diffusion Electrode(GDE))。在這個(gè)實(shí)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。用于工作電極26的構(gòu)造可以從Somerset，New Jersey，USA的E-Tek，Inc.(www.etek-inc.com)通過(guò)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(duì)于這種類型傳感器的一個(gè)重要的設(shè)計(jì)考慮是所述電解質(zhì)的損失速率。具體而言，因?yàn)橛H水膜是多孔的，所以將存在所述電解質(zhì)隨時(shí)間的損失，并且如果認(rèn)為所述損失速率是通常不能接受的，那么所述傳感器將需要頻繁地再填充。為了限制損失速率，將長(zhǎng)期pH穩(wěn)定劑用作電解質(zhì)。所述長(zhǎng)期pH穩(wěn)定劑一般是固體形態(tài)的弱酸或堿35，根據(jù)它的解離常數(shù)，將它提供在電解質(zhì)溶液中以維持所述pH在選定的水平。為實(shí)現(xiàn)可接受的損失速率，希望所述酸或堿具有在室溫(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于維持所述電解質(zhì)在低濃度。如果需要，所述pH可以通過(guò)采用具有合適地低溶解度的堿改為保持在相對(duì)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，將固相的所述酸或堿儲(chǔ)存在如圖3中所示的傳感器室內(nèi)部。因?yàn)槿芙獾乃峄驂A通過(guò)所述親水膜損失，所以所述固相將持續(xù)補(bǔ)充所述酸或堿以長(zhǎng)時(shí)間保持所述溶液是飽和的。
圖4和5圖解了根據(jù)本發(fā)明的傳感器(圖4)和根據(jù)本領(lǐng)域現(xiàn)有技術(shù)的傳感器(圖5)的傳感器響應(yīng)的對(duì)比。如圖解，當(dāng)pH從7變至約10時(shí)，現(xiàn)有技術(shù)傳感器的傳感器響應(yīng)變化顯著。另一方面，圖4中所示的傳感器響應(yīng)，當(dāng)顯示較小的pH依賴時(shí)，幾乎不像圖5的響應(yīng)那樣顯著。事實(shí)上，認(rèn)為變化的樣品pH的效應(yīng)將對(duì)根據(jù)本發(fā)明的傳感器的響應(yīng)具有很小的影響以致可以排除pH測(cè)量和補(bǔ)償。此外，借助于選擇適合的酸或堿，可以簡(jiǎn)單地完成所述電解質(zhì)填充溶液內(nèi)的長(zhǎng)期pH控制的提供。
雖然根據(jù)本實(shí)施方案描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解在不背離本發(fā)明實(shí)質(zhì)和范圍的情況下可以在形式和細(xì)節(jié)上進(jìn)行變化。
權(quán)利要求
1.一種用于測(cè)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(nèi)的電解質(zhì)；連接到所述傳感器主體并且適于使游離氯通過(guò)那里進(jìn)入到所述傳感器主體的膜；放置在所述電解質(zhì)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制成；和放置在所述電解質(zhì)中的固相的長(zhǎng)期pH穩(wěn)定劑，所述穩(wěn)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(quán)利要求
1的傳感器，其中所述非緊密形式是氣體擴(kuò)散電極。
3.權(quán)利要求
2的傳感器，其中所述氣體擴(kuò)散電極是用粉末形式的貴金屬裝填的。
4.權(quán)利要求
3的傳感器，其中所述貴金屬是鉑。
5.權(quán)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(kuò)散電極上。
6.權(quán)利要求
2的傳感器，其中所述氣體擴(kuò)散電極包括碳布。
7.權(quán)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(quán)利要求
7的傳感器，其中所述工作電極是由金篩孔制成的。
9.權(quán)利要求
1的傳感器，其中所述長(zhǎng)期pH穩(wěn)定劑是酸。
10.權(quán)利要求
9的傳感器，其中所述酸是琥珀酸。
11.權(quán)利要求
9的傳感器，其中所述酸是己二酸。
12.權(quán)利要求
9的傳感器，其中所述酸是辛二酸。
13.權(quán)利要求
9的傳感器，其中所述酸是硼酸。
14.權(quán)利要求
1的傳感器，其中所述穩(wěn)定劑是堿。
15.權(quán)利要求
1的傳感器，其中所述膜是親水的。
16.一種用于監(jiān)測(cè)游離氯濃度的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)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(nèi)的電解質(zhì)；連接到所述傳感器主體并且適于使游離氯通過(guò)那里進(jìn)入到所述傳感器主體的膜；放置在所述電解質(zhì)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制成；和放置在所述電解質(zhì)中的固相的長(zhǎng)期pH穩(wěn)定劑，所述穩(wěn)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，所述分析裝置適于提供充分的工作電勢(shì)和測(cè)量在所述參比電極和工作電極之間流動(dòng)的電流并且基于所述電流提供游離氯濃度的指示。
17.權(quán)利要求
16的系統(tǒng)，其中所述分析裝置是變送器。
專利摘要
本發(fā)明提供了游離氯測(cè)量系統(tǒng)(10)和傳感器(14)。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，所述傳感器(14)具有放置在最接近多孔膜(32)的電解質(zhì)(24)中的多孔工作電極(42)。所述膜(32)使游離氯通過(guò)那里，在那里氯被還原并產(chǎn)生電流。所述電流與所述游離氯濃度相關(guān)。內(nèi)部的電解質(zhì)溶液(24)是用長(zhǎng)期pH穩(wěn)定劑(35)pH穩(wěn)定化的，所述穩(wěn)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(wěn)定劑(35)可以是酸或者堿，這分別取決于所述pH是穩(wěn)定在相對(duì)低的值還是相對(duì)高的值。
文檔編號(hào)G01N33/00GK1997890SQ200580022198
公開日2007年7月11日 申請(qǐng)日期2005年7月22日
發(fā)明者馮昌東, 徐基壽, J·加勒森 申請(qǐng)人:羅斯蒙德分析公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan