164409. lajstromszámú szabadalom • Eljárás gázkeverékekben lévő gázkomponensek koncentrációjának, ill. parciális nyomásának gyors meghatározására, regisztrálására és szabályozására
164409 3 4 Ilyen elven működik az un. Pirani-féle gáznyomásmérő, vagy a hővezetőképesség mérésen alapuló ipari berendezések. Érzékenységük azonban nem nagy, alkalmazási lehetőségük korlátozott, és rendszerint csak egy komponens mérésére alkalmasak. Találmányunk szerint elérni kívánt célunk olyan ipari .célokra alkalmas mérőmódszer bevezetése, mely atmoszférikus, vagy annál nagyobb nyomások mellett is gyorsan, megfelelő érzékenységgel alkalmazható, nagy beruházást nem igényel és a gázkeverék összetételének folyamatos mérésére, regisztrálására és összetételének visszaszabályozására is alkalmas. A fizikai kémiából ismert, hogy minden elektródfolyamatra érvényes az ún. Nernst-féle összefüggés, mely szerint E = E0 + RT ~zF~ In ak+z ... (1), ahol E + az elektród potenciálja, E0 = a noraft+2 mái potenciál (az ak 1 esetén). T = az abszolút 'hőmérséklet, z pedig a reakció közben bekövetkező oxidációszám változás, F = a Faraday-féle szám, afc = a megfelelő elektródreakció komponensek aktivitásai. Első fajú fémelektród esetén szdbahőmérsékleten egyértekű ionra nézve, E = E0 + RT In 3-ion (2) Ez a törvényszerűség gázelektródokra is érvényes a következő általános alakban E = E0 ± RT zF In Y" Pgáz • • • (3) Itt Pgáz = a gáz parciális nyomása, z a gázmolekula atomjainak oxidációszám változása, ion a szóbanforgó gázzal egyensúlyban levő ionok koncentrációja. A pozitív előjel redukciós, a negatív az ion oxidációs reakciójára vonatkozik. A (3) egyenlet elvben minden olyan gázra nézve lehetővé teszi a gáz parciális nyomásának meghatározását, mely reverzibilis gázelektródot képez, vagyis az elektródreakcióban az illető gáz atomjaiból ionok képződhetnek. Találmányunk lényege a gázkeverékekben levő komponensek meghatározása, az elektródpotenciál mérés alapján úgy, hogy a gázban levő .meghatározandó komponensből képződött ionok koncentrációját az oldatban állandónak tartjuk. így a mért elektródpotenciálból referencia elektróddal szemben közvetlenül a gázelegyben levő, meghatározandó komponens parciális nyomására nézve jellemző mérőszámot kapunk, ha a gáz össznyomását az elektródok körül állandónak tartjuk. Találmányunk szerinti eljárás tehát minden olyan gázelegynél alkalmazható, ahol a gázelegyben levő komponensek legalább egyike (3) egyenlet szerinti gázelektródot képez. Ilyen gázelektródok képzésére sokféle reakció használható fel, példaként a következő reakció-5 kat sorolhatjuk fel: 2 H=-f-2 e = H2 , 2Cr —2e = Cl2 , 4 OH- — 4 e = 02 + 2 H 2 0 stb. 10 A gázelektróddal egyensúlyban levő ionok koncentrációját az oldatban ismert módon állandóan tartjuk pl. pufferoldatok, telített oldatok stb. segítségével. Ha tehát az oldatban levő 15 és a mérendő gázzal egyensúlyt tartó ion koncentrációját állandónak tartjük, akkor a (3) egyenlet így alakul 20 50 55 E = E'0 ± RT zF In r Pgáz (4) vagyis az elektródpotenciál csakis a mérendő gáz parciális nyomásától függ. 25 Az elektródpotenciált vonatkoztatási elektródhoz képest mérjük — (pl. kalomel, kinhidron stb.). Ilyen esetben .azonban a normál potenciálok különbsége következtében a mérés érzékenysége kicsi. Ha ugyanis a normál potenciá-30 lok külöribsége pl. 2—400 mV, ezen feszültség mellett 1—2 mV mérése igen körülményes. Elvben ugyan alkalmazható az ún. kompenzációs módszer, amikor külön kísérletben meghatározzuk ismert összetételű gázkeverék esetén 35 a normál potenciál különbséget, majd a mérés közben a mérendő feszültséget pontosan ilyen feszültséggel kompenzáljuk, azonban a berendezés és főleg a kalibrációs eljárás bonyolult és naponként új kalibrációs eljárást igényel. 10 Célszerű ezért az ún. önkompenzációs módszer alkalmazása, .amely találmányunk másik lényeges része. Eszerint vonatkoztató elektródnak olyan gázelektródát alkalmazunk, amelyben a mérendő komponens ismert és állandó parciális 45 nyomású. Így a normál potenciál a vonatkoztató elektród segítségével kiesik, és a mérendő gázkeverékben levő meghatározandó komponens parciális nyomásától függ csak a mért feszültségkülönbség Zl-E — Evonatk- — E — Ev(m . — RT 1 1 Eo ± —5T" In », I ... (5) zF Vpgá Pgáz RT 1 ZIE = E0 ± —-ÍT- Ír zF ahol E"0 = E V0 „ — E 0 . í Pgáz (6) 60 Találmányunk alkalmazását részletesebben egy egyszerű példán mutatjuk be. Legyen meghatározandó a formálógázban levő hidrogéntartalom, amely általában az iparban 1—30 térfogatszázalék között változik. A gázkoneentrá-65 ció meghatározására ilyen esetben szobahőfokon 2
