专利名称：利用质子交换膜的水溶解氧分析仪及其检测方法
技术领域：
本发明涉及电化学领域。更具体地说，本发明涉及一种利用质子交换膜的水溶解氧分析仪及其检测方法。
背景技术：
经由化学反应或生化作用而溶解进入水体中的氧气被称为溶解氧。溶解氧含量是衡量水质状况的一个重要标准，也是研究水体自净能力的一个依据。它主要来源于大气的溶解和海洋中藻类及浮游植物光合作用的释放。海洋动物的呼吸作用、生物尸体及生物排泄物的分解、海水中其它有机化学物质的氧化皆消耗溶解氧。被污染的海水溶解氧含量较天然海水低，甚至完全缺氧。随着工农业生产的发展，各种工业废水，生活污水，过量施用化肥农药等对环境的污染日益加剧，尤其是水体污染已成为人们关心的焦点，作为水质的指示标准之一-溶解氧浓度的测定越来越重要，特别是水体溶解氧的现场快速测量更为重要。目前测量水体溶解氧的国家标准方法是winkler碘量法，此法存在需消耗大量的样品， 耗时长，不能现场实时监测等缺点。另一种可以现场检测溶解氧浓度的电极类型传感器，如比色法，主次波长分光法，伏安法，氧化锆微量氧分析仪，聚苯乙烯阴离子交换膜电化学氧传感器等都是属于电极类型的氧传感器，但由于信号电流从产生到达平衡的过程缓慢，限制了测量速度；而且电极的透气膜容易老化，以及它需要电极本身的氧化还原反应来测定氧的浓度，测定过程中需消耗被测样品中的溶解氧，因此它的测量精确度和响应时间都受到严重约束。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种利用质子交换膜的水溶解氧分析仪。本发明的另一目的在于提供一种利用质子交换膜的水溶解氧分析仪检测水溶解氧的方法。本发明还一目的在于提供一种利用质子交换膜的水溶解氧分析仪在检测水中溶解氧的应用。为了实现本发明目的，本发明的一种利用质子交换膜的水溶解氧分析仪，其包括燃料电池、反应气/液罐、循环泵、电压指示表、电路导通组件，所述反应气/液罐与循环泵串联并通过电路导通组件连接在燃料电池阳极的两端；所述电压指示表通过电路导通组件连接在阳极与阴极之间；其中被测液作为所述燃料电池的阴极氧化剂。其中，所述循环泵可以为直流泵、离心泵、旋转泵、配量泵等各种能使液体或气体循环的装置。所述电压指示表是用来读取电压值的装置。可以为数显式或指针式。所述电路导通组件是用来导通电路、使各部分组件正常工作，已得到测量溶解氧的目的。所述燃料电池包括阴极、阳极、介于阳极和阴极之间的质子交换膜、燃料仓；所述阴极包括被测液、阴极导电板、阴极扩散层、阴极催化剂层、设置在阴极扩散层两端的2个密封圈；所述阳极包括反应气/液、阳极导电板、阳极扩散层、阳极催化剂层、设置在阳极扩散层两端的2个密封圈；所述质子交换膜将反应气/液与被测液分离，所述阳极导电板、阳极扩散层、阳极催化剂层、质子交换膜、阴极催化剂层、阴极扩散层、阴极导电板依次排列并压紧；阳极导电板与壳体构成燃料仓，阳极导电板与阴极导电板保证绝缘；所述阴极导电板与阳极导电板平行分布于阴极扩散层和阳极扩散层镜像的两端； 阳极导电板和阴极导电板上与扩散层平行的一侧开有透过液体或气体的小孔，阳极扩散层和阴极扩散层透过液体或气体，用以收集并传导电子，密封圈和质子交换膜用以阻断阴、阳两极的液体或气体。所述质子交换膜是传导质子(H+)的任何一种离子导电聚合物。例如可以采用成品的商品膜，如Nafion，也可以采用全氟磺酸离子交换膜树脂，将其溶融后涂布于催化层表所述阳极催化剂层、质子交换膜、阴极催化剂层用物理或化学的方法粘接在一起形成三联体的一个组件。所述阳极扩散层、阳极催化剂层、质子交换膜、阴极催化剂层、阴极扩散层用物理或化学的方法粘接在一起形成五联体的一个组件。所述阳极、阴极催化剂层可以是单独的阴阳极催化剂层也可以是融合在扩散层中。其是由含钼及钼合金的导电多孔材料组成，可以分为具有疏水性能和亲水性能两种。其中疏水性能的催化层，是指用至少含有一种疏水性能聚合物如聚四氟乙烯以及其他聚合物作为粘结剂，同时以钼或钼合金为催化剂所形成的导电多孔材料构成，钼或钼合金可以附着在载体碳或其它导电粉末上。亲水性能的催化层，是指用至少含有亲水性能聚合物如全氟磺酸树脂作为粘结剂，同时以钼或钼合金为催化剂所形成的导电材料构成，钼或钼合金可以附着在载体碳或其它导电粉末上。或者采用非Pt系催化剂制成。所述燃料仓中放有反应气体或反应液体，如甲醇、乙醇等液体或氢气、富含氢的气体(重整气)等气体。所述阳、阴极导电板可以由导电金属或导电石墨制成。所述阴、阳极扩散层为电子导电的多孔材料，该材料是由电子导电材料、造孔组份与粘结剂混合而成。电子导电材料可以是碳粉、金属粉以及具有高导电性的金属陶瓷粉等； 造孔组份是一种松散结构的颗粒，可以是碳粉、碳纤维；粘结剂是一种聚合物，这种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。看上去很像导电碳纸或导电碳布制成。本发明还提供了一种利用质子交换膜的水溶解氧分析仪的检测方法，其包括如下步骤制作测试对照标准图，取被测液体作所述分析仪的阴极，读出电压指示表的电压值， 比对标准图，测得被测液溶解氧浓度。本发明还提供了一种利用质子交换膜的水溶解氧分析仪在检测水中溶解氧的应用。本发明的效果在于，其一，由于本发明在测量溶氧时可以直接与被测液接触，使测量时间缩短；其二，由于本发明方法是与被测液直接接触，避免使用先渗透再测量的方法，使测量误差大大缩小。其三，是本发明结构简单、紧凑、灵敏性高。
图1为本发明利用质子交换膜的水溶解氧分析仪燃料电池原理说明图；图2为本发明利用质子交换膜的水溶解氧分析仪系统说明图；图3为本发明利用质子交换膜的水溶解氧分析仪结构示意图；图4为本发明测量水中溶解氧浓度0_20mg/L的对照标准图；图中1-阳极导电板、2-阳极扩散层、3-阳极催化剂层、4-质子交换膜、5-阴极催化剂层、6-阴极扩散层、7-阴极导电板、8-被测液、9-反应气/液、10-循环泵、11-反应气 /液罐、12-电压指示表、13-密封圈、14-后盖、15-外壳、16-燃料仓。体实施方式以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。实施例1分析仪结构本发明的一种利用质子交换膜的水溶解氧分析仪如图1、图2和3所示，具体包括 燃料电池、反应气/液罐11、循环泵10、电压指示表12、电路导通组件，所述反应气/液罐 11与循环泵10串联并通过电路导通组件连接在阳极的两端；所述电压指示表12通过电路导通组件连接在阳极与阴极之间，其中被测液8作为所述燃料电池的阴极氧化剂。其中燃料电池包括外壳15、阴极、阳极、介于阳极和阴极之间的质子交换膜4、燃料仓16、后盖14;其中，所述阴极包括被测液8、阴极导电板7、阴极扩散层6、阴极催化剂层 5、设置在阴极扩散层6两端的2个密封圈13 ；所述阳极包括反应气/液9、阳极导电板1、 阳极扩散层2、阳极催化剂层3、设置在阳极扩散层2两端的2个密封圈13 ；所述质子交换膜4将反应气/液9与被测液8分离，阳极导电板1、阳极扩散层2、 阳极催化剂层3、质子交换膜4、阴极催化剂层5、阴极扩散层6、阴极导电板7依次排列并压紧，其中阳极导电板1与壳体构成燃料仓16 ；所述阴极导电板7与阳极导电板1平行分布于阴极扩散层6和阳极扩散层2镜像的两端；阳极导电板1和阴极导电板7上与扩散层平行的一侧开有可以透过液体或气体的小孔，阳极扩散层2和阴极扩散层6可以透过液体或气体，用以收集并传导电子，密封圈13 和质子交换膜4用以阻断阴、阳两极的液体或气体；所述阳极催化剂层3采用Pt/Ru催化剂，质子交换膜4采用Nafionll7膜；阴极催化剂层5采用Pt ；阳极扩散层2和阴极扩散层6均采用碳布；阳极导电板1和阴极导电板 7均采用316L不锈钢板加工而成；阳极导电板1、阴极导电板7和电压指示表12用普通电线连接。实施例2标准图的绘制采用该溶解氧分析仪对不同溶氧量的标准水样品进行电压测试，得到表1数据如下表1不同溶氧量的标准水样品所对应的电压
权利要求
1.利用质子交换膜的水溶解氧分析仪，其特征在于，其包括燃料电池、反应气/液罐、 循环泵、电压指示表、电路导通组件，所述反应气/液罐与循环泵串联并通过电路导通组件连接在燃料电池阳极的两端；所述电压指示表通过电路导通组件连接在燃料电池的阳极与阴极之间；其中被测液作为所述燃料电池的阴极氧化剂。
2.如权利要求1所述的分析仪，其特征在于，所述燃料电池包括阴极、阳极、介于阳极和阴极之间的质子交换膜和燃料仓；其中，所述阴极包括被测液、阴极导电板、阴极扩散层、阴极催化剂层、设置在阴极扩散层两端的2个密封圈；所述阳极包括反应气/液、阳极导电板、阳极扩散层、阳极催化剂层、 设置在阳极扩散层两端的2个密封圈；所述质子交换膜将反应气/液与被测液分离，所述阳极导电板、阳极扩散层、阳极催化剂层、质子交换膜、阴极催化剂层、阴极扩散层、阴极导电板依次排列并压紧；阳极导电板与壳体构成燃料仓，阳极导电板与阴极导电板保证绝缘；所述阴极导电板与阳极导电板平行分布于阴极扩散层和阳极扩散层镜像的两端；阳极导电板和阴极导电板上与扩散层平行的一侧开有透过液体或气体的小孔，阳极扩散层和阴极扩散层透过液体或气体，用以收集并传导电子，密封圈和质子交换膜用以阻断阴、阳两极的液体或气体。
3.权利要求1或2所述分析仪检测水溶解氧的方法，其包括如下步骤制作测试对照标准图，取被测液体作所述分析仪的阴极，读出电压指示表的电压值，比对标准图，测得被测液溶解氧浓度。
4.如权利要求1或2所述分析仪在检测水中溶解氧中的应用。
全文摘要
本发明提供了一种利用质子交换膜的水溶解氧分析仪及其检测方法，该水溶解氧分析仪包括燃料电池、反应气/液罐、循环泵、电压指示表、电路导通组件，所述反应气/液罐与循环泵串联并通过电路导通组件连接在燃料电池阳极的两端；所述电压指示表通过电路导通组件连接在阳极与阴极之间；其中被测液作为所述燃料电池的阴极氧化剂。本发明在测量溶氧时可以直接与被测液接触，使测量时间缩短，而且本发明分析仪结构简单、紧凑、灵敏性高。
文档编号G01N27/417GK102411023SQ20111033954
公开日2012年4月11日 申请日期2011年11月1日 优先权日2011年11月1日
发明者刘萍, 李帅, 王刚 申请人:北京绿舍环境能源技术有限责任公司