Un sensor para medir amoníaco gaseoso y líquido o aminas volátiles,

comprendiendo el sensor: a) un alojamiento (44). b) un electrolito (40) que está contenido en el alojamiento (44), en el que el electrolito (40) incluye un ion manganeso Mn 2+ oxidable, en el que el electrolito (40) comprende un disolvente orgánico que se selecciona del grupo que consiste en carbonato de propileno, butilolactona, y sus mezclas, c) un electrodo (30) de medida, en contacto con el electrolito (40), comprendiendo el electrodo (30) de medida una capa (90) soporte y una capa (92) de catalizador, siendo el catalizador eficaz para catalizar la oxidación del ión manganeso oxidable en presencia del componente diana, y d) un contraelectrodo (18) en contacto con el electrolito (40)

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

1. Campo de la invención:

La presente invención se refiere a sensores tales como para compuestos tóxicos en gases o fluidos, y, en particular, a la fabricación y uso de un detector para detectar amoníaco.

2. Descripción de la técnica relacionada:

Los sensores para gases tóxicos se basan en, cada vez en mayor medida, salvaguardar la salud y seguridad del personal que entra en un área posiblemente peligrosa. Prestándose más atención a la seguridad del trabajador en espacios confinados, existe la necesidad de identificar rápidamente agentes gaseosos o líquidos, los cuales (incluso si no son asfixiantes o combustibles) son sin embargo tóxicos, usando un equipo compacto y portátil. Con una integración creciente de la electrónica, la capacidad para obtener una lectura instrumental de sensores tóxicos se está haciendo cada vez más simple. Sin embargo, todavía existe la necesidad de proporcionar sensores que tengan una exactitud y sensibilidad mejoradas, para evitar conclusiones inapropiadas extraídas de una indicación de salida de un sensor.

Frecuentemente se usan métodos electroquímicos para analizar trazas de gases. En métodos de este tipo, el electrodo de medida de una celda galvánica se pone en contacto con el gas a examinar, produciendo una corriente eléctrica que es proporcional a la concentración del compuesto a medir.

En el caso en el que se miden gases reducibles (por ejemplo, oxígeno, dióxido de nitrógeno, ozono o cloro), se produce una reacción en un electrodo de medida que actúa como cátodo, mientras que los gases oxidables (por ejemplo, sulfuro de hidrógeno, monóxido de carbono, hidrógeno) reaccionan en el electrodo de medida actuando como ánodo.

Muchas celdas electroquímicas detectoras de amoníaco en uso actualmente emplean el principio de Sevringhaus (potenciométrico) (documento DS-A-2009937). Como electrodo de medida se emplea un electrodo de vidrio de pH, y se miden los potenciales entre el electrodo de pH y un electrodo de referencia. La diferencia de potencial sirve como una señal de medida, relacionada con la presencia de amoníaco a través de un desplazamiento del pH del electrolito según la reacción NH3 + H2O → NH4+ + OH-. Este proceso tiene inconvenientes por cuanto la señal está relacionada logarítmicamente con la concentración de amoníaco. Además, el tiempo para fijar el equilibrio es extremadamente lento. Adicionalmente, otros gases (por ejemplo, SO2, HCl, CO2) son capaces de cambiar el valor del pH del electrolito, falsificando las medidas.

Otros sensores para amoníaco comercialmente disponibles (tales como los disponibles de Sensoric GmBH & Co.), funcionan según el principio amperométrico. Los sensores de este tipo responden a una transformación directa de amoníaco que pasa a través de una membrana permeable a gases sobre un electrodo de medida de trabajo catalítico, según la siguiente ecuación:

NH3 → N2 + 6H+ + 6e

Los electrodos en estos tipos de sensores incluyen electrodos de medida, de referencia y contraelectrodos en contacto con un electrolito en forma de gel orgánico libre de agua, que coopera con el electrocatalizador para oxidar el amoníaco a nitrógeno. Para la transformación directa, es importante que el electrolito sea un medio libre de agua. Un ejemplo de un catalizador muy eficaz es negro de platino. La reacción provoca una corriente eléctrica que es proporcional a la concentración de amoníaco en el gas medidor. Desafortunadamente, la velocidad de oxidación de amoníaco a nitrógeno no es suficientemente rápida a concentraciones más elevadas, y los subproductos intermedios de la oxidación de amoníaco provocan que los electrodos de medida se bloqueen parcialmente, dando como resultado un envenenamiento temporal de este electrodo, con una caída continua en la señal de medida si no se retira el amoníaco gaseoso del sensor. Además, la selectividad de este sensor no es muy elevada.

Otro tipo de procedimiento de medida amperométrico es conocido desde el documento GB 2.225.859. El amoníaco pasa una membrana permeable a gases al interior de un electrolito que contiene un reactivo no oxidable soluble. El reactivo cambia mediante una reacción con amoníaco a una sustancia que es electroquímicamente oxidable, preferiblemente una sal de amonio orgánica, tal como hidrocloruro de Tris(hidroximetil)-aminometano (“Tris-HCl”). Esto transforma la sal de amonio Tris(hidroximetil)-aminometano, que se oxida en una segunda etapa, en lugar del propio amoníaco, en el electrodo de medida. Con este procedimiento se debe usar un catalizador muy eficaz, ya sea rodio u oro, para producir la oxidación de la amina recientemente formada. Desafortunadamente, también se pueden medir otras sustancias, tales como subproductos en el gas de medida (por ejemplo, CO o alcohol). Otra ventaja es que, para provocar una reacción, es necesario un potencial de polarización. Esto provoca períodos de calentamiento prolongados, que dependen de la temperatura, degradando el comportamiento de medida de los sensores, y disminuyendo la capacidad para obtener un nivel de ruido cero favorable. En este tipo de procedimiento, el amoníaco reacciona sólo con una sustancia particular (Tris-HCl) añadida al electrolito, produciendo una especie activa electroquímica que se transforma posteriormente ella misma en un electrodo de medida, creando una señal de medida proporcional a la concentración de amoníaco.

Se conoce un procedimiento de medida similar (Patente de los Estados Unidos nº 5.234.567) que usa una especie química que reacciona con amoníaco para formar un producto que es electroquímicamente más activo que el amoníaco. La especie química es una de yodo o reactivo de Nesslers o una disolución de manganeso o nitrato de plata. El reactivo químico preferido es yodo. El amoníaco se difunde en el sensor y se disuelve fácilmente en agua para producir OH-(reacción 1), que es necesario para una reacción secundaria que forma iones de yodo (reacción 2).

NH3 + H2O → NH4+ + OH-(1)

6OH- + 3I2 → 5I + IO3 + 3H2O (2)

2I-- I2 + 2e (3)

La señal de medida resulta de la reformación de yodo a partir del ión de yodo (reacción 3). Esto se debe de producir a un potencial elevado del electrodo de medida. Se necesita un potencial de polarización de +300 mV entre los electrodos de referencia y de medida. Esto requiere un tiempo de calentamiento prolongado para estabilizar la lectura cero del sensor. Otra desventaja es que una reacción secundaria muy pequeña también puede formar iones de yodo a partir de yodo (reacción 4).

-

I2 + 3H2O → 5I-+ IO3 + 6H+ (4)

Esta reacción secundaria depende de la temperatura, incrementándose sustancialmente la corriente cero al incrementarse poco la temperatura, lo que nuevamente es una gran desventaja.

SUMARIO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se define mediante las reivindicaciones anejas. Un objeto de la presente invención es proporcionar un sensor electroquímico para el análisis de amoníaco gaseoso y líquido y aminas volátiles.

Un objeto adicional de la presente invención es proporcionar un sensor para amoníaco que tenga una exactitud mejorada con respecto a su intervalo de funcionamiento diseñado.

Aún otro objeto de la presente invención es proporcionar un sensor que esté relativamente libre de necesidades de mantenimiento, y que permanezca estable durante períodos largos de tiempo.

Es un objeto de la presente invención proporcionar un sensor para amoníaco y sus derivados que no requiera un potencial de polarización y que tenga un nivel de ruido cero estable a pesar de las temperaturas ambiente y humedad fluctuantes. También es un objeto de la presente invención proporcionar un sensor de este tipo que sea capaz de medir concentraciones elevadas de amoníaco durante períodos de tiempo prolongados.

Es importante que el sensor proporcione determinaciones relativamente rápidas de concentraciones tóxicas, y que lo haga de forma simple sin necesitar un equipo externo complejo.

Estos y otros objetos de la presente invención se proporcionan en un sensor según la reivindicación 1.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

La FIG. 1 muestra una vista esquemática de un sensor según los principios de la presente invención;

La FIG. 2 es una vista en despiece fragmentada del mismo;

1. Un sensor para medir amoníaco gaseoso y líquido o aminas volátiles, comprendiendo el sensor:

a) un alojamiento (44).

b) un electrolito (40) que está contenido en el alojamiento (44), en el que el electrolito (40) incluye un ion manganeso Mn2+ oxidable, en el que el electrolito (40) comprende un disolvente orgánico que se selecciona del grupo que consiste en carbonato de propileno, butilolactona, y sus mezclas,

c) un electrodo (30) de medida, en contacto con el electrolito (40), comprendiendo el electrodo (30) de medida una capa (90) soporte y una capa (92) de catalizador, siendo el catalizador eficaz para catalizar la oxidación del ión manganeso oxidable en presencia del componente diana, y

d) un contraelectrodo (18) en contacto con el electrolito (40).

2. El sensor según la reivindicación 1, en el que la capa soporte (90) está en contacto con el componente diana, y la capa (92) de catalizador está en contacto con el electrolito (40).

3. El sensor según la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que la oxidación da como resultado un flujo de carga que está relacionado con la concentración del componente diana, y en el que la capa (90) soporte comprende una barrera de difusión en contacto íntimo con la capa (92) de catalizador, siendo la barrera de difusión eficaz para proporcionar una barrera impermeable al electrolito (40).

4. El sensor según la reivindicación 1, en el que el electrolito (40) comprende además polimetacrilato de metilo.

5. El sensor según la reivindicación 4, en el que el electrolito (40) está inmovilizado en forma de un gel.

6. El sensor según la reivindicación 1, en el que el ión manganeso oxidable se proporciona como una sal seleccionada del grupo que consiste en nitrato de manganeso (II), sulfato de manganeso (II), cloruro de manganeso (II), y sus mezclas.

7. El sensor según una cualquiera de las reivindicaciones 6, en el que la capa (90) soporte está hecha de politetrafluoroetileno.

8. El sensor según una cualquiera de las reivindicaciones 1-7, en el que el catalizador se selecciona del grupo que consiste en polvo de oro, polvo de grafito o fieltro de grafito, y sus mezclas.

9. El sensor según una cualquiera de las reivindicaciones 1-8, en el que el catalizador está unido a la capa

(90) soporte.

10. El sensor según una cualquiera de las reivindicaciones 1-8, en el que el componente diana es amoníaco o una amina volátil.

11. El sensor según una cualquiera de las reivindicaciones 1-9, en el que el contraelectrodo (18) es eficaz para reducir oxígeno a agua.

12. El sensor según una cualquiera de las reivindicaciones 1-10, en el que el contraelectrodo (18) consiste en tela de carbono o lana de carbono.

13. El sensor según una cualquiera de las reivindicaciones 1-11, en el que el sensor comprende además un electrodo de referencia (28).

14. El sensor según la reivindicación 13, en el que el electrodo de referencia (28) contiene una mezcla de polvo de rutenio y un aglutinante hidrófobo.

15. Uso de un sensor según una cualquiera de las reivindicaciones 1-14 en un detector electroquímico para medir un componente diana en una muestra gaseosa o líquida.