PL173585B1

PL173585B1 - Pollution sensor especially for water

Info

Publication number: PL173585B1
Application number: PL94303624A
Authority: PL
Inventors: Kazimierz Brudzewski
Original assignee: Politechnika Warszawska
Priority date: 1994-05-27
Filing date: 1994-05-27
Publication date: 1998-03-31
Also published as: PL303624A1

Abstract

Sensor zanieczyszczeń ośrodka płynnego, zwłaszcza wody, zawierający usytuowane kolejno źródło światła monochromatycznego, elementy optyczne kształtujące wiązkę, dwa płaskie lustra w tym jedno lustro odniesienia i fotodiodę przy czym normalna do lustra ieży w płaszczyźnie prostopadłej do płaszczyzny padania wiązki na powierzchnię lustra odniesienia oraz zawiera elektrody roboczą. referencyjną i elektrodę pomocniczą umieszczone w komórce elektrochemicznej i podłączone do potencjostatu,znamienny tym, że oba lustra umieszczone są w komórce elektrochemicznej /KE/. a drugie lustro /LEW/ stanowi elektrodę roboczą sensora elektrchemicznego.A liquid medium pollution sensor, particularly water, comprising a monochromatic light source arranged in sequence, optical beam-shaping elements, two flat mirrors, including one reference mirror, and a photodiode, wherein the normal to the mirror lies in a plane perpendicular to the plane of incidence of the beam on the surface of the reference mirror, and comprises a working electrode, a reference electrode, and an auxiliary electrode placed in an electrochemical cell and connected to a potentiostat, characterized in that both mirrors are placed in an electrochemical cell /KE/, and the second mirror /LEW/ constitutes the working electrode of the electrochemical sensor.

Description

Przedmiotem wynalazku jest sensor zanieczyszczeń ośrodka płynnego zwłaszcza wody stosowany do detekcji śladowych zanieczyszczeń rozpuszczalnikami organicznymi zwłaszcza wód gruntowych.The subject of the invention is a liquid medium contamination sensor, especially water, used to detect trace contamination with organic solvents, especially groundwater.

Znany jest sensor elipsometryczny toksycznych gazów zawierający laser diodowy wytwarzający wiązkę światła monochromatycznego, które po przejściu przez kolimator i polaryzator liniowy pada na płaskie lustro z warstwą reaktywną.Wiązka odbita pada na lustro odniesienia i poprzez polaryzator liniowy odbierana jest przez fotodetektor. Normalna do powierzchni lustra z warstwą reaktywną leży, w płaszczyźnie prostopadłej do płaszczyzny padania wiązki na powierzchnię odniesienia. Środowisko zanieczyszczone wywołuje reakcję chemiczną warstwy reaktywnej, co powoduje zmianę stanu polaryzacji światła względem lustra odniesienia.There is an ellipsometric sensor of toxic gases that contains a diode laser producing a beam of monochromatic light, which, after passing through a collimator and a linear polarizer, falls on a flat mirror with a reactive layer. The reflected beam falls on a reference mirror and is received by a photodetector through a linear polarizer. The normal to the mirror surface with the reactive layer lies in a plane perpendicular to the plane of incidence of the beam on the reference surface. The polluted environment causes a chemical reaction of the reactive layer, which causes a change in the polarization state of the light with respect to the reference mirror.

Znany jest sensor elektrochemiczny zwłaszcza gazów zawierający komórkę elektrochemiczną zaopatrzoną w elektrody roboczą pomocniczą i odniesienia. Potencjały elektrod są sterowane przez układ potencjometryczny. Przebieg reakcji w komórce wywołany zanieczyszczeniami jest rejestrowany w postaci zmiany natężenia prądu w obwodzie.An electrochemical sensor is known, especially for gases, comprising an electrochemical cell provided with auxiliary and reference working electrodes. The electrode potentials are controlled by a potentiometer system. The course of the reaction in the cell caused by the contamination is recorded as a change in the current in the circuit.

Znane sensory chromatograficzne śladowych zanieczyszczeń wody rozpuszczalnikami organicznymi charakteryzują się stosowaniem skomplikowanych i kosztownych urządzeń nadających się do zastosowania w warunkach laboratorium chemicznego. Ponadto urządzenia te wymagają wykwalifikowanej obsługi.The known chromatographic sensors of trace water contamination with organic solvents are characterized by the use of complicated and expensive devices suitable for use in the conditions of a chemical laboratory. Moreover, these devices require qualified service.

Istota sensora według wynalazku polega na tym, że oba lustra umieszczone są w komórce elektrochemicznej, a drugie lustro stanowi elektrodę roboczą sensora elektrochemicznego.The essence of the sensor according to the invention consists in the fact that both mirrors are placed in the electrochemical cell, and the second mirror is the working electrode of the electrochemical sensor.

Rozwiązanie według wynalazku łączy zalety sensora eliptometrycznego i elektrochemicznego i charakteryzuje się wysoką czułością, znaczną selektywnością detekcji różnych śladowych zanieczyszczeń. Charakteryzuje się prostotą obsługi, niewysokim kosztem oraz możliwością prowadzenia pomiarów bezpośrednio w terenie, co ma duże znaczenie dla prowadzenia moritoringu zanieczyszczeń wód gruntowych.The solution according to the invention combines the advantages of an elliptometric and electrochemical sensor and is characterized by high sensitivity and high selectivity of the detection of various trace contaminants. It is characterized by ease of use, low cost and the ability to conduct measurements directly in the field, which is of great importance for the moritoring of groundwater pollution.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, który przedstawia schemat blokowy sensora zanieczyszczeń wody.The subject of the invention is illustrated in an embodiment in the drawing which shows a block diagram of a water pollution sensor.

Sensor zawiera laser diodowy LD, za którym na drodze wiązki świetlnej usytuowany jest kolejno kolimator K polaryzator liniowy /45°/ Pi. Następnie wiązka pada na płaskie metaliczne lustro LEW pokryte cienką warstwą platyny. Dalej wiązka po odbiciu od tego lustra LEW pada pod kątem 75° na płaskie metaliczne lustro odniesienia LO, na którego powierzchnię również naniesiona jest cienka warstwa platyny. Następnie wiązka pada na polaryzator liniowy /-45°/ P umieszczony na drodze wiązki przed fotodetektorem FD. Oba lustra LEW, LO umieszczone są w komórce elektrochemicznej KE zaopatrzonej w elektrodę pomocniczą EP i elektrodę odniesienia ER. Elektroda robocza lustra LEW poprzez doprowadzenie EY, wraz z elektrodą pomocniczą EP i odniesienia ER połączone sązpotencjostatem PS. Płaszczyzna padania wiązkiThe sensor contains a diode laser LD, behind which on the path of the light beam there is successively a collimator K, a linear polarizer / 45 ° / Pi. Then the beam falls on a flat metallic LEW mirror covered with a thin layer of platinum. Further, the beam, reflected from this LEW mirror, falls at an angle of 75 ° onto a flat metal reference mirror LO, on the surface of which is also a thin layer of platinum. Then the beam falls on the linear polarizer / -45 ° / P placed in the beam path in front of the FD photodetector. Both LEW and LO mirrors are placed in the KE electrochemical cell equipped with an auxiliary electrode EP and reference electrode ER. The working electrode of the LEW mirror through the EY lead, together with the auxiliary electrode EP and reference electrode ER are connected with the PS potentiostat. Beam incident plane

173 585 światła na powierzchnię lustra LEW stanowiącego elektrodę roboczą jest ortogonalna do płaszczyzny padania tej wiązki na powierzchnię lustra odniesienia LO, a kąty padania są jednakowe.173 585 of light on the surface of the LEW mirror constituting the working electrode is orthogonal to the plane of incidence of this beam on the surface of the reference mirror LO, and the angles of incidence are the same.

Jeśli stan powierzchni lustra LEW jest identyczny ze stanem lustra odniesienia LO to następuje całkowita kompensacja zmian stanu polaryzacji w wyniku odbicia wiązki światła od tych luster LEW, LO. Wiązka pozostaje spolaryzowana liniowo z niezmienionym azymutem polaryzacji. Sytuacja ta występuje gdy ośrodek nie jest zanieczyszczony. W przypadku zaistnienia zanieczyszczeń powodujących reakcje chemiczne utleniania lub redukcji następuje wydzielania się na powierzchni elektrody roboczej lustra LEW produktów elektrochemicznej konwersji substancji będącej przedmiotem detekcji oraz zmianę jej stężenia w obszarze warstwy podwójnej, bezpośrednio przylegającej do powierzchni lustra LEW. Zmiany te powodują, że nie zachodzi kompensacja zmian stanu polaryzacji. Stan polaryzacji wiązki po odbiciu od lustra LEW i lustra odniesienia LO ulega zmianie na stan polaryzacji eliptycznej. Powoduje to zmianę natężenia światła padającego na fotodetektor FD.If the state of the LEW mirror surface is identical to the state of the reference mirror LO, then the polarization state changes due to the reflection of the light beam from these LEW, LO mirrors are fully compensated. The beam remains linearly polarized with the azimuth of polarization unchanged. This situation occurs when the medium is not contaminated. In the case of impurities causing chemical oxidation or reduction reactions, electrochemical conversion products of the substance being detected are released on the surface of the working electrode of the LEW mirror, and its concentration changes in the area of the double layer directly adjacent to the surface of the LEW mirror. Due to these changes, there is no compensation for changes in the polarization state. After reflection from the LEW mirror and the LO reference mirror, the polarization state of the beam changes to the state of elliptical polarization. This causes a change in the intensity of the light incident on the photo detector FD.

Sensor ten ma właściwości sensora elektrochemicznego i eliptycznego i w związku z tym charakteryzuje się wysoką czułością i znaczną selektywnością detekcji różnych śladowych zanieczyszczeń. Odpowiedni dobór wartości potencjału lustra LEW pozwala selektywnie utleniać albo redukować związki chemiczne stanowiące zanieczyszczenia wody. Pozwala też zagęszczać produkty reakcji na powierzchni lustra LEW oraz w obszarze przyelektrodowym. Wiązka optyczna natomiast stanowi rodzaj sondy wykrywającej wszelkie zmiany na powierzchni elektrody i w obszarze elektrochemicznej warstwy podwójnej.This sensor has the properties of an electrochemical and elliptical sensor and therefore is characterized by high sensitivity and high selectivity of the detection of various trace contaminants. The appropriate selection of the value of the LEW mirror potential allows to selectively oxidize or reduce chemical compounds constituting water pollutants. It also allows to thicken the reaction products on the LEW mirror surface and in the vicinity of the electrode. The optical beam, on the other hand, is a kind of probe that detects any changes on the electrode surface and in the area of the electrochemical double layer.

173 585173 585

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 2,00 złPublishing Department of the UP RP. Circulation of 90 copies. Price PLN 2.00

Claims

Patent claims

A sensor for contamination of a liquid medium, especially water, containing a sequential source of monochromatic light, optical elements shaping the beam, two flat mirrors including one reference mirror and a photodiode, where the mirror normal lies in a plane perpendicular to the plane of incidence of the beam on the surface of the reference mirror and contains electrodes the working, reference and auxiliary electrode placed in the electrochemical cell and connected to the potentiostat, characterized in that both mirrors are placed in the electrochemical cell / KE / and the second mirror / LEW / is the working electrode of the electrochemical sensor.