Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

ديناميكية الكهروكيميائية قياس كلوريد الأيونات

Published: February 5, 2016 doi: 10.3791/53312
Automatic Translation
1, 1, 1, 1
1BIOS-Lab on a chip group, MESA+ Institute of Nanotechnology, MIRA Biomedical Technology and Technical Medicine, University of Twente

Introduction

ويرد استشعار أيون كلوريد تقوم على قياس الفترة الانتقالية من القطب حج / أجكل. والهدف من ذلك هو تجنب الانجرافات المتأصلة خلال المراقبة المستمرة على المدى الطويل من أيونات الكلوريد في بالكهرباء. ويستخدم قياس Chronopotentiometric، وهو نهج القياس الحيوي، من القطب حج / أجكل لهذا الغرض. هنا يتم قياس معدل التغير في إمكانية قيام القطب حج / أجكل خلال التحفيز (نبض galvanostatic). وتتجلى ميزة هذا النهج الذي التملص القطب إشارة السائل تقاطع وبدلا من استخدام أي سلك معدني باعتبارها القطب الزائفة إشارة، وبالتالي السماح للكشف عن CL تركيز أيونات لفترة طويلة الأجل (سنة) وفي تطبيقات الموقع، مثل قياس داخل الهياكل الخرسانية.

أيونات الكلوريد في المنشآت الخرسانية هي واحدة من الأسباب الرئيسية لتدهور 1،2. أنه يبدأ تآكل تأليب في حديد التسليح لالنتائج ND في الفشل النهائي للهيكل 3. لذلك، وقياس أيونات الكلوريد في الخرسانة أمر لا مفر منه للتنبؤ دورة حياة الخدمة والصيانة من 4،5 هيكل. تم الإبلاغ عن مبادئ الاستشعار المختلفة لقياس أيون الكلوريد في الخرسانة مثل الكهروكيميائية 6،7، 8،9 البصرية والكهرومغناطيسية 10،11. ومع ذلك، وسائل بصرية والكهرومغناطيسية ديك الاجهزة الضخمة، من الصعب دمج كنظام مستقل ولديك مشاكل مع الانتقائية 12. في تقنية الكهروكيميائية، وقياس الجهدية من القطب حج / أجكل هو حالة 6،7،13 نهج الفن. وعلى الرغم من نتائج واعدة، وهذا النهج يقتصر على قياس مختبر النطاق منذ الانجرافات في إمكانية المرجعية ونشر النتائج انخفاض المحتملة في البيانات الخاطئة 14،15. نهج الفترة الانتقالية تقوم على قياس الكهروكيميائية الحيوي (ماركا) يمكن أن تخفف من مشكلة نظرا لاحتمالاتالانجراف 16.

في ماركا، يتم قياس استجابة النظام لحافز تطبيق 17-19. على سبيل المثال من هذا النظام هو chronopotentiometry. هنا يتم استخدام نبض الحالية المطبقة كحافز المستنفدة أيونات بالقرب من سطح القطب ويتم قياس الاستجابة المحتملة المقابلة. تيار انوديك في القطب حج / أجكل يبدأ رد فعل faradaic (حج + CL الشكل 1 أجكل + E) مما أدى إلى استنزاف أيونات الكلور بالقرب من سطح القطب. التغيير المحتمل هو وظيفة من التيار التطبيقية وتركيز أيونات (الانتقائية) في 12،20 بالكهرباء. لحظة هذه الأيونات تستنزف تماما بالقرب من القطب سطح معدل التغير من الارتفاعات المحتملة بسرعة، وهو ما يعطي نقطة انعطاف 21. نقطة انعطاف على منحنى استجابة لمرة والمحتملين (chronopotentiogram) ويظهر في الوقت التي تمر بمرحلة انتقالية ويمكن تحديدها منالحد الأقصى للمشتقات الأولى من الاستجابة المحتملة 22. الفترة الانتقالية هو سمة من تركيز أيون. وقد استخدم هذا الأسلوب لتحديد أيونات مختلفة تركيز 17 ودرجة الحموضة من الشوارد 23،24. في حالة وجود القطب حج / أجكل باعتباره القطب العمل (التي الحالي يتم تطبيق) وأيونات أوزون يكون أيونات الكلوريد (17). وبالتالي قياس الوقت انتقالها ستحدد تركيزه.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. رقاقة تلفيق

ملاحظة: رقاقة يتكون من القطب حج / أجكل العمل (نحن)، وهو حج / أجكل الكهربائي شبه المرجعية (الزائفة-RE) والبلاتين مكافحة الكهربائي على شريحة زجاجية. يترسب معدن الفضة على شريحة زجاجية، وذلك باستخدام غرف الأبحاث معيار العمليات 16. ثم يتم chloridized في 0.1 M FeCl 3 حل لمدة 30 ثانية لتشكيل طبقة أجكل على السطح. حج / أجكل نحن (منطقة = 9.812 مم 2) ويقع في الوسط، تحيط بها حج / أجكل الزائفة-RE كما هو مبين في الشكل 1.

  1. إيداع معدن الفضة على الزجاج لتشكيل قطب الفضة مستو. يعطى رقاقة تلفيق خطوة بخطوة في غرف الأبحاث على النحو التالي:
    1. طباعة الحجرية
      1. لتنظيف ويفر، تزج الرقاقة الزجاج لأول مرة في اضرب. HNO 3 حمام لإزالة أي تلوث العضوي ومن ثم إلى 1 M KOH لتنظيف السطح.
      2. تطبيق صورة إيجابية مقاومة (200 نانومتر سميكة) لرقاقة عن طريق طلاء تدور وprebake للمقاومة في درجة حرارة 95 درجة مئوية لمدة 15 دقيقة.
      3. فضح الرقاقة للأشعة فوق البنفسجية لمدة 5 ثانية من خلال قناع الزجاج.
      4. تطوير مقاومة للضوء في حل المطور. هذا وسوف يعرض المنطقة من الزجاج حيث سيتم إيداع الأقطاب وسيتم تغطية المساحة المتبقية من غير مصورة مقاومة.
    2. الزجاج النقش
      1. تزج الرقاقة الزجاج وضعت في الحمام كوه لحفر المنطقة المكشوفة من الزجاج.
    3. المعادن ترسب (الاخرق)
      1. الفضة معدن الودائع على المنطقة الزجاج المكشوفة.
        1. أول إيداع 20 نانومتر التيتانيوم (تي) طبقة (عن طريق الاخرق) باعتبارها طبقة التصاق للزجاج.
        2. ثم إيداع 70 نانومتر البلاديوم (المشتريات) طبقة (عن طريق الاخرق) كحاجز انتشار بين الفضة وتي.
        3. أخيرا إيداع 500 نيوتن متر من معدن الفضة. هذا هو سمك المعدن المودعة. منطقة القطب العمل هو 4 مم 2.
        4. إزالة Remaining مقاومة من قبل عملية انطلاقه في حمام الأسيتون.
      2. الزهر ورقاقة في حجم رقاقة واحدة. رقاقة هو الآن على استعداد ليكون chloridized لتشكيل حج / أجكل الكهربائي على الرقاقة.
  2. وضع رقاقة في حامل مصممة تترافلوروإيثيلين رقاقة في المنزل، كما هو مبين في الشكل 1. ويقدم صاحب التوصيلات الكهربائية سهلة عبر دبابيس دفع (أو دبابيس بنابض) ويحتوي على خلية كهروكيميائية.
  3. Chloridize القطب الفضة لتشكيل القطب حج / أجكل على رقاقة. لذلك، صب 0.1 M FeCl 3 الحل في خلية لمدة 30 ثانية. أو حتى اللون الفضي من القطب يصبح رمادي داكن. أطول الغمر ليست حرجة في حين أقصر وقت الغمر يمكن أن يؤدي إلى أي ترسب حج / أجكل.
  4. شطف الشريحة مع الماء منزوع الأيونات لتنظيف FeCl 3. ورقاقة المتبقية هو الآن على استعداد لاستخدامها لقياس chronopotentiometric.

2. إعداد بالكهرباء

ملاحظة: تم إعداد الشوارد مع تركيز مختلفة من كلوريد البوتاسيوم في 0.5 M كنو 3.

  1. تجهيز 50 مل من 50 ملي بوكل حل الأسهم بالكهرباء (0.186 غرام من بوكل في 50 مل من محلول).
  2. في نفس الحل إضافة 2.52 غرام من كنو 3 لتشكيل 0.5 M كنو بالكهرباء 3 الخلفية.
  3. الحفاظ على تركيز بدءا من كلوريد إلى الصفر، وكنو 3-0،5 م. وبعبارة أخرى إضافة 2.52 غرام من كنو 3 في 50 مل من الماء منزوع الأيونات.
  4. إضافة 50 ملي بوكل لزيادة تركيز أيون كلوريد (من 1 ملم الى 6 ملم) من المنحل بالكهرباء، بشكل منهجي، كما هو موضح في الخطوات التالية.
    1. إضافة 100 ميكرولتر من 50 ملي بوكل إلى 4.9 مل من 0.5 M كنو 3 للحصول على 1 ملم [CL].
    2. إضافة 104 ميكرولتر من محلول 50 ملي بوكل في حل من خطوة 2.4.1 للحصول على 2 ملي [CL].
    3. إضافة 108.41 ميكرولتر من محلول 50 ملي بوكل في الصورةolution الخطوة 2.4.2 للحصول على 3 مم [CL].
    4. إضافة 113.19 ميكرولتر من محلول 50 ملي بوكل في حل من خطوة 2.4.3 للحصول على 4 ملي [CL].
    5. إضافة 118.2 ميكرولتر من محلول 50 ملي بوكل في حل من خطوة 2.4.4 للحصول على 5 مم [CL].
    6. إضافة 123.3 ميكرولتر من محلول 50 ملي بوكل في حل من خطوة 2.4.5 للحصول على 6 مم [CL].

3. إعداد التجريبية

ملاحظة: تم إجراء القياسات باستخدام potentiostat (بيولوجي علوم الآلات، فرنسا).

  1. وضع رقاقة في حامل رقاقة وربط محطة المقابلة من potentiostat.
  2. ربط محطة القطب عمل potentiostat إلى القطب حج / أجكل.
  3. ربط محطة إشارة كهربائي من potentiostat إلى القطب آخر حج / أجكل.
  4. ربط محطة عداد كهربائي من potentiostat إلى القطب البلاتين.
  5. وضع شركاتإعداد التجربة وليته في قفص فاراداي لتجنب الضوضاء المحيطة.

4. إعدادات التشغيلية صك

ملاحظة: يتم التحكم في المعلمات التشغيلية للخلية كهروكيميائية عبر واجهة المستخدم من potentiostat. يتم قياس الاستجابة المحتملة من حج / أجكل نحن خلال نبضة الحالي التطبيقية لتركيزات مختلفة من أيونات الكلوريد.

  1. في برنامج potentiostat، فتح chronopotentiometry تقنية وتعيين المعلمات التشغيلية.
    1. تعيين المعلمة التالية وفقا لمتطلبات:
      1. الحالي (أنا ق)
      2. وقت تطبيقها الحالي (ر ق)
    2. تبدأ هذه التقنية عن طريق النقر على زر التشغيل في برنامج potentiostat.
      ملاحظة: يعرض البرنامج potentiostat الاستجابة المحتملة بوصفها وظيفة من الزمن تحت نبض الحالية المطبقة.

5. قياس وتحليل بياالصورة

  1. رسم منحنى المعايرة من الفترة الانتقالية مقابل تركيز أيون الكلور في بالكهرباء.
    1. تغيير تركيز الكلور في بالكهرباء بوكل، بشكل منهجي.
      1. بدء قياس مع 5 مل من 1 ملم بوكل مع 0.5 M كنو 3 بالكهرباء الخلفية في خلية كهروكيميائية.
      2. بدء التجربة chronopotentiometric باستخدام potentiostat وتطبيق تيار 10 أمبير / سم -2 لمدة 10 ثانية، وتخزين البيانات.
      3. منهجية تغيير التركيز إلى 6 ملم مع 1 زيادات ملم وتكرار القياسات.
    2. تخزين البيانات المقاسة كما a.mpt ملف وتحليل ملف البيانات في برنامج معالجة البيانات.
      1. تحليل البيانات باستخدام برنامج معالجة البيانات وضعت في منزل لحساب المشتقة الأولى من الاستجابة المحتملة وحساب ذروة المشتقة الأولى. ذروة المشتقة الأولى هي الفترة الانتقالية.
        ملاحظة: سمك القد الكاملوتعطى جي من برنامج معالجة البيانات في المعلومات التكميلية عباس وآخرون، 2014.
    3. كرر القياس ثلاث مرات مع فاصل من 1 ساعة لكل منهما.
    4. فتح كافة ملفات البيانات في برنامج معالجة البيانات وحساب الفترة الانتقالية لكل قياس. وفيما يلي الخطوات بالتفصيل من حساب الفترة الانتقالية:
      1. رسم فرق الجهد مقابل الوقت تم الحصول عليها من ملفات البيانات من قياس chronopotentiometric.
      2. حساب المشتقة الأولى من الاستجابة المحتملة.
      3. تشير الحد الأقصى للمشتقات الأولى ووقت ذلك. الوقت الأقصى من مشتقات الأولى هي الفترة الانتقالية.
    5. لمنحنى المعايرة، رسم الجذر التربيعي من الفترة الانتقالية فيما يتعلق تركيز أيونات الكلور.
    6. على طول البيانات المقاسة رسم منحنى النظرية على أساس المعادلة الرمل 25. حساب إعادة كوفيك نشرient من مؤامرة البيانات.
      1. في مؤامرة البيانات المقاسة بين الفترة الانتقالية و[CL] اتخاذ أي نقطة على السطر وتسجيل قيمة الوقت الانتقالية و[CL]. وبالنظر إلى المعادلة الرمال على النحو التالي:
        τ = (FC * / 2J (1 ر الكلور -)) 2 Dπ
        هنا، C * هو تركيز أيون الكلور بكميات كبيرة، F هو ثابت فاراداي، ي وكثافة التيار، تي الكلور - هو عدد وسائل النقل وD هو معامل الانتشار. إهمال ر الكلور - منذ يقترب الصفر لأعلى تركيز بالكهرباء الخلفية.
      2. المتغير الوحيد المتبقي في المعادلة الرمال في معامل الانتشار. وضع قيمة الفترة الانتقالية، وتركيز أيونات الكلوريد والتيار تطبيقها في المعادلة الرمال الحصول على قيمة معامل الانتشار.
  2. قياس الانحراف
    1. صب 5 مل من 1 ملم من بوكل فيخلية كهروكيميائية.
    2. في potentiostat، تعيين التطبيقية الحالي ليكون 10:00 -2 والوقت لتكون 10 ثانية.
    3. قياس الاستجابة المحتملة لمدة 2 أسابيع مع ثلاثة قياس كل يوم مع فاصل من 3 ساعات بين القياسات.
    4. تحديث بالكهرباء، أي 1 ملم بوكل، كل يوم قبل إجراء القياسات.
    5. رسم الفترة الانتقالية أكثر من أسبوعين من القياسات. التغيير في الفترة الانتقالية في اليوم الواحد هو الانجراف للاستجابة الفترة الانتقالية.
  3. تأثير القطب الزائفة إشارة على قياسات الفترة الانتقالية
    ملاحظة: يتم اختبار العديد الزائفة المراجع مثل سلك حج / أجكل، سلك البلاتين وأسلاك الفولاذ لقياس الفترة الانتقالية.
    1. صب 4 ملم من بوكل بالكهرباء في خلية كهروكيميائية.
    2. استخدام حج / أجكل باعتبارها القطب الزائفة إشارة وذلك لربط محطة إشارة كهربائي من potentiostat. نظرا لنبض الحالية أنودي الكلورين & #713؛ تنضب أيونات بالقرب من القطب العمل حج / أجكل.
    3. إجراء قياس chronopotentiometric عن طريق تطبيق الكثافة الحالية من 15 صباحا -2 لمدة 10 ثانية.
    4. تكرار القياسات مع البلاتين كما القطب الزائفة إشارة وتسجيل البيانات.
    5. تكرار القياسات مع شريط الصلب والقطب الزائفة إشارة وتسجيل البيانات.
    6. رسم الفترة الانتقالية قياس لمختلف الأقطاب الزائفة المرجعية المستخدمة.
    7. كرر مجموعة كاملة من قياس مع 5 ملم من بوكل ورسم الفترة الانتقالية باستخدام مختلف الأقطاب الزائفة المرجعية.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

ملفقة القطب حج / أجكل على شريحة زجاجية (Figure1) باستخدام عملية غرف الأبحاث القياسية. وقد استخدم الإعداد قياس chronopotentiometric (الشكل 2)، وقياس استجابة باستخدام potentiostat. لمراقبة تأثير تركيز أيون الكلور في الفترة الانتقالية، يتم قياس المحاليل التي تحتوي على 4 و 5 و 6 ملي من CL الأيونات في 0.5 M كنو 3 الخلفية (الشكل 3). يتم رسم منحنى المعايرة من الجذر التربيعي من الفترة الانتقالية مقابل تركيز أيون الكلور جنبا إلى جنب مع منحنى النظري (الشكل 4). وقد تم قياس زمن الاستجابة الانتقالية لمدة أسبوعين لتقييم الانجراف في القياس (الشكل 5). يتم قياس الفترة الانتقالية في 4 و 5 ملي تركيز أيون الكلور لمختلف القطب الزائفة إشارة إلى مراقبة تأثير النظام المرجعي في الفترة الانتقالية (الشكل 6). المجموعة من الكثافة الحالية على مجموعة من 1-6 ملم [CL] يتم تقييم من المعادلة الرمل (الجدول 1).

وقد تم قياس الفترة الانتقالية في تركيزات مختلفة من أيونات الكلوريد، وهما 4 و 5 و 6 ملم، كما هو مبين في الشكل (3). والاستجابة المحتملة المقابلة مرئيا جنبا إلى جنب مع أول مشتقاته. قمم المشتقات الأولى تعطي الأوقات التي تمر بمرحلة انتقالية. لحظة وقت الذروة يتحول إلى قيم أعلى مع زيادة في [CL]. ومن المتوقع هذا النحو المزيد من أيونات الكلور الموجودة في الإلكتروليت بالجملة يعني ان الامر سيستغرق وقتا أطول لاستنزاف تماما أيونات الكلور بالقرب من سطح نحن. الأوقات التي تمر بمرحلة انتقالية قياس التركيزات المذكورة هي 2.69، 4.28 و 5.92 ثانية، على التوالي.

تمت معايرة القياسات الفترة الانتقالية على تركيز معروف من أيونات الكلوريد. البيانات المقاسة ووتقدم تناسب لها الخطي في الشكل (4). والجذر التربيعي للالساعة الانتقالية في علاقة خطية إلى [CL]، كما تنبأ به المعادلة الرمال. تم العثور على معامل الانتشار الواضح لأيونات الكلور من البيانات المقاسة لتكون 2.280 × 10 -9 م 2 ثانية -1، والتي هي في اتفاق جيد مع القيمة النظرية، D = 2 × 10 -9 م 2 ثانية -1. الانحراف يمكن أن يكون راجعا إلى عدم اليقين في قيمة الكثافة الحالية تنسب إلى مساحة المتغيرة خلال نبض الحالية. وعلاوة على ذلك الانحراف هو أكبر نسبيا لتركيزات أعلى، على سبيل المثال، 7 ملم. ويعزى ذلك إلى سمك كبير نسبيا من بيان التركيز، مما يجعله أكثر حساسية للالحراري.

الطبيعة الديناميكية للالفترة الانتقالية يضمن قياس مجانا الانجراف. لتحليل الانحراف، والفترة الانتقالية ل1 ملم CLوقد تم قياس أكثر من أسبوعين، كما هو مبين في الشكل (5). وهناك اتجاه التناقص في الفترة الانتقالية، 0.23 ميللي ثانية / يوم (يتوافق مع 0.8 ميكرومتر / يوم)، في تناسب خطية من البيانات. ومع ذلك، فإن هذا التغيير هو صغير ويمكن أن يعزى إلى أخطاء التعامل، وتغيير CL تركيز أيون بسبب التبخر وتغير في كثافة التيار واضحة واختلاف درجة الحرارة خلال فترة القياس. ولذلك فمن الصعب إعطاء نتيجة ملموسة حول الانجراف من أجهزة الاستشعار. إما لا يوجد الانجراف الأصيل أو الانجراف صغير نسبيا.

جانب آخر من الطبيعة الديناميكية لقياس الساعة الانتقالية استقلالها في نظام مرجعي. تم تعيين العديد الزائفة المراجع (سلك حج / أجكل، سلك البلاتين وأسلاك الفولاذ) إلى قياس الفترة الانتقالية من القطب حج / أجكل في 4 و 5 ملي [CL]. وأظهرت القياسات في الشكل (6). لمختلف الزائفة refere NCES لا يتغير استجابة إلى حد كبير، من الفترة الانتقالية يتفاوت داخل 80 مللي ثانية (± 75 ميكرومتر في 4 و 5 أيونات ملي CL). وبالتالي فإن نظام مرجعي له أي تأثير منتظم؛ أي سلك معدني يمكن لاستخدامها بوصفها القطب شبه مرجعية لقياس الفترة الانتقالية.

الشكل 1
الشكل 1. كلوريد رقاقة الاستشعار جنبا إلى جنب مع خلية كهروكيميائية. (أ) CL أيون رقاقة الاستشعار مع الأقطاب حج / أجكل على ركيزة الزجاج ومنصات اتصال الكهربائية. البعد من شرائح الزجاج هو 15 × 20 مم 2 في حين أن المنطقة تتعرض في الخلية الكهروكيميائية هي 78 مم 2. (ب) كامل الكهروكيميائية الخلية (رقاقة حامل) مع رقاقة مثبتة. تظهر منطقة دائرية متوسطة المنطقة من الشريحة المعرضة للبالكهرباء 16. 3312 / 53312fig1large.jpg "الهدف =" _ فارغة "> اضغط هنا لتحميل هذا الملف.

الشكل 2
الشكل 2. رسم تخطيطي للنهج الفترة الانتقالية. (A) تخطيطي لنهج الكشف عن أيون الكلور. خلال نبض الحالية المطبقة في WE فيما يتعلق CE (غير المدرجة في هذا الشكل)، أيونات الكلوريد تستنزف في حج / أجكل نحن، مما أدى إلى CL الشخصي تركيز أيون المصورة. (ب) تخطيطي لΔV وdΔV استجابة / دينارا. خط الصلبة (-) وخط متقطع (-) تمثل ΔV وdΔV / دينارا على التوالي. τ هو وقت الانتقال وt هي مدة نبض الحالية المطبقة. هنا، ر / τ هي نسبة الوقت الحالي التطبيقية والفترة الانتقالية عندما طن / τ = ​​1، وأيونات الكلوريد على سطح القطب العمل يستنفد تماما 16. https://www.jove.com/files/ftp_upload/53312/53312fig2large.jpg "الهدف =" _ فارغة "> اضغط هنا لتحميل هذا الملف.

الشكل (3)
الشكل القياسات 3. الانتقال الوقت. وchronopotentiograms (خط الصلبة) وأول مشتقاتها (خط متقطع) من القطب حج / أجكل فيما يتعلق حج / أجكل الزائفة-RE القطب أخرى في محاليل 4 و 5 و 6 أيونات ملي CL. بالكهرباء الخلفية 0.5 M كنو 3، نبض الحالي المطبق هو 10:00 -2 ودرجة الحرارة المحيطة هو 20.9 درجة مئوية. يشار إلى منحدرات القصوى من الردود المحتملة من قبل الخطوط المنقطة 16. يرجى النقر هنا لتحميل هذا الملف.

/53312fig4.jpg "/>
الشكل 4. معايرة منحنى. منحنى المعايرة يظهر الجذر التربيعي من الفترة الانتقالية مقابل تركيز أيون الكلور، في 0.5 M كنو بالكهرباء 3 الخلفية. نقاط دائرية (س) هي البيانات المقاسة وخط الصلبة (-) هو صالح الخطي. خط متقطع (-) هو منحنى النظري من الرمال المعادلة، مكافئ. (2). نبض الحالي المطبق هو 10:00 -2 ودرجة الحرارة المحيطة هي 20.8 درجة مئوية. D ودا هي معاملات (قياس) نشر نظرية واضحة، على التوالي 16. يرجى النقر هنا لتحميل هذا الملف.

الرقم 5
الرقم تحليل 5. الانجراف. القياسات اللاحقة من الفترة الانتقالية أكثر من أسبوعين. تم تنفيذ كل قياس من البريداليوم الآخر جدا، أداء مع 3 قياسات كل يوم و 3 ساعة بين كل قياس في نفس اليوم. بالكهرباء يحتوي على 1 ملم من CL الأيونات في كنو 3 خلفية 0.5 M ونبض الحالي المطبق هو 10:00 -2. يتم الرمز نقاط البيانات وخطية صالح بنسبة (+) والخط المتقطع، على التوالي 16. يرجى النقر هنا لتحميل هذا الملف.

الشكل (6)
الرقم 6. تأثير مختلف الأقطاب الزائفة المرجعية. تقاس الانتقال مرات باستخدام الزائفة الدقة تتألف من حج / أجكل RE تقاطع السائل، والأسلاك جي / أجكل، سلك البلاتين وأسلاك الفولاذ. نبض الحالي المطبق هو 15 صباحا -2 ودرجة الحرارة المحيطة هي 21.2 درجة مئوية. هنا، + و o علامات تظهر البيانات المقاسة لمدة 4 و 5 ملي من CL الأيونات في 0.5 M كنو 3الخلفية، على التوالي 16. يرجى النقر هنا لتحميل هذا الملف.

[CL] مجموعة
(ملم) 		الكثافة الحالية، ي
(ص -2) 		(ي / C *) دقيقة
(A ∙ م • ومول -1) 		(ي / C *) كحد أقصى
(A ∙ م • ومول -1) 		دقيقة τ
(الصورة) 		τ ماكس
(الصورة)
1-6 10 1.66 10 0.146 5.26

الجدول 1. الكثافة الحالية المحددة لالكلورينˉ أيون مجموعة تركيز 1-6 ملم وتقييمها من مكافئ. (3). وترد أيضا القيم المناظرة من نسبة ي / C والفترة الانتقالية 16.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

الساعة الانتقالية لحظة انعطاف. أنها مستقلة من الناحية النظرية من أي المحتملين إشارة، فإن القطب المرجع. لذا فإن أي سلك معدني يمكن استخدام القطب شبه مرجعية لقياس الفترة الانتقالية. وعلى النقيض من قياس الجهدية القائمة أيونات الكلوريد في الخرسانة يتيح هذا الأسلوب على المدى الطويل ومعايرة قياس مجانا. وعلاوة على ذلك حساسية واكتشاف مجموعة من التركيز يمكن ضبطها من خلال تعديل نبض الحالية المطبقة. لتركيزات الكلور العالي، والتي هي الحال في الخرسانة، وينبغي تطبيق نبض الحالية العالي للحفاظ على الفترة الانتقالية في غضون 6 ثانية.

على الرغم من أن قياس ديناميكية باستخدام الفترة الانتقالية من القطب حج / أجكل يبدو بديلا جذابا لتكون مرجعا والمعايرة كشف خالية من أيونات الكلوريد. تدخل من الشوارد الأخرى، مثل هيدروكسيدات والهاليدات، يمكن أن تحد من ذلك جدوى especially عندما تركيز أيونات التدخل أعلى من أيونات الكلوريد. على سبيل المثال لوحظ مختلطة (توسيع) ذروة الفترة الانتقالية إذا كان [يا] هو أعلى 10 مرة من [CL] في بالكهرباء. في هذه الحالة لا يمكن التفريق بين القمم الفترة الانتقالية ليا و CL الأيونات. اكتشاف مجموعة من [CL] يعتمد على تركيز أيونات التدخل مثل أيونات OH 7. لقد اختبرنا الى 1 ميكرومتر بوكل في غياب التدخل الأيونات. وعلاوة على ذلك، في وجود يوديد (I) وبروميد (BR) أيونات وأجهزة الاستشعار كشف تفضيلي الفترة الانتقالية لأني والأخ أيونات بدلا من كلوريد. عادة في التدخل الملموس من الأول وBR أيونات غير ذي صلة بسبب غيابهم أو كمية لا تذكر. الى جانب ذلك، تدخل من أيونات هيدروكسيد وهاليدات يمكن تعويضه من خلال تغطية القطب حج / أجكل مع غشاء كلوريد أيون انتقائية البوليمر (حامل الأيون) 26.

نبض الحالي المطبق هو معلمة حاسمة في هذا تحديد الفترة الانتقالية وينبغي اختيار بعناية. أعلى نبض الحالية يمكن أن تتحلل بسرعة سطح أجكل مع تشكيل أكسيد الفضة. في حين أن أقل النتائج نبض الحالية في الفترة الانتقالية أطول، وبالتالي إحداث أخطاء في الفترة الانتقالية بسبب الحمل غير المرغوب فيه. ينبغي تعديل نبض الحالية في مثل هذه الطريقة أن الساعة الانتقالية في غضون 6 ثانية. وهذا يمكن أن يتم تقييمها عن طريق وضع قيمة الفترة الانتقالية وحدود التركيز في الرمال المعادلة 16. تدهور السطح بسبب البقول الحالية المرتفعة يمكن معالجته عن طريق تطبيق الحالي (رسوم الكاثودية، وأنا ج XT ج) العكسي بعد كل القياسات (رسوم أنودي، لي XT أ). والتيار الكاثودية إزالة الزائد أجكل المودعة خلال نبض الحالية أنودي. وCURREN الكاثوديةر يجب أن يكون أقل في السعة وأطول في الوقت المناسب، ر ج، مثل أن تهمة انوديك والحالية الكاثودية يجب أن تكون مساوية، أي أنا تي ل= أنا ج ر ج. وعلاوة على ذلك، ينبغي أن تحدد مجموعة تقريبي لل[CL] تركيز أيون مقدما ويتم تطبيق نبض الحالية في مثل هذه الطريقة أن الفترة الانتقالية ينبغي أن تصل في غضون 5 إلى 10 ثانية. وعلاوة على ذلك، ينبغي تعديل برنامج potentiostat بحيث يتوقف انوديك الحالية مرة واحدة يتم الوصول إلى الفترة الانتقالية. هذا وسوف تجنب تشكيل مضت.

هذه الطريقة يمكن استخدامها لقياس المدى الطويل من أيونات الكلوريد في الخرسانة مما طويلة الأجل وقياسات موثوقة. ويمكن استخدامه لمراقبة أيونات الكلور في مياه الشرب في وحمامات السباحة والعينات البيولوجية السباحة. وعلاوة على ذلك، فإنه يمكن أن تمتد إلى مراقبة أيونات هاليد أخرى مثل يوديد وbromiدي في مياه الشرب.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Platinum wire (≥99.99% trace metals) Sigma Aldrich, the Netherlands EP1330-1EA
Potassium chloride (BioXtra, ≥99.0%) Sigma Aldrich, the Netherlands P9333-500G
Potassium hydroxide (90% pure reagent grade) Sigma Aldrich, the Netherlands 484016-1KG
Ferric chloride  Sigma Aldrich, the Netherlands 451649-1G
potassium nitrate (>99% reagent grade)  Sigma Aldrich, the Netherlands P6083-500G
Ag/AgCl liquid junction reference electrode  BASi, USA model MF-2079
VSP potentiostat Biologic Science Instruments, France VSP 300
Steel wire Microlab TU Delft
Silver wire  Sigma Aldrich, the Netherlands

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Page, C., Treadaway, K. Aspects of the electrochemistry of steel in concrete. Nature. 297, 109-115 (1982).
  2. Koleva, D. A., Hu, J., van Breugel, K., Boshkov, N., de Wit, H. Conventional and pulse cathodic protection of reinforced concrete: electrochemical approach and microstructural investigations. ECS Transactions. 1, 287-298 (2006).
  3. Montemor, M., Simoes, A., Ferreira, M. Chloride-induced corrosion on reinforcing steel: from the fundamentals to the monitoring techniques. Cement and Concrete Composites. 25, 491-502 (2003).
  4. Wegen, G., Polder, R. B., Breugel, K. V. Guideline for service life design of structural concrete: A performance based approach with regard to chloride induced corrosion. Heron. 57 (3), (2012).
  5. Yoon, I., Koenders, E. Theoretical time evolution of critical chloride content in concrete. Structural Durability & Health Monitoring. 5, 275-294 (2010).
  6. Du, R. G., Hu, R. G., Huang, R. S., Lin, C. J. In situ measurement of Cl-concentrations and pH at the reinforcing steel/concrete interface by combination sensors. Analytical Chemistry. 78, 3179-3185 (2006).
  7. Angst, U., Elsener, B., Larsen, C. K., Vennesland, Ø Potentiometric determination of the chloride ion activity in cement based materials. Journal of Applied Electrochemistry. 40, 561-573 (2010).
  8. Laferrière, F., Inaudi, D., Kronenberg, P., Smith, I. F. A new system for early chloride detection in concrete. Smart Materials and Structures. 17, 045017 (2008).
  9. Tang, J. L., Wang, J. N. Measurement of chloride-ion concentration with long-period grating technology. Smart Materials and Structures. 16, 665 (2007).
  10. Kohri, M., Ueda, T., Mizuguchi, H. Application of a near-infrared spectroscopic technique to estimate the chloride ion content in mortar deteriorated by chloride attack and carbonation. Journal of Advanced Concrete Technology. 8, 15-25 (2010).
  11. Tripathi, S. R., Inoue, H., Hasegawa, T., Kawase, K. Non-destructive Inspection of Chloride Ion in Concrete Structures Using Attenuated Total Reflection of Millimeter Waves. Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves. 34, 181-186 (2013).
  12. Abbas, Y., Olthuis, W., van den Berg, A. A chronopotentiometric approach for measuring chloride ion concentration. Sensors and Actuators B: Chemical. 188, 433-439 (2013).
  13. Climent-Llorca, M. A., Viqueira-Pérez, E., Lòpez-Atalaya, M. M. Embeddable Ag/AgCl sensors for in-situ monitoring chloride contents in concrete. Cement and Concrete Research. 26, 1157-1161 (1996).
  14. Myrdal, R. The electrochemistry and characteristics of embeddable reference electrodes for concrete. , Woodhead Publishing. (2014).
  15. Angst, U., Vennesland, Ø, Myrdal, R. Diffusion potentials as source of error in electrochemical measurements in concrete. Materials and Structures. 42, 365-375 (2009).
  16. Abbas, Y., de Graaf, D. B., Olthuis, W., van den Berg, A. No more conventional reference electrode: Transition time for determining chloride ion concentration. Analytica Chimica Acta. 821, 81-88 (2014).
  17. Meyer, R. E., Posey, F. A., Lantz, P. M. Chronopotentiometry of the Ag− AgCl system and analysis for the chloride ion. Journal of Electroanalytical Chemistry and Interfacial Electrochemistry. 19, 99-109 (1968).
  18. Olthuis, W., Langereis, G., Bergveld, P. The metrits of differential measuring in time and space. Biocybernetics and Biomedical Engineering. 21, 5-26 (2001).
  19. Bakker, E., Bhakthavatsalam, V., Gemene, K. L. Beyond potentiometry: robust electrochemical ion sensor concepts in view of remote chemical sensing. Talanta. 75, 629-635 (2008).
  20. Olthuis, W., Bomer, J., Bergveld, P., Bos, M., Van der Linden, W. Iridium oxide as actuator material for the ISFET-based sensor-actuator system. Sensors and Actuators B: Chemical. 5, 47-52 (1991).
  21. Bergveld, P., Eijkel, J., Olthuis, W. Detection of protein concentrations with chronopotentiometry. Biosensors and Bioelectronics. 12, 905-916 (1997).
  22. Iwamoto, R. Derivative chronopotentiometry. Analytical Chemistry. 31, 1062-1065 (1959).
  23. Olthuis, W., Bergveld, P. Simplified design of the coulometric sensor-actuator system by the application of a time-dependent actuator current. Sensors and Actuators B: Chemical. 7, 479-483 (1992).
  24. Olthuis, W., Bergveld, P. Integrated coulometric sensor-actuator devices. Microchimica Acta. 121, 191-223 (1995).
  25. Bard, A. J., Faulkner, L. R. Electrochemical methods: fundamentals and applications. , 2nd, Wiley and Sons. Hoboken. (2001).
  26. Bakker, E., Bühlmann, P., Pretsch, E. Polymer Membrane Ion-Selective Electrodes-What are the Limits? Electroanalysis. 11, 915-933 (1999).

Tags

الكيمياء، العدد 108، قياس الحيوي، أيونات الكلوريد، Chronopotentiometry، وقت الانتقال، رمل المعادلة، والفضة فضة القطب كلوريد
ديناميكية الكهروكيميائية قياس كلوريد الأيونات
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Abbas, Y., de Graaf, D. B., Olthuis, … More

Abbas, Y., de Graaf, D. B., Olthuis, W., van den Berg, A. Dynamic Electrochemical Measurement of Chloride Ions. J. Vis. Exp. (108), e53312, doi:10.3791/53312 (2016).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter