Динамический Электрохимический Измерение ионы хлора
Summary
Dynamic measurement of chloride ions is presented. Transition time of an Ag/AgCl electrode, during a chronopotentiometric technique, can give the concentration of chloride ions in electrolyte. This method does not require a stable conventional reference electrode.
Abstract
This protocol describes the dynamic measurement of chloride ions using the transition time of a silver silver chloride (Ag/AgCl) electrode. Silver silver chloride electrode is used extensively for potentiometric measurement of chloride ions concentration in electrolyte. In this measurement, long-term and continuous monitoring is limited due to the inherent drift and the requirement of a stable reference electrode. We utilized the chronopotentiometric approach to minimize drift and avoid the use of a conventional reference electrode. A galvanostatic pulse is applied to an Ag/AgCl electrode which initiates a faradic reaction depleting the Clˉ ions near the electrode surface. The transition time, which is the time to completely deplete the ions near the electrode surface, is a function of the ion concentration, given by the Nernst equation. The square root of the transition time is in linear relation to the chloride ion concentration. Drift of the response over two weeks is negligible (59 µM/day) when measuring 1 mM [Clˉ]using a current pulse of 10 Am-2. This is a dynamic measurement where the moment of transition time determines the response and thus is independent of the absolute potential. Any metal wire can be used as a pseudo-reference electrode, making this approach feasible for long-term measurement inside concrete structures.
Introduction
Датчик хлорид-иона основан на измерении времени перехода электрода Ag / AgCl представлена. Цель состоит в том, чтобы избежать присущих штреков во время долгосрочного непрерывного мониторинга ионов хлора в электролите. Chronopotentiometric измерение, которое является динамичный подход измерение, из электрода Ag / AgCl используется для этой цели. Здесь скорость изменения потенциала электрода Ag / AgCl измеряется во время стимула (гальваностатический импульс). Преимущество этого подхода демонстрируется ускользает жидкости спая электрод сравнения и вместо этого используя любую металлическую проволоку в качестве псевдо-электрода сравнения, поэтому позволяет обнаруживать CL концентрации ионов для долгосрочных (лет) и в приложениях на места, такие как измерение внутри бетонных конструкций.
Ионы хлора в бетонных конструкций является одним из основных причин деградации 1,2. Она также может инициировать точечной коррозии в стальной арматуры аой приводит к конечной неудачи структуры 3. Поэтому, измеряя ионы Cl в бетоне неизбежно предсказать жизни и техническое обслуживание цикл структуры 4,5. Различные принципы зондирования были зарегистрированы для измерения ионов хлорида в бетоне, такие как электрохимического 6,7, оптический 8,9 и электромагнитного 10,11. Тем не менее, оптические и электромагнитные методы имеют громоздкие установок, трудно интегрировать в автономной системе и имеют проблемы с селективностью 12. В электрохимической техники, потенциометрический измерение электрода Ag / AgCl является состояние арт подход 6,7,13. Несмотря на многообещающие результаты, этот подход ограничивается лабораторном измерении поскольку дрейфует в опорному потенциалу и диффузии потенциальных результатов капля в некорректных данных 14,15. Время перехода подход, основанный на динамическом электрохимического измерения (DEM) может решить проблему за счет потенциаладрейф 16.
В DEM, ответ систему, чтобы прикладной стимул измеряется 17-19. Пример такой системы является хронопотенциометрии. Здесь прикладная импульс тока используется в качестве стимула разрушающих ионы вблизи поверхности электрода и измеряют соответствующий потенциал реагирования. Ток анода на электроде Ag / AgCl инициирует фарадеевский реакцию (Ag + Cl 
AgCl + е), в результате истощения ионов Cl вблизи поверхности электродов. Изменение потенциала является функцией приложенного тока и концентрация (селективный) ионов в электролите 12,20. В тот момент, эти ионы истощить полностью вблизи поверхности электрода скорость изменения потенциальных поднимается быстро, давая точку перегиба 21. Точка перегиба на кривой отклика потенциал времени (chronopotentiogram) показывает время перехода и может быть определена изМаксимум первой производной потенциальной ответ 22. Время перехода является характеристикой концентрации ионов. Этот подход был использован для определения различных ионов концентрацию 17 и рН электролитов 23,24. В случае электрода Ag / AgCl в качестве рабочего электрода (к которому ток подводится) ионы Разрушающих будет хлоридные ионы 17, Поэтому измерения его время перехода будет определять его концентрацию.
Protocol
Representative Results
Discussion
Время перехода момент перегиба; это теоретически не зависит от опорного потенциала т.е. эталонного электрода. Поэтому любой металлической проволоки может быть использован в качестве псевдо-электрода сравнения для измерения времени перехода. В отличие от существующей потенциоме?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work is a part of the STW project “Integral solution for sustainable construction (IS2C, Fleur van Rossem for her support during the chip fabrication, Justyna Wiedemair for the chip design and Allison Bidulock for her support during the manuscript preparation.
Materials
| 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 |
References
- Page, C., Treadaway, K. Aspects of the electrochemistry of steel in concrete. Nature. 297, 109-115 (1982).
- 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).
- 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).
- 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).
- Yoon, I., Koenders, E. Theoretical time evolution of critical chloride content in concrete. Structural Durability & Health Monitoring. 5, 275-294 (2010).
- 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).
- Angst, U., Elsener, B., Larsen, C. K., Vennesland, &. #. 2. 1. 6. ;. Potentiometric determination of the chloride ion activity in cement based materials. Journal of Applied Electrochemistry. 40, 561-573 (2010).
- 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).
- Tang, J. L., Wang, J. N. Measurement of chloride-ion concentration with long-period grating technology. Smart Materials and Structures. 16, 665 (2007).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Myrdal, R. . The electrochemistry and characteristics of embeddable reference electrodes for concrete. , (2014).
- Angst, U., Vennesland, &. #. 2. 1. 6. ;., Myrdal, R. Diffusion potentials as source of error in electrochemical measurements in concrete. Materials and Structures. 42, 365-375 (2009).
- 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).
- 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).
- Olthuis, W., Langereis, G., Bergveld, P. The metrits of differential measuring in time and space. Biocybernetics and Biomedical Engineering. 21, 5-26 (2001).
- 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).
- 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).
- Bergveld, P., Eijkel, J., Olthuis, W. Detection of protein concentrations with chronopotentiometry. Biosensors and Bioelectronics. 12, 905-916 (1997).
- Iwamoto, R. Derivative chronopotentiometry. Analytical Chemistry. 31, 1062-1065 (1959).
- 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).
- Olthuis, W., Bergveld, P. Integrated coulometric sensor-actuator devices. Microchimica Acta. 121, 191-223 (1995).
- Bard, A. J., Faulkner, L. R. . Electrochemical methods: fundamentals and applications. , (2001).
- Bakker, E., Bühlmann, P., Pretsch, E. Polymer Membrane Ion-Selective Electrodes-What are the Limits? . Electroanalysis. 11, 915-933 (1999).
