Найноўшы прынцып вымярэння ўтрымання кіслароду: 3D-аналізатар кіслароду з іённым патокам
Рэзюмэ
Праз апісанне прынцыпаў вымярэння чысціні кіслароду, такіх як «тып адсорбцыі медзі і аміяку», «тып паліўнага элемента», «магнітны тып», «тып ZrO2» і «лазерны тып» і г.д., тут прадстаўлены яшчэ адзін тып перадавога аналізатара кіслароду «тыпу трохмернага іённага патоку».
Ключавыя словы: аміяк-медзь; паліўны элемент; магнітны кісларод; ZrO2; лазер; тып іённага патоку; аналізатар кіслароду.
Утрыманне кіслароду з'яўляецца найважнейшым паказчыкам у многіх прамысловых вытворчых працэсах, які непасрэдна ўплывае на вытворчую магутнасць, хуткасць, эфектыўнасць і бяспеку. Таму вельмі важна вымяраць утрыманне кіслароду хутка, зручна, дакладна і надзейна, каб забяспечыць своечасовае рэгуляванне і кантроль. Метад трохмернага іённага патоку — гэта новая тэхналогія выяўлення кіслароду, распрацаваная для задавальнення гэтага попыту. У параўнанні з традыцыйнымі метадамі вымярэння кіслароду, ён забяспечвае значныя перавагі ў хуткасці водгуку, стабільнасці, кошту абсталявання і тэрміне службы датчыкаў, і асабліва падыходзіць для аналізу высокага ўтрымання кіслароду.
Традыцыйныя метады вымярэння ўтрымання кіслароду
Ён уключае метад абсорбцыі раствора медзі і аміяку, метад паліўных элементаў, парамагнітны метад, метад канцэнтрацыйнага патэнцыялу цырконія і лазерны метад. Прынцыпы, перавагі і недахопы коратка апісаны ніжэй:
>> Метад паглынання растворам медзі і аміяку
Медна-аміячны раствор рыхтуюць шляхам змяшчэння спіралепадобнага меднага дроту ў раствор, змяшаны з насычаным растворам хларыду амонію і аміячнай вадой у аб'ёмным суадносінах 1:1. Калі ўзор кіслародзмяшчальнага газу падаюць у паглынальную бутэльку, якая змяшчае медна-аміячны раствор, медзь акісляецца кіслародам ва ўзоры ў прысутнасці аміяку, утвараючы аксід медзі (CuO) і аксід медзі (Cu2O). Ураўненні рэакцыі паказаны наступным чынам:
Утвораныя аксід медзі і аксід медзі (II) рэагуюць адпаведна з аміячнай вадой і хларыдам амонію, утвараючы растваральную соль медзі (II) Cu(NH3)2Cl2 і соль медзі (II) Cu2(NH3)2Cl2. Соль медзі паглынае кісларод і ператвараецца ў соль медзі (II), у той час як соль медзі аднаўляецца назад да солі медзі меддзю. Гэты цыкл працягваецца, пакуль кісларод у газе цалкам не будзе спажыты. Змест кіслароду (аб'ёмная працэнтная канцэнтрацыя) у газе можна вызначыць па змяншэнні аб'ёму газу.
Гэта класічны метад вымярэння ўтрымання кіслароду, які шырока выкарыстоўваецца для арбітражу з нізкімі выдаткамі. Ён дагэтуль захоўваецца ў многіх газавых лабараторыях і выпрабавальных установах. Аднак, як правіла, ён прыдатны толькі для газавых проб з утрыманнем кіслароду ніжэй за 99,9%. Яго недахопы ўключаюць неабходнасць падрыхтоўкі раствораў і намотвання меднага дроту, што з'яўляецца адносна грувасткім; увесь працэс вымярэння патрабуе ручнога кіравання, што робіць яго непрыдатным для бесперапыннага аналізу ў рэжыме рэальнага часу; а прысутнасць іншых акісляльных газаў у пробе газу будзе ўплываць на вынікі вымярэнняў. Акрамя таго, паколькі ўся абсарбцыйная прылада складаецца са шкла, яна схільная да паломак.
>> Метад паліўных элементаў
Паліўны элемент звычайна складаецца з інэртнага металічнага электрода (катода), свінцовага (або графітавага) электрода (анода) і электраліта (даступнага ў кіслотным і шчолачным тыпах). Катод і анод злучаны з металічным лістом, які служыць вывадам электрода. Электраліт перацякае праз шматлікія круглыя адтуліны на катодзе і ўтварае тонкі пласт электраліта на паверхні катода. Гэты тонкі пласт пакрыты газапранікальнай мембранай з політэтрафторэтылену (ПТФЭ). Газавая проба праходзіць праз пранікальную мембрану і трапляе ў катод, дзе кісларод рэагуе з электралітам. Утвораныя іёны OH⁻ мігруюць да анода пад дзеяннем электрычнага поля і губляюць электроны на анодзе, утвараючы ваду. Калі ў якасці прыкладу выкарыстоўваць срэбра ў якасці матэрыялу анода, то ўраўненне хімічнай рэакцыі выглядае наступным чынам:
Сярэбраны катод: O₂+2H₂O+4e→4OH-
Свінцовы анод: 2Pb+ 4OH-→2PbO+2H₂O+4e
Агульная рэакцыя клеткі: 2Pb + O₂→2PbO
Сіла току, якая ўзнікае пры міграцыі OH⁻, прапарцыйная ўтрыманню кіслароду ў газавай пробе. Утрыманне кіслароду ва пробе можна вызначыць, вымераўшы ток, які ўзнікае ў паліўным элементе.
Перавагі гэтага метаду заключаюцца ў тым, што паліўныя элементы маюць простую структуру, кампактныя памеры і хуткі час водгуку. Адпаведна, аналізатары кіслароду, заснаваныя на гэтым метадзе, вельмі зручныя для партатыўнага выкарыстання і адносна нядорагія. Тым не менш, паліўныя элементы з'яўляюцца расходнымі дэтэктарамі, тэрмін службы якіх залежыць ад агульнай сукупнай колькасці кіслароду, які праходзіць праз датчык. Анодны электрод пастаянна спажываецца ў выніку хімічных рэакцый падчас вымярэння; пасля вычарпання паліўны элемент выходзіць з ладу і патрабуе замены. У прыватнасці, пры вымярэнні газавых проб з утрыманнем кіслароду вышэй за 90% штомесячны дрэйф можа перавышаць 1%. Акрамя таго, варта адзначыць, што паліўныя элементы са шчолачнымі электралітамі не падыходзяць для аналізу ўтрымання кіслароду ў кіслых газах, а паліўныя элементы з кіслымі электралітамі не падыходзяць для вымярэння шчолачных газаў.
>> Парамагнітны метад (на прыкладзе магнітнага механічнага тыпу)
Парамагнітны метад вымярэння кіслароду заснаваны на ўласцівасці кіслароду як парамагнітнага рэчыва, аб'ёмная магнітная ўспрымальнасць якога дасягае k = 1062 × 10⁻⁶ (CGSM) пры тэмпературы 20 ℃. Аб'ёмная магнітная ўспрымальнасць іншых газаў (акрамя NO) значна ніжэйшая за ўспрымальнасць кіслароду. Адпаведна, парамагнітны метад доўгі час з'яўляўся адным з найбольш эфектыўных метадаў аналізу ўтрымання кіслароду.
Магнітна-механічныя аналізатары кіслароду з'яўляюцца адным з тыповых прыбораў, якія выкарыстоўваюць парамагнітны метад для аналізу ўтрымання кіслароду. Плацінавы дрот намотваецца вакол сфер, утвараючы электрычную зваротную сувязь. Сферы падвешаны ў магнітным полі, у цэнтры якіх усталяваны невялікі адбівальнік. Крыніца святла, убудаваная ў прыбор, выпраменьвае прамень святла, які адлюстроўваецца адбівальнікам і прымаецца фотадэтэктарам, вырабленым з фотаадчувальнага кампанента. Калі малекулы кіслароду прысутнічаюць вакол сфер-гантэлей, яны мігруюць пад уздзеяннем магнітнага поля і прымушаюць гантэлі адхіляцца. Чым вышэй канцэнтрацыя кіслароду, тым большы вугал адхілення.
Гэта адхіленне перамяшчае адбівальнік, у выніку чаго шлях святла, накіраваны да фотадэтэктара, таксама адхіляецца. Фотадэтэктар фіксуе адхіленне і генеруе электрычны сігнал. Пасля ўзмацнення ўзмацняльнікам сігнал праходзіць праз ланцуг зваротнай сувязі, утвараючы замкнёны контур, які пад уздзеяннем магнітнага поля вяртае гантэлю ў яе першаснае раўнаважнае становішча. Сіла току ў гэтым контуры прама прапарцыйная ўтрыманню кіслароду. Утрыманне кіслароду ў пробе газу можна вызначыць, вымераўшы гэтае значэнне току.
Перавагі парамагнітнага метаду вымярэння кіслароду заключаюцца ў тым, што на вымярэнне практычна не ўплываюць немэтавыя кампаненты ў газавай пробе (акрамя NO і Xe). Ён падыходзіць для вымярэння газавых проб з высокім утрыманнем кіслароду і адрозніваецца хуткай рэакцыяй і выдатнай стабільнасцю. Тым не менш, гэты метад мае і свае недахопы. Ён прад'яўляе высокія патрабаванні да папярэдняй апрацоўкі газавай пробы і асяроддзя вымярэння. Ціск, пыл, смала, вадзяная пара і іншыя прымешкі ва пробе будуць перашкаджаць вынікам вымярэнняў і нават могуць пашкодзіць датчык. Акрамя таго, прыбор павінен быць усталяваны гарызантальна, удалечыні ад вібрацыі і моцных магнітных палёў, а магутнае абсталяванне або лініі электраперадач не павінны размяшчацца побач з прыборам. Парамагнітныя аналізатары кіслароду даволі далікатныя, маюць складаную ўнутраную структуру і адносна высокую цану.
>> Метад патэнцыялу канцэнтрацыі дыяксіду цырконія
Цырконіевая трубка, якая выкарыстоўваецца ў метадзе канцэнтрацыйнага патэнцыялу цырконія, уяўляе сабой стабільны керамічны спечаны выраб з цырконія, выраблены з цырконіевага матэрыялу, легаванага пэўнай доляй аксіду ітрыя або аксіду кальцыя, і спякаецца пры высокай тэмпературы. З-за наяўнасці малекул аксіду ітрыя або аксіду кальцыя ў яго кубічнай рашотцы існуюць вакансіі іонаў кіслароду, што дазваляе ім служыць выдатным правадніком іонаў кіслароду пры высокіх тэмпературах. Дзякуючы гэтай уласцівасці, пры пэўнай тэмпературы, калі ўтрыманне кіслароду ў газах з двух бакоў цырконіевай трубкі адрозніваецца, утвараецца тыповая ячэйка канцэнтрацыі кіслароду. Цырконіевая трубка мае трубчастую форму з перагародкай з цырконіевага матэрыялу пасярэдзіне. Пласт порыстага металу спякаецца на кожным з двух бакоў цырконія ў якасці электродаў (плаціна, Pt, звычайна выкарыстоўваецца ў якасці матэрыялу электрода). Пры пэўных тэмпературах (ад 600°C да 1400°C) малекулы кіслароду з боку з больш высокай канцэнтрацыяй кіслароду адсарбуюцца на электродзе. Пад каталітычным дзеяннем плаціны адбываецца рэакцыя аднаўлення, якая дае электроны і ўтварае іоны кіслароду наступным чынам:
Адначасова электрод з гэтага боку зараджаецца станоўча і дзейнічае як станоўчы полюс або анод ячэйкі канцэнтрацыі кіслароду. Іоны кіслароду мігруюць праз вакансіі ў крышталічнай рашотцы цырконія на процілеглы бок з меншым утрыманнем кіслароду, дзе яны губляюць электроны на плацінавым электродзе, утвараючы малекулы кіслароду, гэта значыць:
Тым часам гэты электрод зараджаецца адмоўна, служачы адмоўным электродам або катодам кіслароднай канцэнтрацыйнай ячэйкі. Назапашванне станоўчых і адмоўных зарадаў на двух электродах стварае пэўны электрычны патэнцыял. Гэты патэнцыял карэлюе з утрыманнем кіслароду ў газе па абодва бакі цырконія і адпавядае ўраўненню Нернста:
У раўнанні
E: патэнцыял канцэнтрацыі кіслароду (мВ);
R: Газавая пастаянная, 8,3145 Дж/моль·К;
T: Рабочая тэмпература цырконіевага зонда, выражаная ў абсалютнай тэмпературы (K) = 273,15 + t (°C);
n: колькасць электронаў, якія ўдзельнічаюць у рэакцыі; для кіслароду n = 4;
F: пастаянная Фарадэя, 96485,3365 (C/моль);
P0: Парцыяльны ціск кіслароду ў эталонным газе;
P1: Парцыяльны ціск кіслароду ў газавай пробе.
Гэта ўраўненне з'яўляецца асновай для вымярэння ўтрымання кіслароду ў газах з выкарыстаннем метаду канцэнтрацыйнай ячэйкі з цырконія. Пры рэальным вымярэнні цырконіевая трубка награваецца да 600~1400 ℃. На эталонным баку цырконіевай трубкі ўводзіцца газ з вядомым і адносна высокім утрыманнем кіслароду, напрыклад, паветра (P0=20,6%), у якасці эталоннага газу, а на другі бок падаецца газ, які падлягае вымярэнню. Вымяраючы патэнцыял канцэнтрацыйнай ячэйкі E і абсалютную тэмпературу цырконіевага зонда, можна разлічыць парцыяльны ціск кіслароду (P1) вымяранага газу і, такім чынам, атрымаць канцэнтрацыю кіслароду ў пробе газу.
Перавагі гэтага метаду ўключаюць высокую адчувальнасць, хуткі час водгуку, шырокі лінейны дыяпазон, а таксама добрую ўзнаўляльнасць і стабільнасць. У параўнанні з аналізатарамі, якія выкарыстоўваюць магнітны метад кіслароду, аналізатары кіслароду з цырконія маюць больш простую ўнутраную структуру; яны практычна не залежаць ад знешніх умоў навакольнага асяроддзя, такіх як тэмпература і вібрацыя, і амаль не патрабуюць наступнага абслугоўвання. Аднак ён таксама мае відавочныя недахопы. Паколькі электроны могуць міграваць праз цырконіевы матэрыял толькі пры адносна высокіх тэмпературах, прыбор павінен быць абсталяваны награвальнай печчу для нагрэву цырконіевай трубкі, што прыводзіць да доўгага часу разагрэву, перш чым прыбор зможа нармальна працаваць. Акрамя таго, пры вымярэнні канцэнтрацыі кіслароду на цырконіевы метад уплываюць аднаўляльныя газы, якія прысутнічаюць у пробе газу, што прыводзіць да больш нізкіх вынікаў вымярэнняў. Такім чынам, ён не падыходзіць для вызначэння канцэнтрацыі кіслароду ў газах, якія змяшчаюць аднаўляльныя рэчывы або высокі ўзровень аднаўляльных газаў. Гэта асабліва важна пры вымярэнні проб газу на ўзроўні ppm, дзе неабходна старанна ўлічваць уплыў аднаўляльных газаў на вынікі вымярэнняў. Акрамя таго, калі канцэнтрацыя кіслароду ў газавай пробе перавышае канцэнтрацыю паветра (20,6%), неабходна не толькі выкарыстоўваць газ з больш высокай канцэнтрацыяй у якасці эталоннага газу для забеспячэння станоўчай рознасці патэнцыялаў, але і мадыфікаваць ячэйку для дэтэктавання цырконія, што значна павялічвае кошт прыбора.
>> Лазерны метад вымярэння кіслароду
Метад вымярэння кіслароду лазерам заснаваны на ўласцівасці малекул кіслароду паглынаць лазернае святло пэўнай даўжыні хвалі. Унутры прыбора лазерны дыёд генеруе лазерны прамень фіксаванай даўжыні хвалі з вядомай інтэнсіўнасцю святла. Прамень трапляе ў вымяральную ячэйку, запоўненую ўзорам газу, які падлягае даследаванню. Пасля шматразовага адлюстравання паміж двума адбівальнікамі з двух бакоў вымяральнай ячэйкі частка святла паглынаецца кіслародам, які змяшчаецца ва ўзоры газу. Астатні прамень святла адлюстроўваецца на калектар, а затым захопліваецца.
Згодна з законам Бэра, стаўленне інтэнсіўнасці паглынутага светлавога прамяня да зыходнай інтэнсіўнасці святла прапарцыйна ўтрыманню кіслароду ў пробе газу:
Тып лазера
У раўнанні
I0: Пачатковая інтэнсіўнасць святла;
I: Астатняя інтэнсіўнасць святла пасля паглынання кіслародам у газавай пробе;
S: пастаянная паглынання кіслароду для лазера на пэўнай даўжыні хвалі;
L: даўжыня аптычнага шляху;
N: колькасць малекул кіслароду ўздоўж аптычнага шляху, якая звязана з утрыманнем кіслароду ў газавай пробе;
Такім чынам, утрыманне кіслароду ў газавай пробе можна вызначыць, вымераўшы пачатковую інтэнсіўнасць святла і інтэнсіўнасць святла пасля паглынання. Паколькі абраная даўжыня хвалі лазера з'яўляецца спецыфічнай, вынік вымярэння практычна не залежыць ад іншых газаў. Акрамя таго, выкарыстанне суадносін I/I0 для разлікаў практычна ліквідуе ўплыў змяненняў інтэнсіўнасці крыніцы святла, адбівальнай здольнасці люстэрка і электрычнай апаратуры. У цяперашні час прыборы айчыннай вытворчасці, якія выкарыстоўваюць гэты прынцып, адносна дарагія, і іх стабільнасць працы ўсё яшчэ патрабуе далейшага паляпшэння.
Тэхналогія 3D-іённага патоку
