ऑक्सीजन की मात्रा मापने का नवीनतम सिद्धांत: 3डी आयन फ्लो ऑक्सीजन विश्लेषक

इसमें कॉपर-अमोनिया विलयन अवशोषण विधि, ईंधन सेल विधि, पैरामैग्नेटिक विधि, ज़िरकोनिया सांद्रण विभव विधि और लेजर विधि शामिल हैं। इसके सिद्धांत, लाभ और हानियों का संक्षिप्त विवरण निम्नलिखित है:

कॉपर-अमोनिया विलयन तैयार करने के लिए, कुंडलित कॉपर तार को संतृप्त अमोनियम क्लोराइड विलयन और अमोनिया जल के 1:1 आयतन अनुपात वाले मिश्रण में रखा जाता है। जब ऑक्सीजन युक्त गैस के नमूने को कॉपर-अमोनिया विलयन युक्त अवशोषण पात्र में प्रवाहित किया जाता है, तो नमूने में मौजूद ऑक्सीजन द्वारा अमोनिया की उपस्थिति में कॉपर का ऑक्सीकरण होता है, जिससे कॉपर ऑक्साइड (CuO) और क्यूप्रस ऑक्साइड (Cu2O) बनते हैं। अभिक्रिया समीकरण निम्नलिखित हैं:

उत्पन्न कॉपर ऑक्साइड और क्यूप्रस ऑक्साइड क्रमशः अमोनिया जल और अमोनियम क्लोराइड के साथ अभिक्रिया करके घुलनशील क्यूप्रिक लवण Cu(NH3)2Cl2 और क्यूप्रस लवण Cu2(NH3)2Cl2 बनाते हैं। क्यूप्रस लवण ऑक्सीजन को अवशोषित करके क्यूप्रिक लवण में परिवर्तित हो जाता है, जबकि कॉपर द्वारा क्यूप्रिक लवण को पुनः क्यूप्रस लवण में अपचयित कर दिया जाता है। यह चक्र तब तक चलता रहता है जब तक गैस में मौजूद ऑक्सीजन पूरी तरह से समाप्त नहीं हो जाती। गैस में ऑक्सीजन की मात्रा (आयतन प्रतिशत सांद्रता) गैस के आयतन में कमी के अनुसार निर्धारित की जा सकती है।

यह ऑक्सीजन की मात्रा मापने की एक पारंपरिक विधि है, जिसका उपयोग कम लागत में व्यापक रूप से किया जाता है। यह आज भी कई गैस प्रयोगशालाओं और परीक्षण संस्थानों में प्रचलित है। हालांकि, यह आमतौर पर केवल 99.9% से कम ऑक्सीजन मात्रा वाले गैस नमूनों पर ही लागू होती है। इसकी कमियों में विलयन तैयार करने और तांबे के तार लपेटने की आवश्यकता शामिल है, जो अपेक्षाकृत जटिल है; पूरी माप प्रक्रिया में मैन्युअल संचालन की आवश्यकता होती है, जिससे यह ऑनलाइन निरंतर विश्लेषण के लिए अनुपयुक्त हो जाती है; और नमूना गैस में अन्य ऑक्सीकारक गैसों की उपस्थिति माप परिणामों को प्रभावित कर सकती है। इसके अलावा, चूंकि संपूर्ण अवशोषण उपकरण कांच का बना होता है, इसलिए इसके टूटने की संभावना रहती है।

>> ईंधन सेल विधि

एक ईंधन सेल में सामान्यतः एक अक्रिय धातु इलेक्ट्रोड (कैथोड), एक सीसा (या ग्रेफाइट) इलेक्ट्रोड (एनोड) और एक इलेक्ट्रोलाइट (अम्लीय और क्षारीय प्रकारों में उपलब्ध) होता है। कैथोड और एनोड दोनों एक धातु की शीट से जुड़े होते हैं जो इलेक्ट्रोड लीड का कार्य करती है। इलेक्ट्रोलाइट कैथोड पर मौजूद कई गोल छिद्रों से बहकर कैथोड की सतह पर एक पतली इलेक्ट्रोलाइट परत बनाता है। इस पतली इलेक्ट्रोलाइट परत के ऊपर एक गैस-पारगम्य पॉलीटेट्राफ्लोरोएथिलीन (PTFE) झिल्ली होती है। गैस का नमूना पारगम्य झिल्ली से होकर कैथोड में प्रवेश करता है, जहाँ ऑक्सीजन इलेक्ट्रोलाइट के साथ अभिक्रिया करती है। उत्पन्न OH⁻ आयन विद्युत क्षेत्र के प्रभाव में एनोड की ओर पलायन करते हैं और एनोड पर इलेक्ट्रॉन खोकर जल बनाते हैं। उदाहरण के लिए, चांदी को एनोड सामग्री मानते हुए, रासायनिक अभिक्रिया समीकरण इस प्रकार है:

सिल्वर कैथोड: O₂+2H₂O+4e→4OH-

लेड एनोड: 2Pb + 4OH⁻ → 2 PbO + 2H₂O + 4e⁻

कुल मिलाकर कोशिका अभिक्रिया: 2Pb + O₂→2 PbO

OH⁻ के स्थानांतरण से उत्पन्न धारा की तीव्रता गैस के नमूने में ऑक्सीजन की मात्रा के समानुपाती होती है। नमूने में ऑक्सीजन की मात्रा का निर्धारण ईंधन सेल में उत्पन्न धारा को मापकर किया जा सकता है।

इस विधि के लाभ यह हैं कि ईंधन सेल की संरचना सरल, आकार छोटा और प्रतिक्रिया समय तेज़ होता है। इसलिए, इस विधि पर आधारित ऑक्सीजन विश्लेषक पोर्टेबल उपयोग के लिए अत्यधिक उपयुक्त और अपेक्षाकृत सस्ते होते हैं। हालांकि, ईंधन सेल उपभोज्य डिटेक्टर होते हैं, जिनका सेवा जीवन सेंसर से प्रवाहित होने वाली ऑक्सीजन की कुल संचयी मात्रा पर निर्भर करता है। माप के दौरान रासायनिक प्रतिक्रियाओं के कारण एनोड इलेक्ट्रोड लगातार नष्ट होता रहता है; एक बार समाप्त हो जाने पर, ईंधन सेल खराब हो जाता है और उसे बदलने की आवश्यकता होती है। विशेष रूप से, 90% से अधिक ऑक्सीजन सामग्री वाले गैस नमूनों का माप करते समय, मासिक विचलन 1% से अधिक हो सकता है। इसके अतिरिक्त, यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि क्षारीय इलेक्ट्रोलाइट वाले ईंधन सेल अम्लीय गैसों में ऑक्सीजन की मात्रा का विश्लेषण करने के लिए उपयुक्त नहीं होते हैं, जबकि अम्लीय इलेक्ट्रोलाइट वाले ईंधन सेल क्षारीय गैसों का माप करने के लिए उपयुक्त नहीं होते हैं।

>> पैरामैग्नेटिक विधि (चुंबकीय यांत्रिक प्रकार को उदाहरण के रूप में उपयोग करते हुए)

ऑक्सीजन के पराचुंबकीय मापन की विधि इस गुण पर आधारित है कि ऑक्सीजन एक पराचुंबकीय पदार्थ है और 20 ℃ पर इसकी आयतन चुंबकीय संवेदनशीलता k=1062×10⁻⁶ (CGSM) तक पहुँच जाती है। अन्य गैसों (NO को छोड़कर) की आयतन चुंबकीय संवेदनशीलता ऑक्सीजन की तुलना में काफी कम होती है। अतः, पराचुंबकीय विधि लंबे समय से ऑक्सीजन की मात्रा के विश्लेषण की सबसे प्रभावी विधियों में से एक रही है।

चुंबकीय-यांत्रिक ऑक्सीजन विश्लेषक ऑक्सीजन की मात्रा के विश्लेषण के लिए पराचुंबकीय विधि का उपयोग करने वाले प्रमुख उपकरणों में से एक हैं। विद्युत प्रतिक्रिया लूप बनाने के लिए गोलों के चारों ओर प्लैटिनम का तार लपेटा जाता है। ये गोले चुंबकीय क्षेत्र में निलंबित रहते हैं, जिनके केंद्र में एक छोटा परावर्तक लगा होता है। उपकरण में निर्मित प्रकाश स्रोत प्रकाश की किरण उत्सर्जित करता है, जो परावर्तक द्वारा परावर्तित होकर एक प्रकाश-संवेदनशील घटक से बने फोटोडिटेक्टर द्वारा ग्रहण की जाती है। जब डम्बल के आकार के गोलों के चारों ओर ऑक्सीजन के अणु मौजूद होते हैं, तो वे चुंबकीय क्षेत्र के प्रभाव में गति करते हैं और डम्बल को विक्षेपित करने के लिए धकेलते हैं। ऑक्सीजन की सांद्रता जितनी अधिक होगी, विक्षेपण कोण उतना ही अधिक होगा।

इस विक्षेपण से परावर्तक गति करता है, जिससे प्रकाश प्रक्षेपक की ओर निर्देशित प्रकाश पथ भी विक्षेपित हो जाता है। प्रकाश प्रक्षेपक इस विक्षेपण को ग्रहण करता है और एक विद्युत संकेत उत्पन्न करता है। एक प्रवर्धक द्वारा प्रवर्धित होने के बाद, संकेत फीडबैक परिपथ से गुजरता है और एक बंद परिपथ बनाता है, जो चुंबकीय क्षेत्र के प्रभाव से डम्बल को उसकी प्राथमिक संतुलन स्थिति में वापस ले आता है। इस परिपथ में धारा ऑक्सीजन की मात्रा के सीधे समानुपाती होती है। इस धारा के मान को मापकर गैस के नमूने में ऑक्सीजन की मात्रा निर्धारित की जा सकती है।

साथ ही, इस तरफ का इलेक्ट्रोड धनात्मक रूप से आवेशित हो जाता है और ऑक्सीजन सांद्रता सेल के धनात्मक ध्रुव या एनोड के रूप में कार्य करता है। ऑक्सीजन आयन ज़िरकोनिया क्रिस्टल जालक में रिक्त स्थानों के माध्यम से कम ऑक्सीजन सामग्री वाले विपरीत पक्ष की ओर पलायन करते हैं, जहाँ वे प्लैटिनम इलेक्ट्रोड पर इलेक्ट्रॉन खोकर ऑक्सीजन अणु बनाते हैं, अर्थात्:

इस बीच, इस इलेक्ट्रोड को ऋणात्मक रूप से आवेशित किया जाता है, जो ऑक्सीजन सांद्रता सेल के ऋणात्मक इलेक्ट्रोड या कैथोड के रूप में कार्य करता है। दोनों इलेक्ट्रोडों पर धनात्मक और ऋणात्मक आवेशों के संचय से एक निश्चित विद्युत विभव उत्पन्न होता है। यह विभव ज़िरकोनिया के दोनों ओर गैस की ऑक्सीजन मात्रा से संबंधित है और नेर्नस्ट समीकरण के अनुरूप है।

E: ऑक्सीजन सांद्रता विभव (mV);

R: गैस स्थिरांक, 8.3145 J/mol·K;

T: ज़िरकोनिया प्रोब का परिचालन तापमान, जिसे निरपेक्ष तापमान (K) में व्यक्त किया गया है = 273.15 + t (°C);

n: अभिक्रिया में भाग लेने वाले इलेक्ट्रॉनों की संख्या; ऑक्सीजन के लिए, n = 4;

F: फैराडे स्थिरांक, 96485.3365 (C/mol);

P0: संदर्भ गैस में ऑक्सीजन का आंशिक दबाव;

P1: नमूना गैस में ऑक्सीजन का आंशिक दबाव।

यह समीकरण ज़िरकोनिया सांद्रण सेल विधि का उपयोग करके गैसों में ऑक्सीजन की मात्रा मापने का आधार है। वास्तविक माप में, ज़िरकोनिया ट्यूब को 600~1400 ℃ तक गर्म किया जाता है। ज़िरकोनिया ट्यूब के संदर्भ पक्ष में, ज्ञात और अपेक्षाकृत उच्च ऑक्सीजन मात्रा वाली गैस, जैसे कि वायु (P0 = 20.6%), को संदर्भ गैस के रूप में डाला जाता है, जबकि दूसरे पक्ष में मापी जाने वाली गैस डाली जाती है। सांद्रण सेल विभव E और ज़िरकोनिया प्रोब के निरपेक्ष तापमान को मापकर, मापी जाने वाली गैस के ऑक्सीजन आंशिक दाब (P1) की गणना की जा सकती है, और इस प्रकार नमूना गैस की ऑक्सीजन सांद्रता प्राप्त की जाती है।

इस विधि के लाभों में उच्च संवेदनशीलता, त्वरित प्रतिक्रिया समय, विस्तृत रैखिक सीमा और अच्छी पुनरुत्पादकता एवं स्थिरता शामिल हैं। चुंबकीय ऑक्सीजन विधि के विश्लेषकों की तुलना में, ज़िरकोनिया ऑक्सीजन विश्लेषकों की आंतरिक संरचना सरल होती है; ये तापमान और कंपन जैसी बाहरी पर्यावरणीय स्थितियों से लगभग अप्रभावित रहते हैं और इन्हें लगभग किसी रखरखाव की आवश्यकता नहीं होती है। हालांकि, इसकी कुछ स्पष्ट कमियां भी हैं। चूंकि इलेक्ट्रॉन केवल अपेक्षाकृत उच्च तापमान पर ही ज़िरकोनिया पदार्थ से होकर गुजर सकते हैं, इसलिए उपकरण में ज़िरकोनिया ट्यूब को गर्म करने के लिए एक हीटिंग फर्नेस की आवश्यकता होती है, जिसके परिणामस्वरूप उपकरण के सामान्य रूप से कार्य करने से पहले लंबा वार्म-अप समय लगता है। इसके अलावा, ऑक्सीजन सांद्रता को मापते समय, ज़िरकोनिया विधि नमूना गैस में मौजूद अपचायक गैसों से प्रभावित होती है, जिससे मापन परिणाम कम हो जाते हैं। इसलिए, यह अपचायक पदार्थों या उच्च स्तर की अपचायक गैसों वाली गैसों में ऑक्सीजन सांद्रता निर्धारित करने के लिए उपयुक्त नहीं है। यह विशेष रूप से तब महत्वपूर्ण है जब पीपीएम स्तर पर गैस नमूनों का मापन किया जाता है, जहां मापन परिणामों पर अपचायक गैसों के प्रभाव पर सावधानीपूर्वक विचार करना आवश्यक होता है। इसके अतिरिक्त, जब नमूना गैस में ऑक्सीजन की सांद्रता हवा (20.6%) से अधिक हो जाती है, तो सकारात्मक संभावित अंतर सुनिश्चित करने के लिए संदर्भ गैस के रूप में उच्च सांद्रता वाली गैस का उपयोग करना ही आवश्यक नहीं होता है, बल्कि ज़िरकोनिया डिटेक्शन सेल को भी संशोधित करना पड़ता है, जिससे उपकरण की लागत में काफी वृद्धि होती है।

लेज़र ऑक्सीजन मापन विधि ऑक्सीजन अणुओं के विशिष्ट तरंगदैर्ध्य के लेज़र प्रकाश को अवशोषित करने के गुण पर आधारित है। उपकरण के भीतर, एक लेज़र डायोड ज्ञात प्रकाश तीव्रता वाली एक निश्चित तरंगदैर्ध्य की लेज़र किरण उत्पन्न करता है। यह किरण परीक्षण किए जाने वाले गैस के नमूने से भरे मापन कक्ष में प्रवेश करती है। मापन कक्ष के दोनों ओर स्थित दो परावर्तकों के बीच कई बार परावर्तित होने के बाद, प्रकाश का एक भाग गैस के नमूने में मौजूद ऑक्सीजन द्वारा अवशोषित हो जाता है। शेष प्रकाश किरण संग्राहक की ओर परावर्तित होती है और फिर उसे ग्रहण कर लिया जाता है।

बीर के नियम के अनुसार, अवशोषित प्रकाश किरण की तीव्रता और मूल प्रकाश की तीव्रता का अनुपात गैस के नमूने में ऑक्सीजन की मात्रा के समानुपाती होता है।

समीकरण में

I0: प्रारंभिक प्रकाश तीव्रता;

I: गैस के नमूने में ऑक्सीजन द्वारा अवशोषण के बाद शेष प्रकाश की तीव्रता;

S: विशिष्ट तरंगदैर्ध्य पर लेजर के लिए ऑक्सीजन का अवशोषण स्थिरांक;

L: प्रकाशीय पथ की लंबाई;

N: प्रकाशीय पथ के साथ ऑक्सीजन अणुओं की संख्या, जो नमूना गैस में ऑक्सीजन की मात्रा से संबंधित है;

इसलिए, प्रारंभिक प्रकाश तीव्रता और अवशोषण के बाद प्रकाश की तीव्रता को मापकर गैस के नमूने में ऑक्सीजन की मात्रा निर्धारित की जा सकती है। चूंकि चयनित लेजर तरंगदैर्ध्य विशिष्ट होती है, इसलिए माप परिणाम अन्य गैसों से लगभग अप्रभावित रहता है। इसके अलावा, गणना के लिए I/I0 अनुपात का उपयोग करने से प्रकाश स्रोत की तीव्रता, दर्पण की परावर्तनशीलता और विद्युत उपकरणों में होने वाले परिवर्तनों का प्रभाव लगभग समाप्त हो जाता है। वर्तमान में, इस सिद्धांत पर आधारित घरेलू स्तर पर निर्मित उपकरण अपेक्षाकृत महंगे हैं और उनकी प्रदर्शन स्थिरता में अभी और सुधार की आवश्यकता है।