ठोस इलेक्ट्रोलाइट ज़िरकोनिया आयन प्रवाह पहचान प्रौद्योगिकी
ज़िरकोनिया विश्लेषक पहचान प्रौद्योगिकी और आयन प्रवाह सेंसर का परिचय
ज़िरकोनिया सेंसर प्रौद्योगिकी के विकास और परिपक्वता के साथ, ज़िरकोनिया सेंसर के अनुप्रयोग ऑटोमोबाइल एग्ज़ॉस्ट उत्सर्जन परीक्षण से लेकर हीटिंग बॉयलर नियंत्रण, औद्योगिक प्रक्रिया नियंत्रण, दहन प्रणाली, ऑक्सीजन/नाइट्रोजन उत्पादन प्रणाली, कृषि खाद निर्माण और फ्लू गैस उत्सर्जन जैसे उद्योगों और क्षेत्रों तक विस्तारित हो गए हैं। ज़िरकोनिया सेंसर के विश्लेषणात्मक दायरे भी साधारण ऑक्सीजन सांद्रता के विश्लेषण से बढ़कर नाइट्रोजन ऑक्साइड सांद्रता, जल वाष्प सांद्रता, सल्फर डाइऑक्साइड सांद्रता आदि के विश्लेषण तक विस्तारित हो गए हैं। आजकल, ज़िरकोनिया सेंसर गैस विश्लेषण के क्षेत्र में सबसे महत्वपूर्ण और व्यापक रूप से उपयोग किए जाने वाले सेंसरों में से एक बन गए हैं।
ज़िरकोनिया विश्लेषक पहचान प्रौद्योगिकी >>
ज़िरकोनिया सेंसर में प्रयुक्त पदार्थ ज़िरकोनिया सॉलिड इलेक्ट्रोलाइट होता है। इसे शुद्ध ज़िरकोनिया में यट्रिया ऑक्साइड (Y2O3) या कैल्शियम ऑक्साइड (CaO) जैसे निम्न-संयोजक धातुओं को एक निश्चित अनुपात में मिलाकर और फिर उच्च तापमान पर सिंटरिंग करके स्थिर ज़िरकोनिया का निर्माण किया जाता है। 700 ℃ से अधिक तापमान पर, ज़िरकोनिया ऑक्सीजन आयनों का उत्कृष्ट चालक होता है।
छिद्रयुक्त प्लैटिनम (Pt) इलेक्ट्रोड को ज़िरकोनिया इलेक्ट्रोलाइट (ZrO2 ट्यूब) के दोनों ओर क्रमशः सिंटर किया जाता है। एक निश्चित तापमान पर, जब इलेक्ट्रोलाइट के दोनों ओर ऑक्सीजन की सांद्रता भिन्न होती है, तो उच्च सांद्रता वाले पक्ष (वायु) पर मौजूद ऑक्सीजन अणु प्लैटिनम इलेक्ट्रोड पर अधिशोषित हो जाते हैं और इलेक्ट्रॉनों (4e) के साथ मिलकर ऑक्सीजन आयन O2− बनाते हैं, जिससे यह इलेक्ट्रोड धनात्मक रूप से आवेशित हो जाता है। O2− आयन इलेक्ट्रोलाइट में ऑक्सीजन आयन रिक्तियों के माध्यम से निम्न ऑक्सीजन सांद्रता वाले पक्ष के प्लैटिनम इलेक्ट्रोड की ओर पलायन करते हैं, इलेक्ट्रॉन मुक्त करते हैं और वापस ऑक्सीजन अणुओं में परिवर्तित हो जाते हैं, जिससे वह इलेक्ट्रोड ऋणात्मक रूप से आवेशित हो जाता है। दोनों इलेक्ट्रोड के लिए अभिक्रिया समीकरण इस प्रकार हैं:
संदर्भ पक्ष: O₂+4e→2O²¯
मापने वाली भुजा: 20²¯ - 4e→O2₂
इससे दोनों इलेक्ट्रोडों के बीच एक निश्चित विद्युत-प्रेरक बल उत्पन्न होता है। ज़िरकोनिया इलेक्ट्रोलाइट, प्लैटिनम इलेक्ट्रोड और दोनों तरफ अलग-अलग ऑक्सीजन सांद्रता वाली गैसें मिलकर ऑक्सीजन प्रोब बनाती हैं, जिसे ज़िरकोनिया सांद्रता सेल कहा जाता है। दोनों इलेक्ट्रोडों के बीच विद्युत-प्रेरक बल E की गणना नेर्नस्ट समीकरण द्वारा की जाती है: अर्थात्,
समीकरण में:
E— सांद्रता सेल का आउटपुट, मिलीवी;
R—आदर्श गैस स्थिरांक, 8.314 W·s/mol;
T—निरपेक्ष तापमान (केएल);
n—इलेक्ट्रॉन स्थानांतरणों की संख्या (इस समीकरण में 4);
एफ— फैराडे स्थिरांक, 96,500 डिग्री सेल्सियस;
P0—संदर्भ गैस की ऑक्सीजन सांद्रता का प्रतिशत;
P1—परीक्षण की जा रही गैस में ऑक्सीजन की सांद्रता का प्रतिशत।
यह ज़िरकोनिया ऑक्सीजन मापन का आधार है। जब ज़िरकोनिया ट्यूब का तापमान 600～1400°C तक गर्म किया जाता है, तो उच्च सांद्रता वाले पक्ष में ज्ञात ऑक्सीजन सांद्रता वाली गैस को संदर्भ गैस के रूप में उपयोग किया जाता है; यदि वायु का उपयोग किया जाता है, तो P0=20.6% होता है। इस मान को सूत्र में स्थिर पदों के साथ मिलाकर, और यह मानते हुए कि वास्तविक ज़िरकोनिया सेल में थर्मोइलेक्ट्रिक विभव, संपर्क विभव, संदर्भ विभव और ध्रुवीकरण विभव मौजूद होते हैं, एक स्थानीय विभव C (mV) उत्पन्न होता है। वास्तविक गणना सूत्र इस प्रकार है:
जैसा कि देखा जा सकता है, यदि ऑक्सीजन प्रोब का आउटपुट इलेक्ट्रोमोटिव बल E और मापी गई गैस का निरपेक्ष तापमान T निर्धारित किया जा सके, तो मापी गई गैस का ऑक्सीजन आंशिक दाब (सांद्रता) P1 ज्ञात किया जा सकता है। यही ज़िरकोनिया विश्लेषक का ऑक्सीजन मापन का मूल सिद्धांत है।
नोट: ज़िरकोनिया विश्लेषक की पहचान प्रौद्योगिकी की सामग्री मेई बो, जिन हाइफ़ेंग द्वारा लिखित "ज़िरकोनिया ऑक्सीजन विश्लेषक का सिद्धांत, रखरखाव और अनुप्रयोग" नामक लेख से ली गई है। एथिलीन उद्योग (चीनी भाषा में), 2009, 21(3): 28-31।
>> आयन प्रवाह सेंसर का परिचय
आयन प्रवाह सेंसर ज़िरकोनिया सिद्धांत पर आधारित हैं, और उनके ऑक्सीजन मापन सिद्धांत का विवरण धारा 11.1.2 में दिया गया है। जापान की फुजिकुरा और ऑस्ट्रिया की सेंसोर जैसी विदेशी निर्माता कंपनियां, साथ ही चेंगदू कांगडा जैसी शुरुआती घरेलू निर्माता कंपनियां, सभी एकल सीमित छिद्र का उपयोग करती हैं। तकनीकी प्रगति और शंघाई चांग ऐ द्वारा संक्षेपित व्यापक क्षेत्र अनुप्रयोग अनुभव के आधार पर, शंघाई ऐसी जैसी कंपनियों ने छिद्रित परत वाले ऑक्सीजन सेंसर विकसित किए हैं। इस डिज़ाइन में छिद्रित सिरेमिक सब्सट्रेट को विसरण परत के रूप में उपयोग किया जाता है ताकि सेंसर कैथोड को आपूर्ति की जाने वाली ऑक्सीजन को नियंत्रित किया जा सके (एकल छिद्र के यांत्रिक अवरोध को प्रतिस्थापित करते हुए)। विशेष सामग्री गुणों के कारण, सिंटरिंग के दौरान समान रूप से वितरित जालीदार छिद्र स्वाभाविक रूप से बनते हैं, जो अवरोधन के प्रति प्रतिरोधी होते हैं।
तालिका 1 में विशिष्ट आयन धारा सेंसरों की तुलना दर्शाई गई है।
तालिका 1: सामान्य आयन प्रवाह सेंसरों की तुलना
| तुलना वस्तु | सेंसोर/फुजीकुरा | AICI |
| सिद्धांत | आयन प्रवाह | 3डी आयन प्रवाह |
| तापीय प्रभाव | ग्लास ग्लेज बॉन्डिंग तकनीक। ग्लेज और ज़िरकोनिया सब्सट्रेट अलग-अलग पदार्थ हैं जिनके तापीय विस्तार गुणांक भिन्न-भिन्न होते हैं, जिससे वे तापीय तनाव के प्रति अत्यधिक संवेदनशील हो जाते हैं। ठंड और तापीय झटके से बॉन्डिंग सतह पर आसानी से दरारें पड़ सकती हैं। | टेप-कास्टिंग लेमिनेशन और को-फायरिंग तकनीक, जो एकसमान तापन और ठंड और थर्मल शॉक के प्रभाव से प्रतिरोधक क्षमता प्रदान करती है। |
| सीमित धारा छिद्र का छिद्र: 10 μm | लेजर ड्रिलिंग, फोटोथर्मल एब्लेशन विधि का एक रूप है। जब एक उच्च-ऊर्जा किरण किसी पदार्थ की सतह पर पड़ती है, तो पदार्थ प्रकाश ऊर्जा को अवशोषित करते हुए तेजी से गर्म होकर वाष्पीकृत हो जाता है। छेद के चारों ओर और भीतरी दीवार पर अनियमित छींटे जमा हो जाते हैं, जो सेंसर के प्रदर्शन और स्थिरता को सीधे प्रभावित करते हैं। | छिद्रयुक्त सिरेमिक का उपयोग किया जाता है; सामग्री के विशेष गुणों के कारण, सिंटरिंग से स्वाभाविक रूप से समान रूप से वितरित जालीदार छेद बन जाते हैं। |
| छेदों की संख्या | एक ही छेद के बंद होने की संभावना अधिक होती है। | प्राकृतिक रूप से निर्मित जालीदार छिद्रयुक्त संरचना, जो अवरोधन के प्रति प्रतिरोधी है। |
| संवेदनशीलता | T90< 60s | T90< 45s |
| गुणवत्ता की गारंटी | 15000 घंटे | 50,000 घंटे से अधिक |
| भौतिक वस्तु | ||
OH- आयन प्रवाह से उत्पन्न धारा नमूना गैस में ऑक्सीजन की मात्रा के समानुपाती होती है। उपरोक्त रासायनिक अभिक्रियाओं से यह स्पष्ट है कि यदि ऑक्सीजन मौजूद नहीं है, तो कोई अभिक्रिया नहीं होती और कोई धारा उत्पन्न नहीं होती। अतः, सैद्धांतिक रूप से सेंसर का एक निरपेक्ष शून्य बिंदु होता है। फिर भी, सांद्रता-कोशिका ज़िरकोनिया सेंसरों के समान, जिनका वायु में सैद्धांतिक विद्युत-प्रेरक बल शून्य होना चाहिए, लेकिन पदार्थ के कारण आमतौर पर गैर-शून्य आउटपुट देता है, ईंधन कोशिका ऑक्सीजन सेंसरों का संकेत आमतौर पर डीऑक्सीजनेशन तकनीक द्वारा उपचारित उच्च-शुद्धता नाइट्रोजन की आपूर्ति के बाद भी शून्य तक नहीं पहुंच पाता है, और यहां तक कि नकारात्मक संकेत भी उत्पन्न कर सकता है। चूंकि एनोड पर मौजूद सीसा लगातार लेड ऑक्साइड में परिवर्तित होता रहता है, इसलिए सीसा इलेक्ट्रोड के पूरी तरह से नष्ट हो जाने पर सेंसर का सेवा जीवन समाप्त हो जाता है।
>> प्रदर्शन विश्लेषण
क्षारीय इलेक्ट्रोलाइट विलयन में, सिल्वर कैथोड पर ऑक्सीजन का OH- में अपचयन निम्नलिखित सूत्र द्वारा व्यक्त किया जा सकता है।
सूत्र में:
I - गैल्वेनिक सेल के इलेक्ट्रोडों से प्रवाहित होने वाली धारा
K - स्थिरांक
[O₂] मापे गए नमूना गैस में ऑक्सीजन की सांद्रता
[OH-] इलेक्ट्रोलाइट में OH⁻ आयनों की सक्रियता (प्रभावी सांद्रता)
e - प्राकृतिक लघुगणक का आधार
चांदी के इलेक्ट्रोड की φ- ध्रुवीकरण प्रतिक्रिया क्षमता
F - फैराडे स्थिरांक
R - गैस स्थिरांक
S - ऊष्मागतिक तापमान
यह सूत्र क्षारीय ईंधन सेल ऑक्सीजन सेंसर की सभी प्रतिक्रियाओं को कवर करता है, लेकिन इसका उपयोग ईंधन सेल ऑक्सीजन सेंसर की विशेषताओं की गुणात्मक व्याख्या के लिए किया जा सकता है।
जैसा कि सूत्र और चित्र 6-2 से देखा जा सकता है
① ऑक्सीजन की सांद्रता जितनी अधिक होगी, गैर-रैखिक संबंध उतना ही अधिक स्पष्ट होगा।
2. तापमान विशेषताएँ: ईंधन सेल ऑक्सीजन सेंसर की डिस्चार्ज धारा ऊष्मागतिक तापमान T के साथ एक घातीय संबंध प्रदर्शित करती है। तापमान बढ़ने पर डिस्चार्ज धारा में उल्लेखनीय वृद्धि होती है।
इसलिए, माप की सटीकता सुनिश्चित करने के लिए, दो विधियों का उपयोग किया जा सकता है: स्थिर तापमान बनाए रखना या तापमान क्षतिपूर्ति। वर्तमान में, बाज़ार में उपलब्ध अधिकांश ऑक्सीजन विश्लेषक, जो ईंधन सेल ऑक्सीजन सेंसर से सुसज्जित हैं, तापमान क्षतिपूर्ति के लिए ऋणात्मक तापमान गुणांक वाले थर्मिस्टर का उपयोग करते हैं, जबकि स्थिर तापमान विधि का उपयोग करने वाले विश्लेषक कम प्रचलित हैं।
③ ईंधन सेल ऑक्सीजन सेंसर पर KOH विलयन का प्रभाव
सूत्र से यह निष्कर्ष निकाला जा सकता है कि OH⁻ सेंसर द्वारा उत्पन्न वर्तमान सिग्नल के साथ ऋणात्मक घातीय संबंध प्रदर्शित करता है। अध्ययनों से पता चला है कि जब KOH विलयन की सांद्रता लगभग 6 मोल/लीटर (द्रव्यमान अंश: 26.8%) होती है, तो विद्युत चालकता अधिकतम हो जाती है, जिसका अर्थ है कि इस बिंदु पर OH⁻ की सक्रियता भी अधिकतम होती है। आगे के शोध से पता चलता है कि जब KOH की सांद्रता 5.5~6.9 मोल/लीटर की सीमा में रखी जाती है, तो विलयन की सांद्रता और तापमान में उतार-चढ़ाव के कारण चालकता में होने वाला परिवर्तन न्यूनतम हो जाता है। यह OH⁻ की सक्रियता में न्यूनतम परिवर्तन को दर्शाता है, जिससे सेंसर की संवेदनशीलता पर प्रभाव न्यूनतम हो जाता है। इसलिए, सेंसर के लिए KOH विलयन का निर्माण उपरोक्त सिद्धांतों के अनुरूप होना चाहिए।
④ नमूना गैस प्रवाह दर का प्रभाव
नमूना गैस प्रवाह दर में बदलाव का ईंधन सेल ऑक्सीजन सेंसर के डिस्चार्ज करंट पर आमतौर पर कोई खास असर नहीं पड़ता। इसका कारण यह है कि सेंसर का करंट सिग्नल आउटपुट मापी गई गैस में ऑक्सीजन के आंशिक दबाव से संबंधित होता है। जब नमूना गैस प्रवाह दर बदलती है लेकिन नमूना गैस में ऑक्सीजन की मात्रा स्थिर रहती है, तो ऑक्सीजन का आंशिक दबाव भी अपरिवर्तित रहता है।
>> प्रमुख तकनीकी विशिष्टताएँ
चांगई इलेक्ट्रॉनिक साइंस एंड टेक्नोलॉजी कंपनी लिमिटेड के सीआई-पीसी90 ट्रेस ऑक्सीजन विश्लेषक को उदाहरण के तौर पर लेते हुए, मुख्य तकनीकी विशिष्टताएं इस प्रकार हैं:
| सेंसर | CI213 | |
| शुद्धता | 0.01～9.99ppm O₂ | ±5% FS |
| 10.0～99.9ppm O₂ | ±3% FS | |
| 100～1000ppm O₂ | ±2% FS | |
| 0～21.00% O₂ | ±2% FS | |
| repeatability | 0.01～9.99ppm O₂ | ±2.5% FS |
| 10.0～99.9ppm O₂ | ±1.5% FS | |
| 100～1000ppm O₂ | ±1% FS | |
| स्थिरता | 0.01～9.99ppm O₂ | ±2.5% FS/7d |
| 10.0～99.9ppm O₂ | ±1.5% FS/7 दिन | |
| 100～1000ppm O₂ | ±1% FS/7d | |
| प्रतिक्रिया समय | T90＜60S(25℃) | |
| वसूली मे लगने वाला समय | परिवेशी स्तर (20.94%) से सांद्रता को 10 पीपीएम तक कम करने में 60 मिनट लगते हैं। | |
| अंशांकन चक्र | एक वर्ष (अनुशंसित) | |
| परिवेश का तापमान | 0～45℃ | |
| परिवेश आर्द्रता | ＜80%RH | |
| नमूना गैस दबाव | सामान्य दबाव ±10% (वायु निकास को वेंटेड होना चाहिए) | |
| नमूना गैस प्रवाह | 1.5～2 लीटर/मिनट | |
| सेंसर सेवा जीवन | 2 वर्ष से अधिक (सामान्य उपयोग) | |
>> उपयोग के लिए सावधानियां
① अध्ययनों से पता चला है कि ईंधन सेल ऑक्सीजन सेंसर का सेवा जीवन निम्नलिखित कारकों से संबंधित है:
● इलेक्ट्रोलाइट का वाष्पीकरण और रिसाव;
● लेड एनोड धातु की सतही प्रतिक्रिया से उत्पन्न लेड ऑक्साइड के निक्षेपण के कारण निष्क्रियता प्रभाव;
● पारगम्य झिल्ली की गैस पारगम्यता और जल विकर्षण क्षमता। लेड ऑक्साइड का निष्क्रियकरण मापी गई ऑक्सीजन की मात्रा से संबंधित है। ऑक्सीजन की सांद्रता जितनी अधिक होगी, एनोड की खपत उतनी ही अधिक होगी और सेंसर का सेवाकाल उतना ही कम होगा। इसलिए, एक अतिरिक्त सेंसर रखने की सलाह दी जाती है।
2. ईंधन सेल ऑक्सीजन सेंसर को पहचान इकाई के रूप में उपयोग करने वाले ऑक्सीजन विश्लेषकों को कम नियमित रखरखाव की आवश्यकता होती है। उच्च शुद्धता वाले नाइट्रोजन (≥99.999%) और ऑक्सीजन-इन-नाइट्रोजन मानक गैस के साथ माप सीमा के 90% पर प्रत्येक छह महीने में एक बार अंशांकन किया जाना चाहिए।
③ जब उत्पादन उपकरण रखरखाव के लिए बंद हो और विश्लेषक सेवा से बाहर हो, तो विश्लेषक के ईंधन सेल ऑक्सीजन सेंसर को लगभग 8-10 मिनट के लिए उच्च-शुद्धता वाले नाइट्रोजन (≥99.999%) से शुद्ध करने की सलाह दी जाती है, और फिर विश्लेषक को शुद्धिकरण मोड पर सेट करें (जिस बिंदु पर सेंसर सील हो जाता है)। उत्पादन उपकरण रखरखाव पूरा होने और विश्लेषक को पुनः चालू करने के बाद, विश्लेषक को मापन मोड में स्विच करने से पहले, मापे गए नमूना गैस से गैस परिपथ को 3-5 मिनट के लिए शुद्ध करें। इस प्रक्रिया से दो लाभ होते हैं: पहला, यह सेंसर के सेवा जीवन को बढ़ाता है; दूसरा, इससे मापन पुनः शुरू करने पर त्वरित प्रतिक्रिया और स्थिरीकरण समय प्राप्त होता है। यह उपाय विशेष रूप से उन स्थितियों के लिए उपयुक्त है जिनमें तीव्र मापन की आवश्यकता होती है, जैसे कि उच्च-शुद्धता वाले नाइट्रोजन और उच्च-शुद्धता वाले आर्गन का उत्पादन, और ब्रुअरीज में CO₂ की पुनर्प्राप्ति।
④ फ्यूल सेल ऑक्सीजन सेंसर को स्टोर करते समय, इसे नाइट्रोजन से भरे सुरक्षात्मक बैग में रखें और शॉर्टिंग रिंग से टर्मिनलों को शॉर्ट-सर्किट करें। भंडारण के दौरान सुरक्षात्मक बैग को नुकसान न पहुंचाएं। सेंसर को बदलते समय ही बैग को खोलें। शॉर्टिंग रिंग हटाने के बाद, सेंसर को तुरंत एनालाइजर में स्थापित करें।
⑤ ईंधन सेल ऑक्सीजन सेंसर का दबाव रेंज आम तौर पर 35~210 kPa होता है। यदि गैस आपूर्ति का दबाव अत्यधिक अधिक है, तो दबाव को उपरोक्त सुरक्षित सीमा के भीतर समायोजित करने के लिए पहले एक दबाव कम करने वाले वाल्व का उपयोग किया जाना चाहिए।
अम्लीय ईंधन सेल ऑक्सीजन सेंसर
अम्लीय ईंधन सेल ऑक्सीजन सेंसर में एक स्वर्ण कैथोड, एक सीसा एनोड और तरल एसिटिक अम्ल इलेक्ट्रोलाइट होता है। यह उन वातावरणों के लिए उपयुक्त है जहाँ मापी गई हवा में अम्लीय पदार्थ (जैसे CO₂ और H₂S) मौजूद होते हैं, जैसे कि ब्रुअरीज में CO₂ रिकवरी में ट्रेस ऑक्सीजन का मापन और ब्रेज़िंग भट्टियों में नाइट्रोजन-सुरक्षित वातावरण में ट्रेस ऑक्सीजन का मापन। एक विशिष्ट अम्लीय ईंधन सेल ऑक्सीजन सेंसर AII का XLT-12-333 है। इसकी योजनाबद्ध संरचना चित्र 6-1 में दिखाए गए क्षारीय ईंधन सेल ऑक्सीजन सेंसर के समान है, केवल इलेक्ट्रोड सामग्री और इलेक्ट्रोलाइट में अंतर है। नीचे दिया गया चित्र CITY द्वारा निर्मित अम्लीय ईंधन सेल ऑक्सीजन सेंसर की योजनाबद्ध संरचना को दर्शाता है। संरचनात्मक अंतरों के बावजूद, दोनों सेंसर एक ही कार्य प्रणाली का उपयोग करते हैं।
जब मापी गई गैस में मौजूद ऑक्सीजन पीटीएफई पारगम्य झिल्ली (जिसे कुछ साहित्य में ऑक्सीजन प्रसार झिल्ली भी कहा जाता है) से गुजरती है और ईंधन सेल में प्रवेश करती है, तो इलेक्ट्रोड पर निम्नलिखित रेडॉक्स प्रतिक्रियाएं होती हैं।
क्षारीय और अम्लीय ईंधन सेल ऑक्सीजन सेंसरों के बीच मुख्य अंतर उनके इलेक्ट्रोलाइट्स में निहित है। यह डिज़ाइन विभिन्न अनुप्रयोग परिदृश्यों के अनुरूप बनाया गया है। प्रौद्योगिकी की प्रगति के साथ, कुछ कंपनियों ने तटस्थ इलेक्ट्रोलाइट्स का उपयोग करके ईंधन सेल ऑक्सीजन सेंसर विकसित किए हैं, जैसे कि चांगई का CI213 मॉडल, जो उन अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त है जहां मापे गए वातावरण में अम्लीय या क्षारीय गैसें मौजूद होती हैं।
| कैथोडिक अपचयन प्रतिक्रिया | O₂+2H₂O+4e-→4OH- |
| एनोडिक ऑक्सीकरण प्रतिक्रिया | 2Pb + 4OH- → 2 PbO + 2H₂O + 4e- |
| कुल मिलाकर कोशिका प्रतिक्रिया | O₂+ 2Pb→2 PbO |
इलेक्ट्रोलाइटिक सेल ऑक्सीजन विश्लेषक
मूलतः, एक इलेक्ट्रोलाइटिक सेल विद्युत ऊर्जा को रासायनिक ऊर्जा में परिवर्तित करता है। इलेक्ट्रोलाइटिक सेल ऑक्सीजन सेंसर इलेक्ट्रोलाइटिक सेल श्रेणी में आता है। इसलिए, सिद्धांत रूप में, इसकी विद्युत रासायनिक प्रतिक्रिया के सामान्य संचालन के लिए बाहरी विद्युत आपूर्ति की आवश्यकता होती है। ईंधन सेल ऑक्सीजन सेंसर की तुलना में, इसका एनोड अउपभोज्य होता है और आमतौर पर इसे बदलने की आवश्यकता नहीं होती है। इलेक्ट्रोलाइटिक सेल ऑक्सीजन सेंसर मुख्य रूप से ट्रेस ऑक्सीजन के मापन के लिए उपयोग किए जाते हैं, जिसकी पहचान सीमा पीपीबी स्तर तक होती है (वर्तमान में, ट्रेस ऑक्सीजन मापन के लिए उपयोग किए जाने वाले अधिकांश ईंधन सेल-प्रकार के ऑक्सीजन सेंसर केवल पीपीएम स्तर तक ही पहुँच सकते हैं)। एक विशिष्ट इलेक्ट्रोलाइटिक ऑक्सीजन विश्लेषक जीई द्वारा निर्मित डेल्टा एफ ट्रेस ऑक्सीजन विश्लेषक है (सेंसर के योजनाबद्ध संरचनात्मक आरेख के लिए चित्र 6-4 देखें)। इसका सेंसर कूलमेट्रिक इलेक्ट्रोलाइसिस सिद्धांत पर आधारित है। रेडॉक्स प्रतिक्रियाओं के लिए ऊर्जा की आपूर्ति हेतु इलेक्ट्रोलाइटिक सेल पर लगभग 1.3 वोल्ट का डीसी वोल्टेज लगाया जाता है। जब नमूना गैस में ट्रेस ऑक्सीजन पारगम्य झिल्ली से होकर कैथोड में प्रवेश करती है, तो ऑक्सीजन अणु कैथोड पर OH⁻ में अपचयित हो जाते हैं। KOH इलेक्ट्रोलाइट की सहायता से, OH⁻ एनोड की ओर स्थानांतरित होता है जहाँ ऑक्सीकरण प्रतिक्रिया होती है जिससे ऑक्सीजन उत्पन्न होती है, जिसे बाद में उत्सर्जित किया जाता है।
| कैथोडिक अपचयन प्रतिक्रिया | O₂+2H₂O+4e-→4OH |
| एनोडिक ऑक्सीकरण प्रतिक्रिया | 4OH-→O₂+2H₂O+4e |
उपरोक्त इलेक्ट्रोड अभिक्रिया समीकरणों से स्पष्ट है कि इलेक्ट्रोलाइटिक सेल या इलेक्ट्रोड की कोई खपत नहीं होती है। इसलिए, उपयोगकर्ताओं को संचालन के दौरान इलेक्ट्रोड या इलेक्ट्रोलाइटिक सेल को बदलने की आवश्यकता नहीं होती है; उन्हें केवल समय-समय पर आसुत जल और इलेक्ट्रोलाइट की पुनःपूर्ति करनी होती है (प्राकृतिक वाष्पीकरण के कारण इलेक्ट्रोलाइट की मात्रा कम हो जाती है)। यह उपर्युक्त ईंधन सेल ऑक्सीजन सेंसर से भिन्न है, जिन्हें आमतौर पर हर 1 से 2 वर्ष में बदलने की आवश्यकता होती है।
क्षारीय ईंधन सेल-प्रकार के ऑक्सीजन सेंसरों का परिचय देते समय, यह विशेष रूप से ध्यान देने योग्य है कि इनका उपयोग उन अनुप्रयोगों में नहीं किया जाना चाहिए जहाँ मापी जाने वाली गैस में अम्लीय घटक मौजूद हों। डेल्टा एफ इलेक्ट्रोलाइटिक ऑक्सीजन सेंसर अपने इलेक्ट्रोलाइट के रूप में क्षारीय KOH विलयन का उपयोग करता है। अम्लीय गैसों के कारण होने वाले अवरोध को दूर करने और इलेक्ट्रोड के क्षरण को रोकने के लिए, सेंसर के भीतर दो स्टैब-ईएल सहायक इलेक्ट्रोड डिज़ाइन किए गए हैं। इन सहायक इलेक्ट्रोडों का कार्य अम्लीय गैसों वाली नमूना गैस के इलेक्ट्रोलाइटिक सेल में प्रवेश करने के बाद इन हानिकारक गैसों को हटाना है, जिससे सेंसर को क्षति से बचाया जा सके और विश्लेषक के मापों की सटीकता सुनिश्चित की जा सके।
चित्र 6-4 डेल्टा एफ ट्रेस ऑक्सीजन सेंसर का योजनाबद्ध आरेख
