Prinsip Pengukuran Kandungan Oksigen Terbaru: Analisis Oksigen Aliran Ion 3D

Metode ini mencakup metode penyerapan larutan tembaga-amonia, metode sel bahan bakar, metode paramagnetik, metode potensial konsentrasi zirkonia, dan metode laser. Prinsip, kelebihan, dan kekurangannya dijelaskan secara singkat sebagai berikut:

Larutan tembaga-amonia disiapkan dengan menempatkan kawat tembaga spiral ke dalam larutan yang dicampur dengan larutan amonium klorida jenuh dan air amonia dengan perbandingan volume 1:1. Ketika sampel gas yang mengandung oksigen dialirkan ke dalam botol absorpsi yang berisi larutan tembaga-amonia, tembaga dioksidasi oleh oksigen dalam sampel dengan adanya amonia, menghasilkan tembaga oksida (CuO) dan tembaga(I) oksida (Cu2O). Persamaan reaksinya ditunjukkan sebagai berikut:

Oksida tembaga dan oksida tembaga(I) yang dihasilkan masing-masing bereaksi dengan larutan amonia dan amonium klorida untuk membentuk garam tembaga(II) yang larut, Cu(NH3)2Cl2, dan garam tembaga(I) Cu2(NH3)2Cl2. Garam tembaga(I) menyerap oksigen dan berubah menjadi garam tembaga(II), sementara garam tembaga(II) direduksi kembali menjadi garam tembaga(I) oleh tembaga. Siklus ini berlanjut hingga oksigen dalam gas habis sepenuhnya. Kandungan oksigen (konsentrasi persentase volume) dalam gas dapat ditentukan berdasarkan pengurangan volume gas.

Ini adalah metode klasik untuk pengukuran kadar oksigen, yang banyak digunakan untuk arbitrase dengan biaya rendah. Metode ini masih dipertahankan di banyak laboratorium gas dan lembaga pengujian. Namun, umumnya hanya berlaku untuk sampel gas dengan kadar oksigen di bawah 99,9%. Kekurangannya meliputi perlunya menyiapkan larutan dan menggulung kawat tembaga, yang relatif merepotkan; seluruh proses pengukuran membutuhkan pengoperasian manual, sehingga tidak cocok untuk analisis kontinu online; dan keberadaan gas pengoksidasi lain dalam gas sampel akan mengganggu hasil pengukuran. Selain itu, karena seluruh perangkat penyerapan terdiri dari peralatan gelas, maka rentan terhadap kerusakan.

>> Metode Sel Bahan Bakar

Sel bahan bakar umumnya terdiri dari elektroda logam inert (katoda), elektroda timbal (atau grafit) (anoda), dan elektrolit (tersedia dalam jenis asam dan basa). Masing-masing katoda dan anoda dihubungkan ke lembaran logam yang berfungsi sebagai penghantar elektroda. Elektrolit meluap melalui banyak lubang bundar pada katoda dan membentuk lapisan elektrolit tipis di permukaan katoda. Di atas lapisan tipis elektrolit ini ditutupi oleh membran politetrafluoroetilena (PTFE) yang permeabel terhadap gas. Sampel gas melewati membran permeabel dan masuk ke katoda, di mana oksigen bereaksi dengan elektrolit. Ion OH⁻ yang dihasilkan bermigrasi ke anoda di bawah pengaruh medan listrik dan kehilangan elektron di anoda untuk membentuk air. Mengambil perak sebagai bahan anoda sebagai contoh, persamaan reaksi kimianya adalah sebagai berikut:

Katoda perak: O₂+2H₂O+4e→4OH-

Anoda timbal: 2Pb + 4OH⁻ → 2 PbO + 2H₂O + 4e⁻

Reaksi sel secara keseluruhan: 2Pb + O₂→2 PbO

Intensitas arus yang dihasilkan oleh migrasi OH− berbanding lurus dengan kandungan oksigen dalam sampel gas. Kandungan oksigen dalam sampel dapat ditentukan dengan mengukur arus yang dihasilkan dalam sel bahan bakar.

Keunggulan metode ini adalah sel bahan bakar memiliki struktur yang sederhana, ukuran yang kompak, dan waktu respons yang cepat. Dengan demikian, penganalisis oksigen berdasarkan metode ini sangat cocok untuk penggunaan portabel dan relatif murah. Namun demikian, sel bahan bakar merupakan detektor yang dapat habis, yang masa pakainya bergantung pada jumlah kumulatif oksigen yang mengalir melalui sensor. Elektroda anoda terus menerus dikonsumsi melalui reaksi kimia selama pengukuran; setelah habis, sel bahan bakar akan rusak dan perlu diganti. Secara khusus, ketika mengukur sampel gas dengan kandungan oksigen lebih tinggi dari 90%, penyimpangan bulanan dapat melebihi 1%. Selain itu, perlu dicatat bahwa sel bahan bakar dengan elektrolit basa tidak cocok untuk menganalisis kandungan oksigen dalam gas asam, sedangkan sel bahan bakar dengan elektrolit asam tidak cocok untuk mengukur gas basa.

>> Metode paramagnetik (menggunakan tipe mekanik magnetik sebagai contoh)

Metode paramagnetik untuk pengukuran oksigen didasarkan pada sifat bahwa oksigen adalah zat paramagnetik dan suseptibilitas magnetik volumenya mencapai k=1062×10−6 (CGSM) pada 20 ℃. Suseptibilitas magnetik volume gas lain (kecuali NO) jauh lebih rendah daripada oksigen. Oleh karena itu, metode paramagnetik telah lama menjadi salah satu metode paling efektif untuk analisis kandungan oksigen.

Penganalisis oksigen magnetik-mekanis adalah salah satu instrumen representatif yang mengadopsi metode paramagnetik untuk analisis kandungan oksigen. Kawat platinum dililitkan di sekitar bola untuk membentuk loop umpan balik listrik. Bola-bola tersebut digantung dalam medan magnet, dengan reflektor kecil dipasang di tengahnya. Sumber cahaya yang terpasang di dalam instrumen memancarkan berkas cahaya, yang dipantulkan oleh reflektor dan diterima oleh fotodetektor yang terbuat dari komponen fotosensitif. Ketika molekul oksigen hadir di sekitar bola-bola berbentuk dumbel, molekul tersebut bermigrasi di bawah pengaruh medan magnet dan mendorong dumbel untuk berbelok. Semakin tinggi konsentrasi oksigen, semakin besar sudut defleksinya.

Pembelokan ini menggerakkan reflektor, menyebabkan jalur cahaya yang diarahkan ke fotodetektor juga berbelok. Fotodetektor menangkap pembelokan tersebut dan menghasilkan sinyal listrik. Setelah diperkuat oleh penguat, sinyal tersebut melewati rangkaian umpan balik untuk membentuk loop tertutup, yang menggerakkan dumbbell kembali ke posisi keseimbangan utamanya di bawah pengaruh medan magnet. Arus dalam loop ini berbanding lurus dengan kandungan oksigen. Kandungan oksigen dalam sampel gas dapat ditentukan dengan mengukur nilai arus ini.

Pada saat yang sama, elektroda di sisi ini menjadi bermuatan positif dan bertindak sebagai kutub positif atau anoda dari sel konsentrasi oksigen. Ion oksigen bermigrasi melalui kekosongan dalam kisi kristal zirkonia ke sisi yang berlawanan dengan kandungan oksigen yang lebih rendah, di mana mereka kehilangan elektron pada elektroda platinum untuk membentuk molekul oksigen, yaitu:

Sementara itu, elektroda ini dibuat bermuatan negatif, berfungsi sebagai elektroda negatif atau katoda dari sel konsentrasi oksigen. Akumulasi muatan positif dan negatif pada kedua elektroda menghasilkan potensial listrik tertentu. Potensial ini berkorelasi dengan kandungan oksigen gas di kedua sisi zirkonia dan sesuai dengan persamaan Nernst:

E: Potensial konsentrasi oksigen (mV);

R: Konstanta gas, 8,3145 J/mol·K;

T: Suhu operasi probe zirkonia yang dinyatakan dalam suhu absolut (K) = 273,15 + t (°C);

n: Jumlah elektron yang berpartisipasi dalam reaksi; untuk oksigen, n = 4;

F: Konstanta Faraday, 96485,3365 (C/mol);

P0: Tekanan parsial oksigen dalam gas referensi;

P1: Tekanan parsial oksigen dalam gas sampel.

Persamaan ini merupakan dasar untuk mengukur kandungan oksigen dalam gas menggunakan metode sel konsentrasi zirkonia. Dalam pengukuran sebenarnya, tabung zirkonia dipanaskan hingga 600~1400 ℃. Pada sisi referensi tabung zirkonia, gas dengan kandungan oksigen yang diketahui dan relatif tinggi seperti udara (P0 = 20,6%) dimasukkan sebagai gas referensi, sedangkan sisi lainnya dialiri gas yang akan diukur. Dengan mengukur potensial sel konsentrasi E dan suhu absolut probe zirkonia, tekanan parsial oksigen (P1) dari gas yang akan diukur dapat dihitung, dan selanjutnya diperoleh konsentrasi oksigen dari gas sampel.

Keunggulan metode ini meliputi sensitivitas tinggi, waktu respons cepat, rentang linier yang luas, serta reproduktivitas dan stabilitas yang baik. Dibandingkan dengan penganalisis pada metode oksigen magnetik, penganalisis oksigen dalam zirkonia memiliki struktur internal yang lebih sederhana; alat ini praktis tidak terpengaruh oleh kondisi lingkungan eksternal seperti suhu dan getaran, dan hampir tidak memerlukan perawatan selanjutnya. Namun, metode ini juga memiliki kekurangan yang jelas. Karena elektron hanya dapat bermigrasi melalui material zirkonia pada suhu yang relatif tinggi, instrumen harus dilengkapi dengan tungku pemanas untuk memanaskan tabung zirkonia, yang mengakibatkan waktu pemanasan yang lama sebelum instrumen dapat beroperasi normal. Selain itu, ketika mengukur konsentrasi oksigen, metode zirkonia dipengaruhi oleh gas pereduksi yang ada dalam gas sampel, yang menyebabkan hasil pengukuran yang lebih rendah. Oleh karena itu, metode ini tidak cocok untuk menentukan konsentrasi oksigen dalam gas yang mengandung zat pereduksi atau gas pereduksi dengan kadar tinggi. Hal ini sangat penting ketika mengukur sampel gas pada tingkat ppm, di mana dampak gas pereduksi pada hasil pengukuran harus dipertimbangkan dengan cermat. Selain itu, ketika konsentrasi oksigen dalam gas sampel melebihi konsentrasi udara (20,6%), tidak hanya perlu menggunakan gas dengan konsentrasi lebih tinggi sebagai gas referensi untuk memastikan perbedaan potensial positif, tetapi juga perlu memodifikasi sel pendeteksi zirkonia, yang secara signifikan meningkatkan biaya instrumen.

Metode pengukuran oksigen dengan laser didasarkan pada sifat molekul oksigen yang menyerap cahaya laser dengan panjang gelombang tertentu. Di dalam instrumen, dioda laser menghasilkan berkas laser dengan panjang gelombang tetap dan intensitas cahaya yang diketahui. Berkas tersebut memasuki sel pengukuran yang diisi dengan sampel gas yang akan diuji. Setelah memantul bolak-balik beberapa kali antara dua reflektor di dua sisi sel pengukuran, sebagian cahaya diserap oleh oksigen yang terkandung dalam sampel gas. Berkas cahaya yang tersisa dipantulkan ke kolektor dan kemudian ditangkap.

Menurut hukum Beer, perbandingan intensitas berkas cahaya yang diserap terhadap intensitas cahaya asli berbanding lurus dengan kandungan oksigen dalam sampel gas:

Dalam persamaan

I0: Intensitas cahaya awal;

I: Intensitas cahaya yang tersisa setelah diserap oleh oksigen dalam sampel gas;

S: Konstanta penyerapan oksigen untuk laser pada panjang gelombang tertentu;

L: Panjang jalur optik;

N: Jumlah molekul oksigen di sepanjang jalur optik, yang berkaitan dengan kandungan oksigen dalam gas sampel;

Oleh karena itu, kandungan oksigen dalam sampel gas dapat ditentukan dengan mengukur intensitas cahaya awal dan intensitas cahaya setelah penyerapan. Karena panjang gelombang laser yang dipilih spesifik, hasil pengukuran hampir tidak dipengaruhi oleh gas lain. Lebih lanjut, penggunaan rasio I/I0 untuk perhitungan secara virtual menghilangkan pengaruh variasi intensitas sumber cahaya, reflektivitas cermin, dan peralatan listrik. Saat ini, instrumen buatan dalam negeri yang mengadopsi prinsip ini relatif mahal, dan stabilitas kinerjanya masih perlu ditingkatkan lebih lanjut.