Metode pengukuran kadar oksigen baru -- penganalisis oksigen arus ion 3D

Ringkasan: Makalah ini memperkenalkan instrumen pengukuran oksigen aliran ion canggih dengan menjelaskan prinsip dan karakteristik metode pengukuran oksigen seperti metode penyerapan larutan amonia tembaga, metode sel bahan bakar, metode oksigen magnetik, metode zirkonium oksida, dan metode laser.

Kata kunci: larutan amonia tembaga, sel bahan bakar, oksigen magnetik, zirkonia, laser, aliran ion, meter oksigen.

Kandungan oksigen dalam banyak proses produksi industri merupakan indikator yang sangat penting, yang secara langsung memengaruhi kapasitas produksi, kecepatan, efisiensi, dan keamanan produksi industri. Oleh karena itu, bagaimana mengukur kandungan oksigen dengan lebih cepat, mudah, akurat, dan andal, sehingga dapat mengontrol kandungan oksigen tepat waktu sangatlah penting. Metode aliran ion adalah metode pengukuran kandungan oksigen baru yang didasarkan pada kebutuhan ini. Dibandingkan dengan metode pengukuran kandungan oksigen tradisional, metode aliran ion memiliki banyak keunggulan dalam kecepatan respons, stabilitas, harga instrumen, dan masa pakai sensor, dll., terutama cocok untuk analisis kandungan oksigen tinggi.

Metode tradisional pengukuran kadar oksigen: Ini termasuk metode penyerapan larutan amonia tembaga, metode sel bahan bakar, metode paramagnetik, metode potensial konsentrasi zirkonium oksida, dan metode laser, dll. Prinsip serta kelebihan dan kekurangan metode tersebut dirangkum sebagai berikut:

1.1 Metode penyerapan larutan amonia tembaga

Larutan tembaga-amonia dibuat dengan memasukkan kawat tembaga yang dililitkan berbentuk spiral ke dalam larutan yang dibuat dari larutan jenuh amonium klorida dan air amonia dengan perbandingan 1:1. Ketika sampel gas yang mengandung oksigen dimasukkan ke dalam botol absorpsi yang diisi dengan larutan tembaga-amonia, dengan adanya amonia, tembaga dioksidasi oleh oksigen dalam sampel untuk menghasilkan tembaga oksida (CuO) dan tembaga oksida (Cu2O), dan persamaan reaksinya adalah sebagai berikut:

Tembaga oksida dan tembaga(I) oksida masing-masing direaksikan dengan larutan amonia dan amonium klorida untuk menghasilkan garam tembaga bervalensi tinggi yang larut, Cu(NH3)2Cl2, dan garam tembaga bervalensi rendah, Cu2(NH3)2Cl2. Garam tembaga bervalensi rendah menyerap oksigen untuk diubah menjadi garam tembaga bervalensi tinggi, dan garam tembaga bervalensi tinggi direduksi oleh tembaga untuk diubah menjadi garam tembaga bervalensi rendah, sehingga siklus ini berlangsung hingga oksigen dalam gas habis. Kandungan oksigen dalam gas (konsentrasi persentase volume) dapat diperoleh berdasarkan pengurangan volume gas.

Metode ini merupakan metode klasik pengukuran kadar oksigen, yang biasanya digunakan dalam arbitrase dan memiliki biaya rendah. Saat ini, masih banyak laboratorium gas dan lembaga deteksi yang mempertahankan metode ini, tetapi umumnya hanya cocok untuk mengukur sampel gas dengan kadar oksigen kurang dari 99,9%. Kekurangannya meliputi perlunya menyiapkan larutan, menggulung kawat tembaga, lebih rumit; seluruh proses pengukuran membutuhkan pengoperasian manual, yang tidak cocok untuk analisis kontinu online. Ketika gas pengoksidasi lain terkandung dalam gas yang diukur, hasil pengukuran akan terganggu. Karena seluruh perangkat penyerapan terbuat dari peralatan gelas, mudah rusak.

1.2 Metode sel bahan bakar

Sel bahan bakar biasanya terdiri dari elektroda logam inert (katoda) + elektroda timbal (atau grafit) (anoda) + elektrolit (dibagi menjadi asam dan basa), katoda dan anoda masing-masing dihubungkan dengan lembaran logam sebagai penghantar elektroda, elektrolit mengalir di permukaan katoda melalui sejumlah lubang bundar pada katoda, lapisan tipis elektrolit menutupi permukaan lapisan tipis elektrolit, film politetrafluoroetilena (PTFE) yang dapat ditembus gas ditutupi, sampel gas masuk ke katoda melalui film permeasi, oksigen dan elektrolit bereaksi, ion OH- yang dihasilkan bergerak ke anoda di bawah pengaruh medan listrik, dan anoda kehilangan elektron untuk menghasilkan air. Misalnya, ketika perak digunakan sebagai bahan anoda, persamaan reaksi kimianya adalah sebagai berikut:

Intensitas arus yang dihasilkan oleh migrasi OH berbanding lurus dengan kandungan oksigen dalam sampel gas, dan kandungan oksigen dalam sampel gas dapat diperoleh dengan mengukur intensitas arus yang dihasilkan dalam sel bahan bakar.

Metode ini memiliki keunggulan karena sel bahan bakar memiliki struktur sederhana, volume kecil, dan kecepatan respons yang cepat, sehingga Analisis Oksigen dengan metode ini sangat cocok untuk penggunaan portabel, dan harganya relatif rendah. Namun, sel bahan bakar merupakan detektor tipe konsumsi yang masa pakainya ditentukan oleh jumlah total oksigen yang terakumulasi melalui sensor, dan anoda terus bereaksi dan dikonsumsi dalam pengukuran. Setelah habis, sel bahan bakar akan rusak dan perlu diganti. Akurasi dan stabilitas pengukuran analisis oksigen sel bahan bakar buruk, terutama ketika digunakan untuk mengukur sampel gas dengan kandungan oksigen lebih dari 90%, penyimpangan bulanan dapat mencapai lebih dari 1%. Lebih lanjut, penting untuk dicatat bahwa ketika sel bahan bakar digunakan dengan elektrolit yang bersifat basa, maka tidak cocok untuk analisis kandungan oksigen dalam gas asam, sedangkan ketika elektrolit bersifat asam, maka tidak cocok untuk pengukuran gas basa.

1.3 Aksi medan magnet (aksi mekanik medan)

Pengukuran kadar oksigen dengan metode paramagnetik didasarkan pada fakta bahwa oksigen adalah zat paramagnetik, dan suseptibilitas volumenya dapat mencapai k=1062×10-6(CGSM) pada suhu 20°C. Suseptibilitas volume gas lain jauh lebih kecil daripada oksigen (kecuali NO), sehingga analisis kadar oksigen dengan metode paramagnetik selalu menjadi salah satu metode yang paling efektif.

Penganalisis oksigen mekanik magnetik adalah salah satu instrumen representatif untuk menganalisis kandungan oksigen dengan metode paramagnetik. Sensor oksigen berupa sepasang bola kaca kuarsa berbentuk dumbel yang diisi nitrogen, bola dumbel tersebut dililit dengan kawat platinum, membentuk loop umpan balik listrik, bola dumbel tersebut digantung dalam medan magnet, dan sebuah reflektor kecil ditempatkan di tengahnya. Sumber cahaya di dalam instrumen memancarkan berkas cahaya, yang dipantulkan oleh reflektor dan diterima oleh detektor cahaya yang terbuat dari komponen fotosensitif. Ketika molekul oksigen berada di sekitar bola dumbel, molekul oksigen bergerak di bawah pengaruh medan magnet, bola dumbel tersebut terdorong untuk berbelok, semakin tinggi konsentrasi oksigen, semakin besar sudut defleksi, defleksi akan menggerakkan reflektor, dan jalur cahaya detektor cahaya juga berbelok. Detektor cahaya akan mendeteksi defleksi dan menghasilkan sinyal listrik. Setelah diperkuat oleh penguat, rangkaian dibentuk oleh rangkaian umpan balik, dan dumbel kembali ke posisi keseimbangan utama di bawah pengaruh medan magnet. Nilai arus dalam rangkaian berbanding lurus dengan kandungan oksigen. Kandungan oksigen dalam sampel dapat diperoleh dengan mengukur nilai arus.

Keunggulan metode paramagnetik untuk mengukur kadar oksigen adalah pengukuran pada dasarnya tidak dipengaruhi oleh komponen yang tidak terukur dalam sampel gas (kecuali NO dan Xe), dapat digunakan untuk mengukur sampel gas dengan kadar oksigen yang lebih tinggi, dan memiliki keunggulan kecepatan respons yang cepat dan stabilitas yang baik. Namun, metode ini juga memiliki kekurangannya, termasuk persyaratan yang lebih tinggi untuk pra-perlakuan sampel gas dan lingkungan pengukuran, tekanan sampel, debu, tar, uap air, dan sebagainya akan memengaruhi hasil pengukuran, bahkan merusak sensor. Selain itu, perlu dipastikan penempatan instrumen secara horizontal, hindari getaran, hindari medan magnet yang kuat, dan instrumen tidak boleh berada di dekat peralatan listrik atau saluran listrik yang besar. Analisis oksigen paramagnetik lebih mahal, struktur internalnya lebih kompleks, dan harganya lebih tinggi.

1.4 Metode potensi konsentrasi zirkonia

Tabung zirkonium oksida yang digunakan dalam metode potensial konsentrasi zirkonium oksida adalah badan keramik zirkonium oksida yang stabil hasil sintering, yang dibentuk dari campuran material zirkonium oksida dengan proporsi tertentu dari yttrium oksida atau kalsium oksida melalui sintering suhu tinggi. Karena adanya molekul yttrium oksida atau kalsium oksida, lubang ion oksigen ada dalam kisi kubik zirkonium oksida, dan tabung zirkonium oksida merupakan konduktor ion oksigen yang baik pada suhu tinggi. Karena karakteristik ini, pada suhu tertentu, ketika kandungan oksigen dalam gas di kedua sisi tabung zirkonia berbeda, terbentuk baterai konsentrasi oksigen yang khas. Seluruh tabung zirkonia berbentuk tabung, bagian tengahnya dipisahkan oleh material zirkonia, dan lapisan logam berpori disinter di kedua sisi zirkonia sebagai elektroda (platinum biasanya digunakan sebagai material elektroda). Pada suhu tertentu (600-1400°C), molekul oksigen pada sisi dengan kandungan oksigen lebih tinggi akan terserap pada elektroda, di bawah katalisis platinum, terjadi reaksi reduksi, dan elektron membentuk ion oksigen, yaitu:

Pada saat yang sama, elektroda samping bermuatan positif untuk menjadi elektroda positif atau anoda dari sel konsentrasi oksigen. Ion oksigen bermigrasi ke sisi lain kristal zirkonium oksida dengan kandungan oksigen yang lebih rendah melalui lubang-lubang pada kristal zirkonium oksida, dan elektron hilang pada elektroda platinum untuk membentuk molekul oksigen, yaitu:

Pada saat yang sama, elektroda diberi muatan negatif untuk menjadi katoda atau elektroda pendeteksi konsentrasi oksigen. Potensial tersebut berhubungan dengan kandungan oksigen dalam gas yang diukur dengan zirkonium oksida. Hal ini sesuai dengan persamaan Nernst.

Dalam rumus:

E: Potensial konsentrasi oksigen (mV)

R: Konstanta gas 8,3145 J/mol·K

T：273.15 + t (℃)

n: Suhu kerja (K) dari probe zirkonium oksida yang ditunjukkan oleh suhu absolut adalah 273,15 + t (°C).

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

P0: Tekanan parsial oksigen dalam gas referensi

P1: Tekanan parsial oksigen dalam gas yang akan diukur

Persamaan tersebut merupakan dasar untuk mengukur kandungan oksigen dalam gas menggunakan baterai konsentrasi zirkonia. Dalam pengukuran sebenarnya, tabung zirkonia dipanaskan hingga 600~1400°C, sisi referensi tabung zirkonia diisi dengan gas dengan kandungan oksigen tinggi dan kandungan oksigen yang diketahui sebagai gas referensi, seperti udara (P0=20,6%), sedangkan sisi lainnya diisi dengan gas yang akan diukur. Tekanan parsial oksigen (P1) dalam gas yang akan diukur dapat dihitung dengan mengukur potensial baterai konsentrasi E dan suhu absolut probe zirkonia, sehingga diperoleh konsentrasi oksigen dalam gas yang akan diukur.

Metode ini memiliki keunggulan sensitivitas tinggi, respons cepat, rentang linier yang luas, reproduktivitas dan stabilitas yang baik. Struktur internal penganalisis oksigen zirkonia lebih sederhana daripada penganalisis oksigen magnetik, dan hampir tidak terpengaruh oleh kondisi lingkungan eksternal seperti suhu, getaran, dll., dan hampir tidak memerlukan perawatan pasca-penggunaan. Namun, kekurangannya juga jelas, karena diperlukan suhu yang lebih tinggi agar elektron dalam material zirkonia dapat bergerak, sehingga instrumen harus dilengkapi dengan tungku pemanas untuk memanaskan tabung zirkonia, yang juga menyebabkan instrumen analisis zirkonia membutuhkan waktu pemanasan awal yang lama agar dapat digunakan secara normal. Selain itu, metode zirkonia akan dipengaruhi oleh gas pereduksi dalam gas yang akan diukur saat mengukur konsentrasi oksigen, yang mengakibatkan hasil pengukuran yang lebih rendah, sehingga tidak cocok untuk mengukur konsentrasi oksigen dalam sampel gas dengan kandungan gas pereduksi yang lebih tinggi atau gas pereduksi, terutama saat mengukur sampel gas dengan konsentrasi oksigen ppm, lebih perlu mempertimbangkan pengaruh gas pereduksi dalam sampel terhadap hasil pengukuran. Selain itu, ketika konsentrasi oksigen dalam sampel gas yang akan diukur lebih tinggi daripada konsentrasi oksigen di udara (20,6%), selain menggunakan gas dengan konsentrasi lebih tinggi sebagai gas referensi untuk memastikan potensi konsentrasi positif, tangki deteksi zirkonium oksida perlu dimodifikasi, sehingga sangat meningkatkan biaya instrumen.

1.5 Metode pengukuran oksigen laser

Metode pengukuran oksigen laser didasarkan pada karakteristik bahwa molekul oksigen dapat menyerap laser dengan panjang gelombang tertentu. Sinar laser dengan panjang gelombang tetap dan intensitas cahaya yang diketahui dihasilkan oleh dioda laser di dalam instrumen. Sinar laser disuntikkan ke dalam wadah pengukuran yang berisi sampel gas yang akan diukur. Setelah dipantulkan bolak-balik beberapa kali antara dua cermin di kedua sisi wadah pengukuran, sebagian cahaya diserap oleh oksigen dalam sampel gas, dan cahaya yang tersisa dipantulkan ke kutub pengumpul dan ditangkap.

Menurut hukum Bill, perbandingan intensitas berkas yang diserap terhadap intensitas awal berbanding lurus dengan kandungan oksigen dalam sampel gas:

Ln[I0/I] = S × L × N

Dalam Rumus:

I0: intensitas cahaya asli

I: Intensitas cahaya sisa yang diserap oleh oksigen dalam sampel gas

S: Konstanta Absorpsi Oksigen terhadap Laser dengan Panjang Gelombang Tertentu

L: panjang jalur optik

N: Jumlah molekul oksigen pada jalur optik berkaitan dengan kandungan oksigen dalam gas sampel.

Oleh karena itu, kandungan oksigen dalam sampel gas dapat diperoleh dengan mengukur intensitas cahaya asli dan intensitas cahaya yang diserap. Karena panjang gelombang laser yang dipilih spesifik, hasil pengukuran hampir tidak terpengaruh oleh gas lain. Menggunakan I/I0 untuk menghitung hampir dapat menghilangkan pengaruh intensitas cahaya, reflektivitas cermin, dan perubahan peralatan listrik. Saat ini, harga instrumen yang diproduksi dengan menggunakan prinsip ini relatif tinggi, dan stabilitas kinerja perlu ditingkatkan lebih lanjut.

Teknologi aliran ion 3D

Prinsip kerja sensor oksigen aliran ion 3D ditunjukkan pada Gambar 1.

Elektroda platinum dilapisi pada kedua sisi ZrO2 yang distabilkan, dan sisi katoda dihubungkan oleh penutup dengan lubang difusi gas untuk membentuk rongga katoda. Pada suhu tertentu, ketika kedua sisi elektroda ZrO2 dihubungkan dengan tegangan tertentu, molekul oksigen dalam rongga memperoleh elektron membentuk ion oksigen (O2-) di katoda, O2- bergerak ke anoda melalui kekosongan oksigen ZrO2, elektron dilepaskan dan menjadi gas molekul oksigen yang dilepaskan, fenomena ini disebut pompa elektrokimia, sehingga oksigen dalam rongga katoda terus dipompa keluar dari rongga oleh elektrolit ZrO2, dan arus terbentuk dalam siklus. Ketika fraksi mol oksigen konstan, tegangan meningkat dan intensitas arus meningkat. Ketika tegangan melebihi nilai tertentu, intensitas arus mencapai saturasi, yang merupakan hasil difusi oksigen melalui lubang kecil ke dalam rongga katoda yang dibatasi oleh lubang kecil tersebut. Arus saturasi ini disebut arus ionik. Mekanisme difusi gas dalam lubang kecil menentukan sifat-sifat sensor. Terdapat dua jenis aliran ion dalam difusi lubang kecil, yaitu difusi molekuler dan difusi Knudsen. Ketika diameter pori lebih besar daripada diameter rata-rata molekul gas, arus ion IL di daerah difusi adalah:

Dalam rumus tersebut, F adalah konstanta Faraday; D adalah koefisien difusi molekul oksigen di ruang hampa; S adalah luas penampang lubang difusi; L adalah panjang lubang difusi; C adalah fraksi mol oksigen di sekitar sensor; CT adalah fraksi mol seluruh zat gas. Ketika C/CT<1, dari rumus (1), nilai arus ion menjadi proporsional terhadap fraksi mol oksigen, dan nilai arus ion IL adalah:

Dari rumus (2), arus ion dan fraksi mol oksigen hampir linear. Fraksi mol oksigen dalam gas yang diukur dapat ditentukan berdasarkan arus keluaran.

Pasokan oksigen ke katoda sensor dikendalikan dengan substrat keramik berpori sebagai lapisan difusi, yang menggunakan LSM sebagai lapisan penghalang difusi padat dengan struktur tipe lapisan berpori, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.

Gambar 2 Sensor oksigen lapisan berpori

Aliran ion sensor oksigen tipe lapisan berpori sama dengan rumus (2).

Dalam rumus tersebut, F adalah konstanta Faraday; Deff adalah koefisien difusi efektif oksigen dalam lapisan berpori. S adalah luas katoda; L adalah ketebalan substrat lapisan berpori; C adalah fraksi mol oksigen di sekitar sensor. Dari rumus (3), nilai arus batas sensor oksigen lapisan berpori berbanding lurus dengan fraksi mol oksigen.

karakteristik tegangan-arus

Karakteristik tegangan dan arus sensor ditunjukkan pada Gambar 3 dalam berbagai konsentrasi oksigen pada gas ambien.

Gambar 3 Diagram Skematik Karakteristik Tegangan dan Arus Sensor

Kurva hubungan antara arus ion 3D dan konsentrasi oksigen ditunjukkan pada Gambar 4.

Gambar 4. Grafik Kurva Arus Ion dan Konsentrasi Oksigen

3. Perbandingan dengan "metode penyerapan larutan amonia tembaga":

Institut Metrologi dan Teknologi Pengukuran Shanghai telah membandingkan meteran oksigen aliran ion yang diproduksi oleh Chang Ai dengan metode penyerapan larutan amonia tembaga. Instrumen tersebut dikalibrasi dengan O2 dalam 24,1% He, dan kemudian "Metode Penyerapan Larutan Amonia-Cu" yang dikirim oleh sebuah perusahaan digunakan untuk mengukur kandungan oksigen gas tersebut. Instrumen menunjukkan 97,71%. Setelah beberapa hari, instrumen tersebut diukur beberapa kali, dan rentang tampilannya antara 97,65% dan 97,89%. Jelas, alat ini memiliki pengulangan yang baik, stabilitas, dan kesalahan yang kecil. Instrumen dapat distabilkan selama beberapa menit setelah dinyalakan. Sampel dapat diukur selama sekitar enam menit.

4. Perbandingan beberapa prinsip yang berbeda

5. Aplikasi penganalisis oksigen aliran ion 3D

Seri penganalisis oksigen aliran ion 3D yang diproduksi di Tiongkok mulai dipasarkan pada tahun 2004. Dalam 10 tahun terakhir praktik dan penggunaan di pasar, alat ini telah mencapai hasil yang luar biasa. Alat ini memiliki pangsa pasar tertentu di pasar analisis proses pemisahan udara, terutama di industri pembuatan oksigen medis, dan yakin bahwa alat ini akan memiliki tempat dalam "standar nasional". Tidak hanya praktis di laboratorium, instrumen portabel ini sangat mudah digunakan di mana saja, terutama dalam analisis online dapat menggantikan "oksigen magnetik".

Wenfeng Iron and Steel, Longhai Iron and Steel, Tangshan Iron and Steel, Shanghai Baosteel Group, Xinjiang Bayi Iron and Steel, Dayangritic Acid, Shanxi Jianbang Group, Shandong Laigang Tianyuan Gas, Henan Shenma Nylon Chemical, Shanxi Lanxing Chemical, Ningbo Linde Gas, Shougang Changzhi Iron and Steel, dll., semuanya telah menggunakan detektor oksigen aliran ion, yang memecahkan rekor deteksi oksigen berkadar tinggi dalam sistem analisis proses pemisahan udara, telah didominasi oleh prinsip oksigen magnetik, meletakkan dasar yang kokoh untuk produk dalam negeri, dan mendapatkan dukungan pengguna di seluruh dunia.

Penganalisis oksigen seri CI-PC84

Parameter teknis:

Rentang pengukuran: 10%～95%/99,99%，0～40% O2 (Silakan periksa deskripsi pada pelat nama)

Sensor: Sensor oksigen aliran ion baru

Akurasi: ≤±1%FS

Keterulangan: ≤±0,5%FS

Stabilitas:＜±0,5%FS/7 hari

Waktu respons: T90＜15s

Masa pakai sensor: Lebih dari 5 tahun (penggunaan normal)

Masa pakai instrumen: Lebih dari 6 tahun (penggunaan normal)

Dimensi: Lihat Gambar 1 hingga 4

Berat instrumen: 2 kg (sekitar 2 kg)

Catu daya: Konsumsi daya kurang dari 10VA

Suhu lingkungan: 0～45℃

Kelembapan lingkungan: ＜80%RH

Laju alir sampel: 400～600ml/menit

Tekanan sampel: 86～106kPa

Output analog bebas-atur: 4-20mA/0-20mA/0-1V/0-5V/0-10V/1-5V

Komunikasi: RS485 (standar)/232 (opsional)

Output peringatan: 2 set output sakelar alarm konsentrasi