יישומי טכנולוגיית ניטור מקוונת ללחות גזי פליטה -2

זרימת יונים (זירקוניה)

בהתבסס על מחקר תיאורטי מעמיק וניסויים רבים, אומת כי חיישני זרימת יונים יכולים להשיג מדידת לחות מדויקת. ניתן לממש את מדידת הלחות על ידי התאמת המתח המופעל על הקתודה והאנודה של החיישן. תגלית זו מטפלת בבעיה שחיישני לחות קונבנציונליים אינם יכולים לפעול ביעילות בסביבות טמפרטורה גבוהות (כגון אלו שמעל 100 מעלות צלזיוס).

אלקטרודות פלטינה מצופות משני צידי ZrO2 מיוצב. צד הקתודה מורכב עם כיסוי המסופק עם חורי דיפוזיה של גז ליצירת חלל קתודה. בטמפרטורה מסוימת, מתח פעולה ספציפי מופעל על פני האנודה והקתודה של ZrO2, ואז מולקולות חמצן בתוך החלל צוברות אלקטרונים בקתודה ליצירת יוני חמצן (O2-). ה-O2- נודדים לאנודה דרך חללי חמצן ב-ZrO2, משחררים אלקטרונים ומומרים למולקולות חמצן הנפלטות החוצה. תופעה זו ידועה כמשאבה אלקטרוכימית. בדרך זו, חמצן בחלל הקתודה נשאב ברציפות אל מחוץ לחלל על ידי אלקטרוליט ZrO2, ויוני חמצן זורמים מהקתודה דרך ZrO2 לאנודה, ויוצרים זרם יוני חמצן. כאשר ריכוז החמצן באטמוספירה הנמדדת קבוע, זרם המוצא של חיישן הזירקוניה אינו עולה עוד עם עליית המתח המופעל, אלא מגיע לערך קבוע. ערך זרם קבוע זה מכונה ערך הזרם המגביל עבור ריכוז חמצן זה, אותו אנו מכנים ערך הזרם המגביל הראשון (כפי שמוצג באיור 1-A). בהתבסס על עיקרון פעולה זה, כאשר האטמוספרה הנמדדת מכילה אדי מים, הגדלת מתח ההפעלה המופעל גורמת לאדי המים להיות מיונן ליוני חמצן. באופן דומה, כאשר ריכוז אדי המים באטמוספרה הנמדדת קבוע, חיישן הזירקוניה פולט ערך זרם קבוע, המכונה ערך הזרם המגביל השני (כפי שמוצג באיור 1-B). ערך הזרם I1 של השלב הראשון וערך הזרם I2 של השלב השני פרופורציונליים בהתאמה ללחץ החלקי של החמצן וללחץ החלקי של החמצן באטמוספרה המכילה אדי מים.

ניתן לחשב את תכולת החמצן בגז הפליטה על סמך הזרם המגביל הראשון, בעוד שניתן לחשב את הלחות בגז הפליטה לפי ההפרש בין זרם המגביל השני לזרם המגביל הראשון. לכן, למדי לחות המאמצים את עקרון הזירקוניה של זרם המגביל יש יתרון מובהק על פני אלו המשתמשים בעקרונות אחרים. מכיוון שתפקידם העיקרי הוא גילוי חמצן ומדידת חמצן היא תנאי הכרחי לבדיקת לחות, המשתמשים אינם צריכים להתקין מנתח חמצן נפרד. מד לחות יחיד יכול לספק את שני קבוצות נתוני המדידה בו זמנית.

מנתחי לחות בטמפרטורה גבוהה מסוג יניקה מיוצרים על ידי מספר חברות בסין. כאן, מוצגים כדוגמה המוצרים של Chang Ai.

כדי להתמודד עם ההשפעה של אטמוספרות קורוזיביות על אלקטרודות החיישן, צ'אנג איי שיפרה את חומרי האלקטרודה הקטליטיים מזירקוניה-פלטינה ואימצה חומר אלקטרוליט חדשני באמצעות טכנולוגיית סינתזה ננוכימית. שיטה זו מטפלת בקורוזיה של האלקטרודות ובחיי שירות קצרים בגזי פליטה עתירי SO2 ממפעלי שריפת פסולת, קלינצינציה של עפרות, מפעלי קרמיקה ותחנות כוח. יתר על כן, בהתבסס על הבסיס של חיישני הגבלת זרם, צ'אנג איי ביצעה חידוש נועז על ידי חיבור משותף של חיישני חמצן כפולים על שבב יחיד, ופתר לחלוטין את האתגר שחיישן חמצן יחיד אינו יכול למדוד בו זמנית חמצן דינמי וחמצן רטוב אלקטרוליטי.

מכשיר זרימת היונים התלת-ממדי מאמץ יחידת חישה כפולה של זרימת יונים. יחידה אחת מודדת את תכולת אדי המים והחמצן, בעוד שהשנייה מודדת את תכולת החמצן הטהור. על ידי הפעלת מתחים שונים כדי ליינן יוני חמצן וערבובם עם אדי מים, ניתן לקבל את תכולת יוני החמצן ואדי המים באמצעות מדידת זרם. חיישן זה, בעל עמידות גבוהה לטמפרטורה וביצועים נגד זיהום, יכול לפעול ביציבות בסביבות גז קשות. העיקרון והמבנה שלו מוצגים באיור 4.

איור (4) מבנה של חיישן לחות זרימת יונים

מנתח לחות זרימת יונים תלת-ממדי CI-PC196 מורכב מחיישן דגימה בטמפרטורה גבוהה ומיחידת בקרת המכשיר (כפי שמוצג באיור 5). יחידת הבקרה תומכת בפונקציות שטיפה אוטומטית וכיול אוטומטי. החיישן מצויד בפונקציית מעקב חום כדי למנוע היווצרות עיבוי בתוכה, וקצהו מצויד במסנן נירוסטה מסונטר או קרמי.

איור (5) מד לחות CI-PC196 לטמפרטורה גבוהה

הגשושית כוללת מסנן ראשוני המוכנס לארובה, צינור דגימה, יחידת ביצוע ניקוי וחיישן הממוקם בקצה הטמפרטורה הרגילה מחוץ לארובה. גז פליטה בטמפרטורה גבוהה נשאב מהארובה על ידי משאבת פליטה המונעת על ידי אוויר דחוס. גז הפליטה נכנס דרך כניסת החיישן ונפלט מיציאת האוויר. על ידי שליטה בלחץ ובקצב הזרימה של האוויר הדחוס, ניתן לווסת את קצב הזרימה של הגז הנשאב. הגשושית היא חיישן חמצן מסוג זרם עם עקרון פעולה שונה מזה של גלאי זירקוניה מסוג ריכוז עם החדרה ישירה. בתנאי טמפרטורה גבוהה, חומר הזירקוניה (ZrO2) הופך למוליך עקב נדידת יוני חמצן. כאשר הטמפרטורה עולה על 650 מעלות צלזיוס, יוני חמצן נודדים; ככל שריכוז החמצן עולה, הזרם עולה באופן פרופורציונלי עם עליית זרימת היונים.

בהשוואה לחיישני לחות קונבנציונליים מפולימרים, אלקטרוליטים וקרמיים, מכשיר זה שונה לחלוטין מבחינת תכנון מבני, שיטות בדיקה ועקרונות הפעלה, ובכך מציע יתרונות יוצאי דופן: הוא מציג עמידות מצוינת לטמפרטורה ועמידות בפני קורוזיה (החיישן פועל בטמפרטורה העולה על 600 מעלות צלזיוס), מה שמאפשר שימוש בסביבות טמפרטורה גבוהות מעל 200 מעלות צלזיוס. הוא מודד את תכולת הלחות בהתאם לכמות אדי המים הפירוק תחת מתח פירוק, ובכך מספק סלקטיביות מעולה. יתר על כן, עיקרון זה יכול למדוד את הלחות ואת ריכוז החמצן ביציאה באופן סינכרוני. הוא נמצא בשימוש נרחב בתעשיות הגנת הסביבה, הדפסה וצביעה, עץ, חומרי בניין, ייצור נייר, כימיקלים, סיבים ותרופות, כמו גם בתחומי עיבוד ואחסון של מזון, טבק, ירקות ודגנים.