Prinsip Pengukuran Kandungan Oksigen Terkini: Penganalisis Oksigen Aliran Ion 3D

Ia merangkumi kaedah penyerapan larutan kuprum-amonia, kaedah sel bahan api, kaedah paramagnet, kaedah potensi kepekatan zirkonia, dan kaedah laser. Prinsip, kelebihan dan kekurangannya dihuraikan secara ringkas seperti berikut:

Larutan kuprum-amonia disediakan dengan meletakkan dawai kuprum heliks ke dalam larutan yang dicampur dengan larutan ammonium klorida tepu dan air ammonia pada nisbah isipadu 1:1. Apabila sampel gas yang mengandungi oksigen dimasukkan ke dalam botol penyerapan yang mengandungi larutan kuprum-amonia, kuprum dioksidakan oleh oksigen dalam sampel dengan kehadiran ammonia, menghasilkan kuprum oksida (CuO) dan kuprum oksida (Cu2O). Persamaan tindak balas ditunjukkan seperti berikut:

Oksida kuprum dan oksida kupro yang terhasil masing-masing bertindak balas dengan air ammonia dan ammonium klorida untuk membentuk garam kuprik yang terlarut Cu(NH3)2Cl2 dan garam kuprik Cu2(NH3)2Cl2. Garam kuprik menyerap oksigen dan bertukar menjadi garam kuprik, manakala garam kuprik dikurangkan kembali kepada garam kuprik oleh kuprum. Kitaran ini berterusan sehingga oksigen dalam gas dimakan sepenuhnya. Kandungan oksigen (peratusan kepekatan isipadu) dalam gas boleh ditentukan mengikut pengurangan isipadu gas.

Ini merupakan kaedah klasik untuk pengukuran kandungan oksigen, digunakan secara meluas untuk arbitrasi dengan kos yang rendah. Ia masih dikekalkan di banyak makmal gas dan institusi ujian. Walau bagaimanapun, ia secara amnya hanya terpakai kepada sampel gas dengan kandungan oksigen di bawah 99.9%. Kelemahannya termasuk keperluan untuk menyediakan larutan dan menggulung dawai kuprum, yang agak rumit; keseluruhan proses pengukuran memerlukan operasi manual, menjadikannya tidak sesuai untuk analisis berterusan dalam talian; dan kehadiran gas pengoksidaan lain dalam gas sampel akan mengganggu keputusan pengukuran. Tambahan pula, memandangkan keseluruhan peranti penyerapan terdiri daripada barangan kaca, ia mudah pecah.

>> Kaedah Sel Bahan Api

Sel bahan api secara amnya terdiri daripada elektrod logam lengai (katod), elektrod plumbum (atau grafit) (anod), dan elektrolit (tersedia dalam jenis berasid dan alkali). Setiap katod dan anod disambungkan kepada kepingan logam yang berfungsi sebagai plumbum elektrod. Elektrolit melimpah melalui pelbagai lubang bulat pada katod dan membentuk lapisan elektrolit nipis pada permukaan katod. Di atas elektrolit, lapisan nipis ini diliputi membran politetrafluoroetilena (PTFE) yang telap gas. Sampel gas melalui membran telap dan memasuki katod, di mana oksigen bertindak balas dengan elektrolit. Ion OH⁻ yang dihasilkan berhijrah ke anod di bawah tindakan medan elektrik dan kehilangan elektron pada anod untuk membentuk air. Dengan mengambil perak sebagai bahan anod sebagai contoh, persamaan tindak balas kimia adalah seperti berikut:

Katod perak: O₂+2H₂O+4e→4OH-

Anod plumbum: 2Pb+ 4OH-→2 PbO+2H₂O+4e

Tindak balas sel keseluruhan: 2Pb + O₂→2 PbO

Keamatan arus yang dijana oleh penghijrahan OH− adalah berkadar terus dengan kandungan oksigen dalam sampel gas. Kandungan oksigen sampel boleh ditentukan dengan mengukur arus yang dijana dalam sel bahan api.

Kelebihan kaedah ini ialah sel bahan api mempunyai struktur yang ringkas, saiz yang padat dan masa tindak balas yang pantas. Sehubungan itu, penganalisis oksigen berdasarkan kaedah ini sangat sesuai untuk kegunaan mudah alih dan agak murah. Walau bagaimanapun, sel bahan api adalah pengesan yang boleh habis guna, yang jangka hayatnya bergantung pada jumlah kumulatif oksigen yang mengalir melalui sensor. Elektrod anod digunakan secara berterusan melalui tindak balas kimia semasa pengukuran; setelah habis, sel bahan api akan rosak dan perlu diganti. Khususnya, apabila mengukur sampel gas dengan kandungan oksigen lebih tinggi daripada 90%, hanyutan bulanan boleh melebihi 1%. Selain itu, perlu diingatkan bahawa sel bahan api dengan elektrolit alkali tidak sesuai untuk menganalisis kandungan oksigen dalam gas berasid, manakala sel yang mempunyai elektrolit berasid tidak sesuai untuk mengukur gas alkali.

>> Kaedah paramagnet (menggunakan jenis mekanikal magnetik sebagai contoh)

Kaedah paramagnet untuk pengukuran oksigen adalah berdasarkan sifat oksigen ialah bahan paramagnet dan kerentanan magnet isipadunya mencapai k=1062×10−6 (CGSM) pada 20 ℃. Kerentanan magnet isipadu gas lain (kecuali NO) adalah jauh lebih rendah daripada oksigen. Sehubungan itu, kaedah paramagnet telah lama menjadi salah satu kaedah yang paling berkesan untuk analisis kandungan oksigen.

Penganalisis oksigen magnetik-mekanikal merupakan salah satu instrumen perwakilan yang menggunakan kaedah paramagnet untuk analisis kandungan oksigen. Wayar platinum dililit di sekeliling sfera untuk membentuk gelung maklum balas elektrik. Sfera digantung dalam medan magnet, dengan reflektor kecil dipasang di tengahnya. Sumber cahaya yang terbina dalam instrumen memancarkan pancaran cahaya, yang dipantulkan oleh reflektor dan diterima oleh fotopengesan yang diperbuat daripada komponen fotosensitif. Apabila molekul oksigen terdapat di sekeliling sfera dumbbell, ia berhijrah di bawah pengaruh medan magnet dan menolak dumbbell untuk memesongkan. Semakin tinggi kepekatan oksigen, semakin besar sudut pesongan.

Pesongan ini menggerakkan reflektor, menyebabkan laluan cahaya yang diarahkan ke arah fotopengesan turut terpesong. Fotopengesan menangkap pesongan dan menghasilkan isyarat elektrik. Selepas dikuatkan oleh penguat, isyarat tersebut melalui litar maklum balas untuk membentuk gelung tertutup, yang memacu dumbbell kembali ke kedudukan keseimbangan utamanya di bawah pengaruh medan magnet. Arus dalam gelung ini berkadar terus dengan kandungan oksigen. Kandungan oksigen sampel gas boleh ditentukan dengan mengukur nilai arus ini.

Pada masa yang sama, elektrod di sebelah ini menjadi bercas positif dan bertindak sebagai kutub positif atau anod sel kepekatan oksigen. Ion oksigen berhijrah melalui kekosongan dalam kekisi kristal zirkonia ke bahagian bertentangan dengan kandungan oksigen yang lebih rendah, di mana ia kehilangan elektron pada elektrod platinum untuk membentuk molekul oksigen, iaitu:

Sementara itu, elektrod ini bercas negatif, berfungsi sebagai elektrod negatif atau katod sel kepekatan oksigen. Pengumpulan cas positif dan negatif pada kedua-dua elektrod menghasilkan potensi elektrik tertentu. Potensi ini berkorelasi dengan kandungan oksigen gas di kedua-dua belah zirkonia dan mematuhi persamaan Nernst:

E: Potensi kepekatan oksigen (mV);

R: Pemalar gas, 8.3145 J/mol·K;

T: Suhu operasi prob zirkonia yang dinyatakan dalam suhu mutlak (K) = 273.15 + t (°C);

n: Bilangan elektron yang mengambil bahagian dalam tindak balas; untuk oksigen, n = 4;

F: Pemalar Faraday, 96485.3365 (C/mol);

P0: Tekanan separa oksigen dalam gas rujukan;

P1: Tekanan separa oksigen dalam gas sampel.

Persamaan ini merupakan asas untuk mengukur kandungan oksigen dalam gas menggunakan kaedah sel kepekatan zirkonia. Dalam pengukuran sebenar, tiub zirkonia dipanaskan hingga 600~1400 ℃. Pada bahagian rujukan tiub zirkonia, gas dengan kandungan oksigen yang diketahui dan agak tinggi seperti udara (P0​=20.6%) dimasukkan sebagai gas rujukan, manakala bahagian yang satu lagi diisi dengan gas yang akan diukur. Dengan mengukur potensi sel kepekatan E dan suhu mutlak prob zirkonia, tekanan separa oksigen (P1) gas yang akan diukur dapat dikira, dan seterusnya kepekatan oksigen gas sampel diperoleh.

Kelebihan kaedah ini termasuk kepekaan yang tinggi, masa tindak balas yang pantas, julat linear yang luas, dan kebolehulangan serta kestabilan yang baik. Berbanding dengan penganalisis dalam kaedah oksigen magnetik, penganalisis oksigen dalam zirkonia mempunyai struktur dalaman yang lebih ringkas; ia hampir tidak terjejas oleh keadaan persekitaran luaran seperti suhu dan getaran, dan hampir tidak memerlukan penyelenggaraan berikutnya. Walau bagaimanapun, ia juga mempunyai kelemahan yang jelas. Memandangkan elektron hanya boleh berhijrah melalui bahan zirkonia pada suhu yang agak tinggi, instrumen mesti dilengkapi dengan relau pemanasan untuk memanaskan tiub zirkonia, yang menghasilkan masa pemanasan yang lama sebelum instrumen boleh beroperasi secara normal. Tambahan pula, apabila mengukur kepekatan oksigen, kaedah zirkonia terjejas oleh gas penurunan yang terdapat dalam gas sampel, yang membawa kepada keputusan pengukuran yang lebih rendah. Oleh itu, ia tidak sesuai untuk menentukan kepekatan oksigen dalam gas yang mengandungi bahan penurunan atau tahap gas penurunan yang tinggi. Ini amat penting apabila mengukur sampel gas pada tahap ppm, di mana kesan gas penurunan terhadap keputusan pengukuran mesti dipertimbangkan dengan teliti. Di samping itu, apabila kepekatan oksigen dalam gas sampel melebihi kepekatan udara (20.6%), adalah perlu bukan sahaja untuk menggunakan gas dengan kepekatan yang lebih tinggi sebagai gas rujukan untuk memastikan perbezaan keupayaan positif tetapi juga untuk mengubah suai sel pengesan zirkonia, yang meningkatkan kos instrumen dengan ketara.

Kaedah pengukuran oksigen laser adalah berdasarkan sifat molekul oksigen untuk menyerap cahaya laser dengan panjang gelombang tertentu. Di dalam instrumen, diod laser menghasilkan pancaran laser dengan panjang gelombang tetap dengan keamatan bercahaya yang diketahui. Pancaran memasuki sel pengukuran yang diisi dengan sampel gas yang akan diuji. Selepas memantulkan bolak-balik beberapa kali antara dua pemantul pada dua sisi sel pengukuran, sebahagian daripada cahaya diserap oleh oksigen yang terkandung dalam sampel gas. Pancaran cahaya yang tinggal dipantulkan ke pengumpul dan kemudian ditangkap.

Menurut hukum Beer, nisbah keamatan pancaran cahaya yang diserap kepada keamatan cahaya asal adalah berkadar terus dengan kandungan oksigen dalam sampel gas:

Dalam persamaan

I0: Keamatan cahaya awal;

I: Keamatan cahaya yang tinggal selepas penyerapan oleh oksigen dalam sampel gas;

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

L: Panjang laluan optik;

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

Oleh itu, kandungan oksigen dalam sampel gas boleh ditentukan dengan mengukur keamatan cahaya awal dan keamatan cahaya selepas penyerapan. Memandangkan panjang gelombang laser yang dipilih adalah spesifik, keputusan pengukuran hampir tidak terjejas oleh gas lain. Tambahan pula, penggunaan nisbah I/I0 untuk pengiraan hampir menghapuskan kesan variasi dalam keamatan sumber cahaya, pemantulan cermin dan peralatan elektrik. Pada masa ini, instrumen buatan domestik yang menerima pakai prinsip ini agak mahal, dan kestabilan prestasinya masih perlu diperbaiki lagi.