หลักการวัดปริมาณออกซิเจนล่าสุด: เครื่องวิเคราะห์ออกซิเจนแบบไอออนโฟลว์ 3 มิติ

วิธีการเหล่านี้ได้แก่ วิธีการดูดซับสารละลายทองแดง-แอมโมเนีย วิธีเซลล์เชื้อเพลิง วิธีพาราแมกเนติก วิธีศักยภาพความเข้มข้นของเซอร์โคเนีย และวิธีเลเซอร์ หลักการ ข้อดี และข้อเสียจะอธิบายโดยสังเขปดังต่อไปนี้:

สารละลายทองแดง-แอมโมเนียเตรียมได้โดยการใส่ลวดทองแดงขดลงในสารละลายที่ผสมระหว่างสารละลายแอมโมเนียมคลอไรด์อิ่มตัวและน้ำแอมโมเนียในอัตราส่วนปริมาตร 1:1 เมื่อส่งตัวอย่างก๊าซที่มีออกซิเจนเข้าไปในขวดดูดซับที่มีสารละลายทองแดง-แอมโมเนีย ทองแดงจะถูกออกซิไดซ์โดยออกซิเจนในตัวอย่างในสภาวะที่มีแอมโมเนีย ทำให้เกิดทองแดงออกไซด์ (CuO) และคิวปรัสออกไซด์ (Cu2O) สมการปฏิกิริยาแสดงดังต่อไปนี้:

ออกไซด์ของทองแดงและออกไซด์ของคิวปรัสที่เกิดขึ้นจะทำปฏิกิริยากับน้ำแอมโมเนียและแอมโมเนียมคลอไรด์ตามลำดับ เพื่อสร้างเกลือคิวปริกที่ละลายได้ Cu(NH3)2Cl2 และเกลือคิวปรัส Cu2(NH3)2Cl2 เกลือคิวปรัสจะดูดซับออกซิเจนและเปลี่ยนเป็นเกลือคิวปริก ในขณะที่เกลือคิวปริกจะถูกรีดิวซ์กลับไปเป็นเกลือคิวปรัสโดยทองแดง วัฏจักรนี้จะดำเนินต่อไปจนกว่าออกซิเจนในแก๊สจะถูกใช้หมด ปริมาณออกซิเจน (ความเข้มข้นร้อยละโดยปริมาตร) ในแก๊สสามารถกำหนดได้ตามการลดลงของปริมาตรแก๊ส

นี่เป็นวิธีการวัดปริมาณออกซิเจนแบบดั้งเดิม ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในการตัดสินชี้ขาดด้วยต้นทุนต่ำ ยังคงมีการใช้งานในห้องปฏิบัติการก๊าซและสถาบันทดสอบหลายแห่ง อย่างไรก็ตาม โดยทั่วไปแล้วจะใช้ได้กับตัวอย่างก๊าซที่มีปริมาณออกซิเจนต่ำกว่า 99.9% เท่านั้น ข้อเสียของวิธีนี้ ได้แก่ ความจำเป็นในการเตรียมสารละลายและการพันลวดทองแดง ซึ่งค่อนข้างยุ่งยาก กระบวนการวัดทั้งหมดต้องดำเนินการด้วยตนเอง ทำให้ไม่เหมาะสำหรับการวิเคราะห์ต่อเนื่องแบบออนไลน์ และการมีก๊าซออกซิไดซ์อื่นๆ ในตัวอย่างก๊าซจะรบกวนผลการวัด นอกจากนี้ เนื่องจากอุปกรณ์ดูดซับทั้งหมดทำจากแก้ว จึงมีโอกาสแตกหักได้ง่าย

>> วิธีการเซลล์เชื้อเพลิง

โดยทั่วไปแล้ว เซลล์เชื้อเพลิงประกอบด้วยอิเล็กโทรดโลหะเฉื่อย (แคโทด) อิเล็กโทรดตะกั่ว (หรือกราไฟต์) (แอโนด) และอิเล็กโทรไลต์ (มีทั้งแบบกรดและด่าง) แคโทดและแอโนดแต่ละอันเชื่อมต่อกับแผ่นโลหะที่ทำหน้าที่เป็นตัวนำอิเล็กโทรด อิเล็กโทรไลต์ไหลผ่านรูทรงกลมจำนวนมากบนแคโทดและก่อตัวเป็นชั้นอิเล็กโทรไลต์บาง ๆ บนพื้นผิวแคโทด เหนือชั้นอิเล็กโทรไลต์บาง ๆ นี้จะมีเยื่อโพลีเตตระฟลูออโรเอทิลีน (PTFE) ที่ยอมให้ก๊าซผ่านได้ ตัวอย่างก๊าซจะผ่านเยื่อที่ยอมให้ก๊าซผ่านได้และเข้าสู่แคโทด ซึ่งออกซิเจนจะทำปฏิกิริยากับอิเล็กโทรไลต์ ไอออน OH⁻ ที่เกิดขึ้นจะเคลื่อนที่ไปยังแอโนดภายใต้การทำงานของสนามไฟฟ้าและสูญเสียอิเล็กตรอนที่แอโนดเพื่อสร้างน้ำ ยกตัวอย่างเช่น หากใช้เงินเป็นวัสดุแอโนด สมการปฏิกิริยาเคมีจะเป็นดังนี้:

แคโทดเงิน: O₂+2H₂O+4e→4OH-

ขั้วบวกตะกั่ว: 2Pb + 4OH- → 2 PbO + 2H₂O + 4e

ปฏิกิริยารวมของเซลล์: 2Pb + O₂→2 PbO

ความเข้มของกระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้นจากการเคลื่อนที่ของ OH− นั้นแปรผันตรงกับปริมาณออกซิเจนในตัวอย่างก๊าซ สามารถหาปริมาณออกซิเจนในตัวอย่างได้โดยการวัดกระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้นในเซลล์เชื้อเพลิง

ข้อดีของวิธีนี้คือ เซลล์เชื้อเพลิงมีโครงสร้างที่เรียบง่าย ขนาดกะทัดรัด และเวลาตอบสนองที่รวดเร็ว ดังนั้น เครื่องวิเคราะห์ออกซิเจนที่ใช้วิธีนี้จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานแบบพกพาและมีราคาไม่แพงนัก อย่างไรก็ตาม เซลล์เชื้อเพลิงเป็นอุปกรณ์ตรวจวัดแบบสิ้นเปลือง อายุการใช้งานขึ้นอยู่กับปริมาณออกซิเจนสะสมทั้งหมดที่ไหลผ่านเซ็นเซอร์ ขั้วไฟฟ้าแอโนดจะถูกใช้ไปอย่างต่อเนื่องผ่านปฏิกิริยาเคมีในระหว่างการวัด เมื่อหมดลง เซลล์เชื้อเพลิงจะเสียและต้องเปลี่ยนใหม่ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เมื่อวัดตัวอย่างก๊าซที่มีปริมาณออกซิเจนสูงกว่า 90% การเปลี่ยนแปลงรายเดือนอาจเกิน 1% นอกจากนี้ ควรสังเกตว่าเซลล์เชื้อเพลิงที่มีอิเล็กโทรไลต์เป็นด่างไม่เหมาะสำหรับการวิเคราะห์ปริมาณออกซิเจนในก๊าซที่เป็นกรด ในขณะที่เซลล์เชื้อเพลิงที่มีอิเล็กโทรไลต์เป็นกรดไม่เหมาะสำหรับการวัดก๊าซที่เป็นด่าง

>> วิธีการพาราแมกเนติก (โดยใช้แบบแม่เหล็กเชิงกลเป็นตัวอย่าง)

วิธีการวัดออกซิเจนโดยใช้หลักการพาราแมกเนติกนั้นอาศัยคุณสมบัติที่ว่าออกซิเจนเป็นสารพาราแมกเนติก และค่าความไวต่อสนามแม่เหล็กต่อปริมาตรของออกซิเจนมีค่าสูงถึง k=1062×10−6 (CGSM) ที่อุณหภูมิ 20 ℃ ค่าความไวต่อสนามแม่เหล็กต่อปริมาตรของก๊าซอื่นๆ (ยกเว้น NO) นั้นต่ำกว่าของออกซิเจนมาก ดังนั้น วิธีการพาราแมกเนติกจึงเป็นหนึ่งในวิธีการที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดสำหรับการวิเคราะห์ปริมาณออกซิเจนมาอย่างยาวนาน

เครื่องวิเคราะห์ออกซิเจนแบบแม่เหล็กเชิงกลเป็นหนึ่งในเครื่องมือที่เป็นตัวแทนของการใช้วิธีพาราแมกเนติกในการวิเคราะห์ปริมาณออกซิเจน โดยใช้ลวดแพลทินัมพันรอบทรงกลมเพื่อสร้างวงจรป้อนกลับทางไฟฟ้า ทรงกลมเหล่านี้ถูกแขวนไว้ในสนามแม่เหล็ก โดยมีแผ่นสะท้อนแสงขนาดเล็กติดตั้งอยู่ตรงกลาง แหล่งกำเนิดแสงที่ติดตั้งอยู่ในเครื่องมือจะปล่อยลำแสงออกมา ซึ่งจะสะท้อนโดยแผ่นสะท้อนแสงและรับโดยโฟโตดีเทคเตอร์ที่ทำจากส่วนประกอบไวแสง เมื่อมีโมเลกุลออกซิเจนอยู่รอบๆ ทรงกลมรูปทรงดัมเบล โมเลกุลเหล่านั้นจะเคลื่อนที่ภายใต้อิทธิพลของสนามแม่เหล็กและผลักให้ดัมเบลเบี่ยงเบน ยิ่งความเข้มข้นของออกซิเจนสูงเท่าไร มุมการเบี่ยงเบนก็จะยิ่งใหญ่ขึ้นเท่านั้น

การเบี่ยงเบนนี้ทำให้ตัวสะท้อนแสงเคลื่อนที่ ส่งผลให้เส้นทางแสงที่พุ่งไปยังตัวตรวจจับแสงเบี่ยงเบนไปด้วย ตัวตรวจจับแสงจะจับการเบี่ยงเบนและสร้างสัญญาณไฟฟ้า หลังจากขยายสัญญาณด้วยเครื่องขยายสัญญาณแล้ว สัญญาณจะผ่านวงจรป้อนกลับเพื่อสร้างวงปิด ซึ่งจะขับเคลื่อนวัตถุรูปทรงดัมเบลกลับไปยังตำแหน่งสมดุลหลักภายใต้อิทธิพลของสนามแม่เหล็ก กระแสในวงจรนี้เป็นสัดส่วนโดยตรงกับปริมาณออกซิเจน ปริมาณออกซิเจนในตัวอย่างก๊าซสามารถหาได้โดยการวัดค่ากระแสนี้

ในขณะเดียวกัน ขั้วไฟฟ้าด้านนี้จะกลายเป็นประจุบวกและทำหน้าที่เป็นขั้วบวกหรือแอโนดของเซลล์ความเข้มข้นของออกซิเจน ไอออนของออกซิเจนจะเคลื่อนที่ผ่านช่องว่างในโครงผลึกเซอร์โคเนียไปยังด้านตรงข้ามที่มีปริมาณออกซิเจนต่ำกว่า ซึ่งไอออนของออกซิเจนจะสูญเสียอิเล็กตรอนที่ขั้วไฟฟ้าแพลทินัมเพื่อสร้างโมเลกุลของออกซิเจน กล่าวคือ:

ในขณะเดียวกัน ขั้วไฟฟ้าด้านนี้จะถูกทำให้มีประจุลบ ทำหน้าที่เป็นขั้วลบหรือแคโทดของเซลล์ความเข้มข้นของออกซิเจน การสะสมของประจุบวกและลบที่ขั้วไฟฟ้าทั้งสองจะสร้างศักย์ไฟฟ้าค่าหนึ่ง ศักย์ไฟฟ้านี้มีความสัมพันธ์กับปริมาณออกซิเจนของก๊าซทั้งสองด้านของเซอร์โคเนียและเป็นไปตามสมการเนิร์นสต์:

E: ศักยภาพความเข้มข้นของออกซิเจน (มิลลิโวลต์)

R: ค่าคงที่ของแก๊ส 8.3145 J/mol·K;

T: อุณหภูมิการทำงานของหัววัดเซอร์โคเนียที่แสดงในหน่วยอุณหภูมิสัมบูรณ์ (K) = 273.15 + t (°C)

n: จำนวนอิเล็กตรอนที่เข้าร่วมในปฏิกิริยา สำหรับออกซิเจน n = 4;

F: ค่าคงที่ฟาราเดย์ 96485.3365 (C/mol);

P0: ความดันย่อยของออกซิเจนในก๊าซอ้างอิง;

P1: ความดันย่อยของออกซิเจนในก๊าซตัวอย่าง

สมการนี้เป็นพื้นฐานสำหรับการวัดปริมาณออกซิเจนในก๊าซโดยใช้วิธีเซลล์ความเข้มข้นเซอร์โคเนีย ในการวัดจริง ท่อเซอร์โคเนียจะถูกให้ความร้อนที่อุณหภูมิ 600~1400 ℃ ด้านอ้างอิงของท่อเซอร์โคเนียจะป้อนก๊าซที่มีปริมาณออกซิเจนที่ทราบและค่อนข้างสูง เช่น อากาศ (P0​=20.6%) เป็นก๊าซอ้างอิง ในขณะที่อีกด้านหนึ่งจะป้อนก๊าซที่ต้องการวัด โดยการวัดศักย์ไฟฟ้าของเซลล์ความเข้มข้น E และอุณหภูมิสัมบูรณ์ของหัววัดเซอร์โคเนีย จะสามารถคำนวณความดันย่อยของออกซิเจน (P1) ของก๊าซที่ต้องการวัดได้ และด้วยเหตุนี้จึงได้ความเข้มข้นของออกซิเจนในก๊าซตัวอย่าง

ข้อดีของวิธีนี้ ได้แก่ ความไวสูง เวลาตอบสนองรวดเร็ว ช่วงเชิงเส้นกว้าง และความสามารถในการทำซ้ำและความเสถียรที่ดี เมื่อเปรียบเทียบกับเครื่องวิเคราะห์ออกซิเจนด้วยวิธีแม่เหล็ก เครื่องวิเคราะห์ออกซิเจนในเซอร์โคเนียมีโครงสร้างภายในที่เรียบง่ายกว่า แทบจะไม่ได้รับผลกระทบจากสภาพแวดล้อมภายนอก เช่น อุณหภูมิและการสั่นสะเทือน และแทบไม่ต้องบำรุงรักษาเพิ่มเติม อย่างไรก็ตาม วิธีนี้ก็มีข้อเสียที่เห็นได้ชัดเช่นกัน เนื่องจากอิเล็กตรอนสามารถเคลื่อนที่ผ่านวัสดุเซอร์โคเนียได้เฉพาะที่อุณหภูมิค่อนข้างสูงเท่านั้น เครื่องมือจึงต้องมีเตาให้ความร้อนเพื่อให้ความร้อนแก่ท่อเซอร์โคเนีย ซึ่งส่งผลให้ต้องใช้เวลานานในการอุ่นเครื่องก่อนที่เครื่องมือจะทำงานได้ตามปกติ นอกจากนี้ เมื่อวัดความเข้มข้นของออกซิเจน วิธีเซอร์โคเนียจะได้รับผลกระทบจากก๊าซรีดิวซ์ที่มีอยู่ในก๊าซตัวอย่าง ทำให้ผลการวัดต่ำลง ดังนั้นจึงไม่เหมาะสำหรับการหาความเข้มข้นของออกซิเจนในก๊าซที่มีสารรีดิวซ์หรือก๊าซรีดิวซ์ในระดับสูง ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งเมื่อวัดตัวอย่างก๊าซในระดับ ppm ที่ต้องพิจารณาผลกระทบของก๊าซรีดิวซ์ต่อผลการวัดอย่างรอบคอบ นอกจากนี้ เมื่อความเข้มข้นของออกซิเจนในก๊าซตัวอย่างเกินกว่าความเข้มข้นของออกซิเจนในอากาศ (20.6%) ไม่เพียงแต่จำเป็นต้องใช้ก๊าซที่มีความเข้มข้นสูงกว่าเป็นก๊าซอ้างอิงเพื่อให้แน่ใจว่ามีความต่างศักย์เป็นบวกเท่านั้น แต่ยังต้องปรับเปลี่ยนเซลล์ตรวจจับเซอร์โคเนีย ซึ่งจะทำให้ต้นทุนของเครื่องมือเพิ่มขึ้นอย่างมากอีกด้วย

วิธีการวัดออกซิเจนด้วยเลเซอร์นั้นอาศัยคุณสมบัติของโมเลกุลออกซิเจนในการดูดซับแสงเลเซอร์ที่มีความยาวคลื่นจำเพาะ ภายในเครื่องมือ เลเซอร์ไดโอดจะสร้างลำแสงเลเซอร์ที่มีความยาวคลื่นคงที่และมีความเข้มแสงที่ทราบค่า ลำแสงจะเข้าสู่เซลล์วัดที่บรรจุตัวอย่างก๊าซที่จะทดสอบ หลังจากสะท้อนไปมาหลายครั้งระหว่างตัวสะท้อนสองตัวที่อยู่ด้านข้างของเซลล์วัด ส่วนหนึ่งของแสงจะถูกดูดซับโดยออกซิเจนที่อยู่ในตัวอย่างก๊าซ ส่วนที่เหลือของลำแสงจะสะท้อนไปยังตัวเก็บรวบรวมและถูกบันทึกไว้

ตามกฎของเบียร์ อัตราส่วนของความเข้มของลำแสงที่ถูกดูดซับต่อความเข้มของแสงดั้งเดิมจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับปริมาณออกซิเจนในตัวอย่างก๊าซ:

ในสมการ

I0: ความเข้มแสงเริ่มต้น;

I: ความเข้มแสงที่เหลืออยู่หลังจากถูกดูดซับโดยออกซิเจนในตัวอย่างก๊าซ;

S: ค่าคงที่การดูดกลืนแสงของออกซิเจนสำหรับเลเซอร์ที่ความยาวคลื่นเฉพาะ

L: ความยาวของเส้นทางแสง;

N: จำนวนโมเลกุลออกซิเจนตามเส้นทางแสง ซึ่งสัมพันธ์กับปริมาณออกซิเจนในก๊าซตัวอย่าง

ดังนั้น ปริมาณออกซิเจนในตัวอย่างก๊าซสามารถหาได้โดยการวัดความเข้มแสงเริ่มต้นและความเข้มแสงหลังจากการดูดซับ เนื่องจากความยาวคลื่นเลเซอร์ที่เลือกนั้นเฉพาะเจาะจง ผลการวัดจึงแทบไม่ได้รับผลกระทบจากก๊าซอื่นๆ นอกจากนี้ การใช้ค่าอัตราส่วน I/I0 ในการคำนวณยังช่วยขจัดผลกระทบจากการเปลี่ยนแปลงความเข้มของแหล่งกำเนิดแสง การสะท้อนแสงของกระจก และอุปกรณ์ไฟฟ้าได้อย่างแทบจะหมดสิ้น ปัจจุบัน เครื่องมือที่ผลิตในประเทศที่ใช้หลักการนี้มีราคาค่อนข้างสูง และความเสถียรของประสิทธิภาพยังคงต้องการการปรับปรุงเพิ่มเติม