Nguyên lý đo hàm lượng oxy mới nhất: Máy phân tích oxy dòng ion 3D
Tóm tắt
Thông qua mô tả nguyên lý đo độ tinh khiết của oxy như "Loại hấp phụ amoniac đồng", "Loại pin nhiên liệu", "Loại từ tính", "Loại ZrO2" và "Loại laser", v.v., bài viết này giới thiệu một loại máy phân tích oxy tiên tiến khác, "Loại dòng ion 3D".
Từ khóa: Đồng amoni; Pin nhiên liệu; Oxy từ tính; ZrO2; Laser; Loại dòng ion; Máy phân tích oxy.
Hàm lượng oxy là một chỉ số quan trọng trong nhiều quy trình sản xuất công nghiệp, ảnh hưởng trực tiếp đến năng lực sản xuất, tốc độ, hiệu quả và an toàn. Do đó, việc đo hàm lượng oxy một cách nhanh chóng, thuận tiện, chính xác và đáng tin cậy là rất cần thiết để điều chỉnh và kiểm soát kịp thời. Phương pháp dòng ion 3D là một công nghệ phát hiện oxy mới được phát triển để đáp ứng nhu cầu này. So với các phương pháp đo oxy truyền thống, phương pháp này mang lại những ưu điểm vượt trội về tốc độ phản hồi, độ ổn định, chi phí thiết bị và tuổi thọ cảm biến, đặc biệt phù hợp cho việc phân tích hàm lượng oxy cao.
Các phương pháp truyền thống để đo hàm lượng oxy
Nó bao gồm phương pháp hấp thụ dung dịch đồng-amoniac, phương pháp pin nhiên liệu, phương pháp từ tính, phương pháp điện thế tập trung zirconia và phương pháp laser. Nguyên lý, ưu điểm và nhược điểm được mô tả ngắn gọn như sau:
>> Phương pháp hấp thụ dung dịch đồng-amoniac
Dung dịch đồng-amoniac được điều chế bằng cách đặt dây đồng xoắn ốc vào dung dịch được trộn với dung dịch amoni clorua bão hòa và nước amoniac theo tỷ lệ thể tích 1:1. Khi mẫu khí chứa oxy được dẫn vào bình hấp thụ chứa dung dịch đồng-amoniac, đồng bị oxy hóa bởi oxy trong mẫu khí dưới sự có mặt của amoniac, tạo ra đồng oxit (CuO) và đồng(I) oxit (Cu2O). Các phương trình phản ứng được thể hiện như sau:
Đồng oxit và đồng(I) oxit được tạo ra phản ứng tương ứng với dung dịch amoniac và amoni clorua để tạo thành muối đồng(II) hòa tan Cu(NH3)2Cl2 và muối đồng(I) Cu2(NH3)2Cl2. Muối đồng(I) hấp thụ oxy và chuyển hóa thành muối đồng(II), trong khi muối đồng(II) bị khử trở lại thành muối đồng(I) bởi đồng. Chu trình này tiếp tục cho đến khi oxy trong khí được tiêu thụ hoàn toàn. Hàm lượng oxy (nồng độ phần trăm thể tích) trong khí có thể được xác định dựa trên sự giảm thể tích khí.
Đây là phương pháp cổ điển để đo hàm lượng oxy, được sử dụng rộng rãi để phân tích chuẩn với chi phí thấp. Phương pháp này vẫn được sử dụng trong nhiều phòng thí nghiệm khí và các cơ sở kiểm định. Tuy nhiên, nó thường chỉ áp dụng được cho các mẫu khí có hàm lượng oxy dưới 99,9%. Nhược điểm của phương pháp này bao gồm việc cần phải chuẩn bị dung dịch và quấn dây đồng, khá phức tạp; toàn bộ quá trình đo đòi hỏi thao tác thủ công, khiến nó không phù hợp cho việc phân tích liên tục trực tuyến; và sự hiện diện của các khí oxy hóa khác trong mẫu khí sẽ gây nhiễu kết quả đo. Hơn nữa, vì toàn bộ thiết bị hấp thụ được làm bằng thủy tinh nên dễ bị vỡ.
>> Phương pháp pin nhiên liệu
Một pin nhiên liệu thường bao gồm một điện cực kim loại trơ (cathode), một điện cực chì (hoặc than chì) (anode) và một chất điện phân (có loại axit và kiềm). Mỗi cathode và anode được nối với một tấm kim loại đóng vai trò là dây dẫn điện cực. Chất điện phân tràn qua nhiều lỗ tròn trên cathode và tạo thành một lớp điện phân mỏng trên bề mặt cathode. Phủ trên lớp điện phân mỏng này là một màng polytetrafluoroethylene (PTFE) thấm khí. Mẫu khí đi qua màng thấm và đi vào cathode, nơi oxy phản ứng với chất điện phân. Các ion OH⁻ được tạo ra di chuyển đến anode dưới tác dụng của điện trường và mất electron tại anode để tạo thành nước. Lấy bạc làm vật liệu anode làm ví dụ, phương trình phản ứng hóa học như sau:
Cực âm bạc: O₂+2H₂O+4e→4OH-
Anode chì: 2Pb + 4OH- → 2 PbO + 2H₂O + 4e⁻
Phản ứng tổng quát của pin: 2Pb + O₂ → 2 PbO
Cường độ dòng điện sinh ra do sự di chuyển của OH− tỷ lệ thuận với hàm lượng oxy trong mẫu khí. Hàm lượng oxy trong mẫu có thể được xác định bằng cách đo dòng điện sinh ra trong pin nhiên liệu.
Ưu điểm của phương pháp này là pin nhiên liệu có cấu trúc đơn giản, kích thước nhỏ gọn và thời gian phản hồi nhanh. Do đó, các máy phân tích oxy dựa trên phương pháp này rất phù hợp cho việc sử dụng di động và có giá thành tương đối thấp. Tuy nhiên, pin nhiên liệu là các thiết bị dò tiêu hao, tuổi thọ của chúng phụ thuộc vào tổng lượng oxy tích lũy chảy qua cảm biến. Điện cực anot liên tục bị tiêu hao thông qua các phản ứng hóa học trong quá trình đo; khi bị cạn kiệt, pin nhiên liệu sẽ hỏng và cần được thay thế. Đặc biệt, khi đo các mẫu khí có hàm lượng oxy cao hơn 90%, độ trôi hàng tháng có thể vượt quá 1%. Ngoài ra, cần lưu ý rằng pin nhiên liệu có chất điện phân kiềm không phù hợp để phân tích hàm lượng oxy trong khí axit, trong khi pin nhiên liệu có chất điện phân axit lại không phù hợp để đo khí kiềm.
>> Phương pháp từ tính thuận (sử dụng loại cơ khí từ tính làm ví dụ)
Phương pháp thuận từ để đo hàm lượng oxy dựa trên tính chất của oxy là chất thuận từ và độ nhạy từ thể tích của nó đạt k=1062×10−6 (CGSM) ở 20 ℃. Độ nhạy từ thể tích của các khí khác (trừ NO) thấp hơn nhiều so với oxy. Do đó, phương pháp thuận từ từ lâu đã là một trong những phương pháp hiệu quả nhất để phân tích hàm lượng oxy.
Máy phân tích oxy từ-cơ học là một trong những thiết bị tiêu biểu áp dụng phương pháp thuận từ để phân tích hàm lượng oxy. Dây bạch kim được quấn quanh các quả cầu để tạo thành một vòng phản hồi điện. Các quả cầu được treo trong một từ trường, với một gương phản xạ nhỏ được gắn ở trung tâm của chúng. Một nguồn sáng tích hợp trong thiết bị phát ra một chùm tia sáng, được phản xạ bởi gương phản xạ và được thu nhận bởi một bộ phận cảm quang được làm từ một thành phần nhạy sáng. Khi các phân tử oxy có mặt xung quanh các quả cầu hình tạ, chúng di chuyển dưới tác động của từ trường và đẩy các quả cầu bị lệch. Nồng độ oxy càng cao, góc lệch càng lớn.
Sự lệch hướng này làm dịch chuyển gương phản xạ, khiến đường đi của ánh sáng hướng tới bộ cảm biến quang cũng bị lệch hướng. Bộ cảm biến quang thu nhận sự lệch hướng này và tạo ra tín hiệu điện. Sau khi được khuếch đại bởi bộ khuếch đại, tín hiệu đi qua mạch phản hồi để tạo thành một vòng kín, đưa quả tạ trở lại vị trí cân bằng ban đầu dưới tác động của từ trường. Dòng điện trong vòng này tỷ lệ thuận với hàm lượng oxy. Hàm lượng oxy trong mẫu khí có thể được xác định bằng cách đo giá trị dòng điện này.
Ưu điểm của phương pháp đo oxy bằng từ tính là phép đo hầu như không bị ảnh hưởng bởi các thành phần không phải mục tiêu trong mẫu khí (ngoại trừ NO và Xe). Phương pháp này phù hợp để đo các mẫu khí có hàm lượng oxy cao, có đặc điểm là phản hồi nhanh và độ ổn định tuyệt vời. Tuy nhiên, phương pháp này cũng có những nhược điểm. Nó đòi hỏi cao về việc xử lý mẫu khí và môi trường đo. Áp suất, bụi, nhựa đường, hơi nước và các tạp chất khác trong mẫu sẽ gây nhiễu kết quả đo và thậm chí có thể làm hỏng cảm biến. Ngoài ra, thiết bị phải được lắp đặt nằm ngang, tránh rung động và từ trường mạnh, và không được đặt gần các thiết bị điện cao thế hoặc đường dây điện. Máy phân tích oxy bằng từ tính khá tinh vi, có cấu trúc bên trong phức tạp và giá thành tương đối cao.
>> Phương pháp điện thế tập trung Zirconia
Ống zirconia được sử dụng trong phương pháp điện thế nồng độ zirconia là một vật liệu gốm zirconia ổn định được chế tạo bằng cách pha trộn vật liệu zirconia với một tỷ lệ nhất định oxit yttrium hoặc oxit canxi và nung ở nhiệt độ cao. Do sự hiện diện của các phân tử oxit yttrium hoặc oxit canxi, các lỗ trống ion oxy tồn tại trong mạng tinh thể lập phương của nó, cho phép nó hoạt động như một chất dẫn ion oxy tuyệt vời ở nhiệt độ cao. Nhờ đặc tính này, ở một nhiệt độ nhất định, khi hàm lượng oxy trong khí ở hai phía của ống zirconia khác nhau, một tế bào nồng độ oxy điển hình được hình thành. Ống zirconia có hình dạng ống, với vật liệu zirconia được phân chia ở giữa. Một lớp kim loại xốp được nung trên mỗi mặt của zirconia làm điện cực (bạch kim, Pt, thường được sử dụng làm vật liệu điện cực). Ở một nhiệt độ nhất định (600°C đến 1400°C), các phân tử oxy từ phía có nồng độ oxy cao hơn sẽ được hấp thụ lên điện cực. Dưới tác dụng xúc tác của bạch kim, phản ứng khử xảy ra, giải phóng electron và tạo thành các ion oxy, như sau:
Đồng thời, điện cực ở phía này trở nên tích điện dương và hoạt động như cực dương hay anot của pin nồng độ oxy. Các ion oxy di chuyển qua các lỗ trống trong mạng tinh thể zirconia đến phía đối diện có hàm lượng oxy thấp hơn, nơi chúng mất electron tại điện cực bạch kim để tạo thành các phân tử oxy, tức là:
Trong khi đó, điện cực này được tích điện âm, đóng vai trò là điện cực âm hay catốt của pin đo nồng độ oxy. Sự tích tụ điện tích dương và âm trên hai điện cực tạo ra một điện thế nhất định. Điện thế này tỷ lệ thuận với hàm lượng oxy trong khí ở cả hai phía của zirconia và tuân theo phương trình Nernst:
Trong phương trình
E: Điện thế nồng độ oxy (mV);
R: Hằng số khí, 8,3145 J/mol·K;
T: Nhiệt độ hoạt động của đầu dò zirconia được biểu thị bằng nhiệt độ tuyệt đối (K) = 273,15 + t (°C);
n: Số electron tham gia phản ứng; đối với oxy, n = 4;
F: Hằng số Faraday, 96485,3365 (C/mol);
P0: Áp suất riêng phần của oxy trong khí tham chiếu;
P1: Áp suất riêng phần của oxy trong khí mẫu.
Phương trình này là cơ sở để đo hàm lượng oxy trong khí bằng phương pháp tế bào nồng độ zirconia. Trong phép đo thực tế, ống zirconia được nung nóng đến 600~1400 ℃. Ở phía tham chiếu của ống zirconia, một loại khí có hàm lượng oxy đã biết và tương đối cao như không khí (P0=20,6%) được đưa vào làm khí tham chiếu, trong khi phía còn lại được cấp khí cần đo. Bằng cách đo điện thế tế bào nồng độ E và nhiệt độ tuyệt đối của đầu dò zirconia, áp suất riêng phần của oxy (P1) của khí cần đo có thể được tính toán, và do đó thu được nồng độ oxy của khí mẫu.
Ưu điểm của phương pháp này bao gồm độ nhạy cao, thời gian phản hồi nhanh, phạm vi tuyến tính rộng, độ tái lập và độ ổn định tốt. So với các máy phân tích oxy bằng phương pháp từ tính, máy phân tích oxy bằng zirconia có cấu trúc bên trong đơn giản hơn; chúng hầu như không bị ảnh hưởng bởi các điều kiện môi trường bên ngoài như nhiệt độ và độ rung, và hầu như không cần bảo trì sau đó. Tuy nhiên, nó cũng có những nhược điểm rõ ràng. Vì electron chỉ có thể di chuyển qua vật liệu zirconia ở nhiệt độ tương đối cao, nên thiết bị phải được trang bị lò nung để làm nóng ống zirconia, dẫn đến thời gian làm nóng lâu trước khi thiết bị có thể hoạt động bình thường. Hơn nữa, khi đo nồng độ oxy, phương pháp zirconia bị ảnh hưởng bởi các khí khử có trong khí mẫu, dẫn đến kết quả đo thấp hơn. Do đó, nó không phù hợp để xác định nồng độ oxy trong khí chứa chất khử hoặc nồng độ khí khử cao. Điều này đặc biệt quan trọng khi đo mẫu khí ở mức ppm, nơi cần phải xem xét cẩn thận tác động của khí khử đến kết quả đo. Ngoài ra, khi nồng độ oxy trong khí mẫu vượt quá nồng độ oxy trong không khí (20,6%), không chỉ cần sử dụng khí có nồng độ cao hơn làm khí tham chiếu để đảm bảo hiệu điện thế dương mà còn phải điều chỉnh buồng dò zirconia, điều này làm tăng đáng kể chi phí của thiết bị.
>> Phương pháp đo nồng độ oxy bằng laser
Phương pháp đo oxy bằng laser dựa trên đặc tính của phân tử oxy là hấp thụ ánh sáng laser có bước sóng xác định. Bên trong thiết bị, một điốt laser tạo ra chùm tia laser có bước sóng cố định và cường độ sáng đã biết. Chùm tia đi vào buồng đo chứa mẫu khí cần kiểm tra. Sau khi phản xạ qua lại nhiều lần giữa hai gương phản xạ ở hai phía của buồng đo, một phần ánh sáng được oxy có trong mẫu khí hấp thụ. Phần ánh sáng còn lại được phản xạ đến bộ thu và được thu lại.
Theo định luật Beer, tỷ lệ giữa cường độ chùm tia sáng bị hấp thụ và cường độ ánh sáng ban đầu tỷ lệ thuận với hàm lượng oxy trong mẫu khí:
Loại laser
Trong phương trình
I0: Cường độ ánh sáng ban đầu;
I: Cường độ ánh sáng còn lại sau khi bị oxy hấp thụ trong mẫu khí;
S: Hằng số hấp thụ của oxy đối với tia laser ở bước sóng cụ thể;
L: Chiều dài đường truyền quang;
N: Số lượng phân tử oxy dọc theo đường truyền quang, có liên quan đến hàm lượng oxy trong khí mẫu;
Do đó, hàm lượng oxy trong mẫu khí có thể được xác định bằng cách đo cường độ ánh sáng ban đầu và cường độ ánh sáng sau khi hấp thụ. Vì bước sóng laser được chọn là cụ thể, kết quả đo hầu như không bị ảnh hưởng bởi các khí khác. Hơn nữa, việc sử dụng tỷ lệ I/I0 để tính toán hầu như loại bỏ ảnh hưởng của sự thay đổi cường độ nguồn sáng, độ phản xạ của gương và thiết bị điện. Hiện nay, các thiết bị sản xuất trong nước áp dụng nguyên lý này tương đối đắt tiền và độ ổn định hiệu suất của chúng vẫn cần được cải thiện hơn nữa.
Công nghệ dòng ion 3D
