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氧化锆原理

 
作者:卢瑞祥
 
2008-12-24 15:01:54
  
 

      氧化锆氧传感器是采用氧化锆固体电解质组成的氧浓度差电池来测氧的传敢器。它是本世纪6O年代才兴起的。属于固体离子学中一个重要应用方面.这类氧传感器已在国内外广泛用于工业炉窑优化燃烧,产生了显著的节能效果;广泛用于汽车尾气测量,明显地改善了城市环境污染;广泛用于钢液测氧,大大提高了优质钢的质量和产量;广泛用于惰性气体中测氧,其灵敏度和测氧范围非其它氧量计可比。本文从理论分折和实际应用两个方面阐述了上述问题。氧化锆传感器的主要应用可归纳为以下五个方面:
1.烟气测氧:主要用于发电厂、炼油厂、钢铁厂、化工厂、轻纺印染厂、食品加工厂、等企业。
2.汽车尾气测量:目前主要用于载人的小汽车和轿车等。
3.钢液测氧:主要用于钢铁公司和炼铜厂等冶炼企业。
4.惰性气体测氧:主要用于钢铁公司、空分厂、化肥厂和电子企业等。
5.物化研究:主要用于高温氧化还原反应中热力学和动力学参数测定。
      我国从1975年起也迅速开展了这一应用领域的研究工作。中国原子能科学研究院、北京钢铁学院和中国科学院t海硅酸盐研究所等单位均在不同应用方面取得了重要成果。其中中国原子能科学研究院研制成功了烟气铡氧传感器和惰丝气体铡氧传感器,北京钢铁学院研制成功了钢液定氧传感均达到或接近国外水平,并在我国得到了推广应用。       

氧化锆传感器的测量原理以及结构特点:
氧化锆传感器的核心构件是氧化锆固体电解质,氧化锆固体电解质是由多元氧化物组成的。常用的这类电解质有ZrO2·Y2O3,它由二元氧化物组成,其中,ZrO2称为基体,Y2O3称为稳定剂。ZrO2在常温下是单斜晶体,在高温下它变成立方晶体(萤石型),但当它冷却后又变为单斜晶体,因此纯氧化锆的晶型是不稳定的。所以当在ZrO2中掺人一定量的稳定剂Y2O3时,由于Y3+置换了Zr4+的位置,一方面在晶体中留下了氧离子空穴,另一方面由于晶体内部应力变化的原因,该晶体冷却后仍保留立方晶体,因此又称它为稳定氧化锆。据上分析,稳定氧化锆在高温下(650℃以上)是氧离子的良好导体。
典型的氧化锆传感器是
              Pt,P''O2│ZrO2·Y2O3│P'O2,Pt
在上述电池中,Pt表示两个铂电极,它是涂制在氧化锆电解质的两边,两种氧分压为P''O2和P'O2的气体分别通过电解质的两边。作为氧传感器,其中P''O2是参比气,例如通人空气(20.6%O2),P'O2是待测气,例如通入烟气。在高温下,由于氧化锆电解质是良好的氧离子导体,上述电池便是一个典型的氧浓差电池。
      在高温下(650---850℃),氧就会从分压大的P''O2一侧向分压小的P'O2侧扩散,这种扩散,不是氧分子透过氧化锆从P''O2侧到P'O2侧,而是氧分子离解成氧离子后,通过氧化锆的过程。在750℃左右的高温中,在铂电极的催化作用下,在电池的P''O2侧发生还原反应,一个氧分子从铂电极取得4个电子,变成两个氧离子(O2-)进入电解质,即:
                     O2(P''O2)+4e→2O2-
P''O2侧铂电极由于大量给出电子而带正电,成为氧浓差电池的正极或阳极。这些氧离子进入电解质后,通过晶体中的空穴向前运动到达右侧的铂电极,在电池的P'O2侧发生氧化反应,氧离子在铂电极上释放电子并结合成氧分子析出,即:
                     2O2--4e→O2(P'O2
P'O2侧铂电极由于大量得到电子而带负电,成为氧浓差电池的负极或阴极。这样在两个电极上,由于正负电荷的堆积而形成一个电势,称之为氧浓差电动势。当用导线将两个电极连成电路时,负极上的电子就会通过外电路流到正极,再供给氧分子形成离子,电路中就有电流通过。
其池电势由能斯特方程给出:
              E=RT/4F×ln(P''O2/P'O2)
式中R为气体常数,T为电池的热力学温度(K),F为法拉第常数.(1)式是在理想状态下导出的, 必须具有四个条件:(1)两边的气体均为理想气体;(2)整个电池处于恒温恒压系统中;(3)浓差电池是可逆的;(4)电池中不存在任何附加电势。因此称(1)式为氧化锆传感器的理论方程。由(1)式可见由于参比气氧含量P''O2是已知的,因此测得E值后便可求得待测气体氧含量P'O2值。
当电池工作温度固定于700℃时,上式为:
                     E=48.26lg(P''O2/P'O2)
由上式,在温度700℃时,当固体电介质一侧氧分压为空气(20.6%) 时,由浓差电池输出电动势E,就可以计算出固体电介质另一侧氧分压,这就是氧化锆氧量分析仪的测氧原理。

 
 
 
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