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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?#39318;?#25104;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?#22659;?#39135;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?#38382;?#27979;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?#26412;?#38050;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?#26412;?#38050;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?#22266;?#28857;
                  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ZrO2Y2O3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?#26412;?#20307;在高温下它变成立方晶体(萤石型)但当它冷却后又变为单?#26412;?#20307;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''O2ZrO2Y2O3P'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棩氧就会从分压大的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
                                       O2P''O2+4e2O2-
                  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?#20063;?#30340;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
                                       2O2-4eO2P'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?#32933;保?#36127;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?#22266;?#26041;程给出
                                E=RT/4Fln(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?#20852;?#20010;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
                  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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