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测量溶解氧-原电池法和极谱法的原理以及区别

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溶氧仪实用的膜电极有两种类型:极谱型(Polarography)和原电池型(Galvanic Cell)。极谱型(Polarography):电极中,由黄金(Au)环或铂(Pt)金环作阴极;银-氯化银(或汞-氯化亚汞)作阳极。电解液为氯化钾溶液。阴极外表面覆盖一层透氧薄膜。薄膜可采用聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚乙烯、硅橡胶等透气材料。阴阳两电极之间外加0.5~1.5伏的极化电压。有的极化电压为0.7伏。当溶解氧透过薄膜到达黄金阴极表面,在电极上发生如下反应。

阴极被还原:O2+2H2O+4e→4OHˉ
同时,阳极被氧化:4Clˉ+4Ag-4e→4AgCl
在正常情况下,上述还原-氧化反应产生的扩散电流i∞之值与溶氧浓度成正比。可用下式表示:
i∞=nFA(Pm/L)Cs
式中:i∞-稳定状态的扩散电流
n-得失电子数
F-法拉第常数(96500 库仑)
A-阴极表面积(平方厘米)
Pm-薄膜的渗透系数(厘米2/秒)
L-薄膜的厚度(厘米)
Cs-溶解氧浓度(ppm)
当电极结构和薄膜确定之后,式中A、Pm、L、n等均为常数。令K= nFA(Pm/L),则上
式中:i∞=KCs。
因此可见,只要测得扩散电流i∞,即可测得溶解氧浓度。为消除温度、盐度和气压因素影响,各型号产品采用各自技术进行补偿。
原电池型(Galvanic Cell):当外界氧分子透过薄膜进入电极内相到达阴极的三相界面时,产生下式反应。
银阴极被还原:O2+2H2O+4e→4OHˉ
同时,铅阳极被氧化:2Pb+2KOH+4OHˉ-4e→2KHPbO2+2H2O
即:氧在银阴极上被还原为氢氧根离子,并同时向外电路获得电子;铅阳极被氢氧化钾溶液腐蚀,生成铅酸氢钾,同时向外电路输出电子。接通外电路之后,便有信号电流通过,其值与溶氧浓度成正比。
 
1、两种测溶解氧方法的原理上的区别:
  极谱法传感器包括一个银质的阳极和在底部呈环形的金质的阴极。原电池传感器包含一个锌制的阳极和银质的阴极。极谱法传感器需要施加一个电压用于操作而原电池法的电极电势差距比较大足可以利用施加的电压降低氧气。 
  两种传感器都有一个薄的半透过性膜,在传感器上展开,可以将电极和外部环境隔离的同时允许气体进入。在操作时传感器的底部会充满含少量的表面活性剂电解液以提高湿润效果。 
  当极谱法传感器的电极上施加了极化电压时,氧气会穿透膜在阴极上发生反应并产生了电流。同样的反应也发生在为施加极化电压的原电池法传感器上。 
  对于极谱法和原电池法溶解氧传感器,氧气通过膜扩散的速度和氧气在两侧的压力差是成比例的。因为氧气在阴极上快速消耗,可以认为氧气在膜内的压力为零。因此氧气穿过膜扩散的量和外部的氧气的绝对压力是成比例的。越多的氧气穿过膜就会在传感器内。
2、两种测溶解氧方法应用上的区别:1、极谱法(黑色):优点是使用寿命长,缺点是需要5-15分钟的预热时间,
 
2、原电池法(灰色):优点是响应时间快,缺点是寿命没有极谱法传感器长.
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