DE2650850A1 - Analysis method using solid electrolytes - with different electrolytes in tandem and unity ion transport number - Google Patents

Analysis method using solid electrolytes - with different electrolytes in tandem and unity ion transport number

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DE2650850A1 DE19762650850 DE2650850A DE2650850A1 DE 2650850 A1 DE2650850 A1 DE 2650850A1 DE 19762650850 DE19762650850 DE 19762650850 DE 2650850 A DE2650850 A DE 2650850A DE 2650850 A1 DE2650850 A1 DE 2650850A1
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Abstract

The determination of activity, concn. or partial pressure in solid, fluid or gaseous media by measurement of e.m.f. using solid electrolytes is based on temp. treatment and/or tandem connection of different electrolytes to bring the ion transport number of the electrolyte materials to 1 during the period of the measurement. With a zirconium dioxide electrolyte (4) in equilibrium under a low, reference pressure, hole conduction occurs. With a thorium oxide electrolyte (5) and high pressure equilibrium, excess-electron conduction can take place. If the electrolytes are placed in tandem and the ratio of the layer thicknesses (d1/do) is chosen so that the potential at the junction of the electrolytes is 1 no electron conduction can take place.

Description

Verfahren zur Bestimmung von analytischen Daten mittels verbesserter Feststoffelektrolyten Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Aktivitäten, Konzentrationen oder Partialdrücken in festen, flüssigen oder gasförmigen Medien mittels EMK-Messungen mit Feststoffelektrolyten. Solche analytischen Bestimmungen finden in der Thermodynamik, in der Chemie und vor allem im metallurgischen Bereich zunehmend an Bedeutung.Method for the determination of analytical data by means of improved Solid electrolytes The invention relates to a method for determining activities Concentrations or partial pressures in solid, liquid or gaseous media by means of EMF measurements with solid electrolytes. Such analytical determinations can be found in thermodynamics, chemistry and, above all, in the metallurgical sector increasingly important.

Die Meßsonde besteht meistens aus einem geschlossenen Rohr, in dem der Festelektrolyt eingebracht ist. Er trennt zwei Räume unterschiedlicher Partialdrücke bzw unterschiedlicher Konzentrationen. Bei der Messung der EMK wird von der Voraussetzung ausgegangen, daß Gleichgewichtszustände vorliegen und eine reine Ionenleitung.The measuring probe usually consists of a closed tube in which the solid electrolyte is introduced. It separates two spaces with different partial pressures or different concentrations. When measuring the EMF, the requirement is assumed that states of equilibrium exist and that there is pure ionic conduction.

In der Praxis hat-sich aber herausgestellt, daß bei der Messung mit Festelektrolyt-Sonden aus verschiedenen Gründen Abweichungen auftreten. Eine der wesentlichen Ursachen hierfür ist durch die Elektronenleitung gegeben, die bei solchen Elektrolyten zusätzlich auftreten kann.In practice it has been found that when measuring with Solid electrolyte probes from different Reasons deviations occur. One of the main reasons for this is given by the electron conduction, which can also occur with such electrolytes.

Insbesondere dann, wenn bei kleinen Partialdrücken neben der Ionenleitung infolge Überschußelektroden n-Leitung und bei höheren Drücken infolge Defektelektroden p-Leitung im Elektrolyten auftritt. Die rechnerische Berücksichtigung erfolgt hauptsächlich durch Einführung der Ionenüberführungszahl. Die Auswertung setzt dabei eine genaue Bestimmung der Halbwertdrucke voraus und ist somit sehr aufwendig. Darüber hinaus aber bleibt die Auswertung sehr unsicher, da Gleichgewichte vorausgesetzt werden, die sich in den Elektrolyten während der Meßzeiten unter Umständen gar nicht einstellen.In particular, if at low partial pressures next to the ionic conduction due to excess electrodes n-conduction and at higher pressures due to defective electrodes p-conduction occurs in the electrolyte. The arithmetical consideration takes place mainly by introducing the ion transfer number. The evaluation assumes an exact one Determination of the half-value pressures in advance and is therefore very time-consuming. Furthermore but the evaluation remains very uncertain, since equilibria are assumed, which may not even appear in the electrolyte during the measuring times.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Elektronenleitung durch eine Vorbehandlung und/oder einen entsprechenden Aufbau des Festelektrolyten auszuschalten.The invention is based on the object of the electron conduction to switch off a pretreatment and / or a corresponding build-up of the solid electrolyte.

Es soll damit erreicht werden, daß während der Messung stets die Ionenüberführungszahl 1 vorliegt.This is to ensure that the ion transfer number is always kept during the measurement 1 is present.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Elektrolytmaterialien für die Meßdauer durch Temperaturbehandlung und/oder durch Hintereinanderschaltung verschiedener Elektrolyt-Materialien auf die Ionenüberführungszahl 1 gebracht werden.The object is achieved according to the invention in that the electrolyte materials for the duration of the measurement by temperature treatment and / or by series connection different electrolyte materials can be brought to the ion transfer number 1.

Eine zweckmäßige Weiterbildung des erfinderischen Gedankens ergibt sich auch daraus, daß das Elektrolytmaterial bei vorgegebenem äußeren Partialdruck vor dem Einsatz zur Messung durch Temperung mit dem vorgegebenen Partialdruck in das chemische Gleichgewicht und auf die Tonenüberführungszahl 1 stabilisiert wird.An expedient development of the inventive concept results also from the fact that the electrolyte material at a given external partial pressure before use for measurement by tempering with the specified partial pressure in the chemical equilibrium and is stabilized to the ion transfer number 1.

Damit wird erreicht, daß die Elektronenleitfähigkeit bei gegenüber Meß- und Bezugsdruck nicht im Gleichgewicht befindlichen Feststoffelektrolyten durch Einstellung eines stabilisierenden Druckes vor oder während der Messung ausgeschaltet wird. Eine weitere Möglichkeit zur Ausschaltung der Elektronenleitfähigkeit besteht darin, daß die Meßsonde aus zwei hintereinanderliegenden unterschiedlichen Feststoffelektrolyten besteht. Eine solche Tandem-Sonde wird im folgenden anhand von schematischen Darstellungen mit weiteren Einzelheiten beschrieben.This ensures that the electron conductivity is opposite Measurement and reference pressure through the solid electrolyte that is not in equilibrium Setting of a stabilizing pressure before or during the measurement switched off will. There is another possibility to switch off the electron conductivity in that the measuring probe consists of two different solid electrolytes lying one behind the other consists. Such a tandem probe is illustrated below with the aid of schematic representations described with further details.

Es zeigt: Fig0 1: Schematische Darstellung des Meßprinzips und der Zellspannung einer Elektrolyt-Sonde; Fig. 2: Potentialverlauf im Inneren eines Elektrolyten in schematischer Darstellung; Fig. 3: Schematische Darstellung eines Mehrschicht-Elektrolyten als Tandem-Sonde.It shows: Fig0 1: Schematic representation of the measuring principle and the Cell voltage of an electrolyte probe; Fig. 2: Potential profile inside an electrolyte in a schematic representation; Fig. 3: Schematic representation of a multilayer electrolyte as a tandem probe.

Am Beispiel eines sauerstoffionen-leitenden Feststoffelektrolyten 1 ist in Fig. 1 das Meßprinzip vereinfachend dargestellt. Der Elektrolyt trennt zwei Räume unterschiedlicher Sauerstoffpartialdrücke bzw. unterschiedlicher Sauerstoffkonzentrationen. Die beiden metallisierten, meist platinierten Grenzflächen des Elektrolyten 1 bilden die Anode 2 und die Kathode 3.Using the example of a solid electrolyte that conducts oxygen ions 1, the measuring principle is shown in FIG. 1 in a simplified manner. The electrolyte separates two rooms with different oxygen partial pressures or different oxygen concentrations. The two metallized, mostly platinum-coated interfaces of the electrolyte 1 form the anode 2 and the cathode 3.

Links sei ein Sauerstoff-Bezugspartialdruck pO vorgegeben und rechts sei der DruGk P1 zu bestimmen. Im Beispiel sei P0 > p1. Beim Durchgang der Ionen eines Mols Sauerstoff °2 von links nach rechts wird dabei im Druckgefälle die Arbeit Ap = RT ln P1/Po gewonnen, andererseits aber müssen die Ionen gegen die sich ausbildende Po.tentialdifferenz ECP - # oie Arbeit Ae = (#1 - #0) . z . F leisten, wobei F die Faradaykonstante, z die Wertigkeit, gleich 4 bezogen auf 02.An oxygen reference partial pressure pO is specified on the left and on the right let the pressure P1 be determined. In the example, let P0> p1. When the ions pass through One mole of oxygen ° 2 from left to right does the work in the pressure gradient Ap = RT ln P1 / Po obtained, but on the other hand the ions must counteract the Potential difference ECP - # oie work Ae = (# 1 - # 0). z. F, where F is the Faraday constant, z is the valency, equal to 4 based on 02.

bedeutet. Im Gleichgewicht kompensieren sich die Arbeitsanteile A + A = 0.means. In equilibrium, the work components A compensate each other + A = 0.

P e Für die EMK ergibt sich somit: Wenn die Zelle mit dem Ionenwiderstand R. über einen externen Widerstand R belastet wird, reduziert sich die EMK auf die e Klemmenspannung E* Besitzt der Elektrolyt auch eine Elektronenleitung, so sei der zugehörige Elektronenwiderstand Re nun anstelle des vorherigen Außenwiderstandes zusammen mit Ri parallel als eine die Ionenleitfähigkeit oi überlagernde Elektronenleitfähigkeit °e gesetzt. P e For the EMF we get: If the cell with the ionic resistance R. is loaded via an external resistor R, the emf is reduced to the e terminal voltage E * If the electrolyte also has an electron conduction, the associated electron resistance Re is now set in parallel with Ri instead of the previous external resistance as an electron conductivity ° e superimposed on the ionic conductivity oi.

wobei t. gleich der Ionenüberführungszahl, folgt gemäß Gleichung 1.2 1.3 E* = E . ti Setzt man P1 = p bzw. pO = p + dp und führt t. als druckabhängig in Gleichung 1.2 ein, so erhält man schließlich die bekannte Gleichung Die durch Festelektrolyt-Sonden gemessenen Zellspannungen können aus verschiedenen Gründen gegenüber der nach Gleichung 1.1 erwarteten EMK abweichen. Eine der wesentlichen Ursachen ist gegeben, wenn über Reaktionen wie 2.1 . - 1/2 02 Gas + (") + 2 - wobei (.) = Ionen-Leerstellen 2.2 1/2 O2 Gas + (") O-- + 2 + im Elektrolyten bei kleinen Sauerstoffpartialdrucken neben der Ionenleitung infolge Überschußelektronen n-Leitung oder bei höheren Drucken infolge Defektelektronen p-Leitung auftritt. Solange im Elektrolyten die Konzentrationen (O--) und [(")] hinreichend hoch und damit relativ konstant bleiben, resultiert aus obigen Reaktionsgleichungen mit den Verteilungskonstanten K ~ und K+ 203 k = c2 pl/2 wobei c = [(3] 2.4 k+ = c+² p-l/2 wobei c+ = [c+] Mit der Ionenleitfähigkeit Oi und der Elektronenleitfähigkeit °e = o + °+ gilt für die Überführungszahl ti = 1/(1+o-/oi+o+/oi).where t. equal to the ion transfer number, it follows from equation 1.2 1.3 E * = E. ti If one sets P1 = p or pO = p + dp and leads t. as pressure-dependent in equation 1.2, one finally obtains the well-known equation The cell voltages measured by solid electrolyte probes can deviate from the EMF expected according to equation 1.1 for various reasons. One of the main causes is given when reactions like 2.1. - 1/2 02 gas + (") + 2 - where (.) = Ion vacancies 2.2 1/2 O2 gas + (") O-- + 2 + in the electrolyte at low oxygen partial pressures next to the ionic conduction due to excess electrons n conduction or at higher pressures due to defect electrons p-conduction occurs. As long as the concentrations (O--) and [(")] in the electrolyte remain sufficiently high and thus relatively constant, the above reaction equations with the distribution constants K ~ and K + 203 result in k = c2 pl / 2 where c = [(3] 2.4 k + = c + ² pl / 2 where c + = [c +] With the ionic conductivity Oi and the electron conductivity ° e = o + ° + applies to the transfer number ti = 1 / (1 + o- / oi + o + / oi).

Setzt man nach H. Schmalzried o-/oi = α-c- und o+/oi =α+o+ und definiert α- #k- # p-1/4 sowie α+ #k+ # p+-1/4, so erhält man nach Integration der Gleichung 1.4. If, according to H. Schmalzried, one sets o- / oi = α-c- and o + / oi = α + o + and defines α- # k- # p-1/4 and α + # k + # p + -1 / 4, we get after integrating equation 1.4.

Daraus ergibt sich, daß ti(p) = 1/2 für p- = p # p+ oder p+ = p # p.It follows that ti (p) = 1/2 for p- = p # p + or p + = p # p.

Für p+ # (po;p1) verschwindet in Gle 2.5 der erste Term; ist ferner p- # (p1;p1), dann geht Gl. 2.5 in 1.1 über. -Wie aus der Herleitung hervorgeht, gilt Gleichung 2.5 nur dann, wenn auch im Inneren des Elektrolyten gegenüber den an seinen äußeren Grenzen vorliegenden Partialdrucken Gleichgewicht herrscht, d. h., wenn im Elektrolyten entsprechend den Gleichungen 2.1 bzw. 2.2 in Abhängigkeit der äußeren Partialdrucke Sauerstoff solange aus- bzw, eingebaut wird, bis die Verteilungen zu Gleichungen 2.3 bzw0 2.4 vorliegen.For p + # (po; p1) the first term in Eq. 2.5 vanishes; is further p- # (p1; p1), then Eq. 2.5 in 1.1 over. -As can be seen from the derivation, Equation 2.5 applies only if also inside the electrolyte compared to the partial pressures present at its outer limits equilibrium prevails, d. that is, if in the electrolyte according to equations 2.1 and 2.2 as a function the external partial pressure of oxygen is removed or installed until the distributions for equations 2.3 or 2.4 are available.

In Fig0 2 ist der Potentialverlauf zwischen den Elektroden im Inneren Elektrolyten 1 in Abhängigkeit von der Ortskoordinate x schematisch dargestellt für den Fall, daß Elektrolytflächen parallel zum Feldverlauf gegen Sauerstoffaustausch isoliert sind. Solange t. = 1 bleibt, ändert sich das Potential linear mit x bzw. mit In p, wobei p = p (x) den dem Inneren zugeordnete Gleichgewichtspartialdruck po # p (x) # P1 darstellte Wird ti(x) < 1, so bleibt das Potential gegenüber dem sonst vorliegenden linearen Zusammenhang zurück Die Einstellung der Gleichgewichte 2.3 bzw0 2.4 längs der Ortskoordinate x kann als Austauschreaktion nach 2.1 bzw. 2.2 natürlich nicht spontan erfolgen. Je gröBer der räumliche Abstand x(p1 - x(pO) ist, desto länger wird die Übergangszeit für die Einstellung des Gleichgewichtes im Inneren des Elektrolyten dauern.In Fig0 2 is the potential profile between the electrodes in the interior Electrolyte 1 shown schematically as a function of the location coordinate x in the event that electrolyte surfaces are parallel to the field against oxygen exchange are isolated. As long as t. = 1 remains, the potential changes linearly with x resp. with In p, where p = p (x) is the equilibrium partial pressure assigned to the interior po # p (x) # P1 if ti (x) <1, the potential remains opposite the otherwise existing linear relationship. The setting of the equilibria 2.3 or 2.4 along the position coordinate x can be used as an exchange reaction according to 2.1 or 2.2 of course not happen spontaneously. The greater the spatial distance x (p1 - x (pO) is, the longer the transition time for the establishment of equilibrium will be last inside the electrolyte.

In Fig0 3 wird die Tandem-Sonde näher beschrieben.In Fig0 3, the tandem probe is described in more detail.

Mit ihr soll beispielsweise der Sauerstoffgleichgewichts-Partialdruck P1 bei einer Temperatur über 1000°C in einer Stahlschmelze in einem Gebiet von 10-10 bis 10-26 atm gegenüber einem Referenzdruck Po von 1 atm bestimmt werden. Beim Zirkondioxid-Elektrolyten 4 im chemischen Gleichgewicht mit den niedrigen MeB-drücken würde eine Defekt-Elektronenleitung einsetzen, umgekehrt würde im Thoriumoxid-Elektrolyten 5 im Gleichgewicht mit Bezugsdrucken oberhalb ca. 10 atm eine Überschuß-Elektronenleitung eintreten0 Zur Unterdrückung beider Elektronenleitungen fügt man im vorliegenden Beispiel beide Elektrolyte, wobei Thoriumoxid 5 den Index 1 und Zirkonoxid 4 den Index o hat, zu einer sogenannten Tandem-Sonde zusammen, wobei die Schichtdicken d1 und d so bemessen werden, daß beim für das Meßintervall logarithmisch gebildeten Mittelwert P1' = 10-18 atm an der Berührungsstelle beider Elektrolyten ein Potential 1,0 vorliegt, dessen Gleichgewichtspartialdruck P 1,ö in keinen der beiden Elektrolyte eine Elektronenleitung zulassen würde.With it, for example, the oxygen equilibrium partial pressure should P1 at a temperature above 1000 ° C in a steel melt in a range of 10-10 up to 10-26 atm against a reference pressure Po of 1 atm. With the zirconium dioxide electrolyte 4 In chemical equilibrium with the low MeB pressures, electron conduction would be defective conversely, in the thorium oxide electrolyte 5 would be in equilibrium with reference pressures Excess electron conduction occurs above approx. 10 atm. For suppression Both electron lines are added in the present example both electrolytes, where thorium oxide 5 has the index 1 and zirconium oxide 4 the index o, to a so-called Tandem probe together, the layer thicknesses d1 and d being dimensioned so that for the logarithmically formed mean value P1 '= 10-18 atm the contact point of the two electrolytes has a potential of 1.0, its equilibrium partial pressure P 1, ö would not allow electron conduction in either of the two electrolytes.

Im vorliegenden Beispiel wird P 1,o optimal auf 10 8 atm angesetzt.In the present example, P 1, o is optimally set to 10 8 atm.

Für die Potentialwerte an den Elektrolyt-Enden gelten mit tion = 1 folgende Beziehungen: Das Schichtdickenverhältnis V = d1/d0 bestimmt sich aus dem oben vorgegebenen P1,o zu 3.2 V = d1/d0 = #1/#2 . (log P0/P1,0) / (log P1,0/P1) durch das so bestimmte Verhältnis V ist die Ionenüberführungszahl für den oben definierten mittleren Meßdruck P; auf 1 optimiert. Die Optimierung gilt noch nicht ohne weiteres für dcn oberen und unteren Wert P1 im vorgesehenen Meßintervall.For the potential values at the electrolyte ends, the following relationships apply with tion = 1: The layer thickness ratio V = d1 / d0 is determined from the P1, o given above as 3.2 V = d1 / d0 = # 1 / # 2. (log P0 / P1.0) / (log P1.0 / P1) by the ratio V determined in this way is the ion transfer number for the mean measured pressure P defined above; optimized to 1. The optimization does not yet apply without further ado for the upper and lower value P1 in the measurement interval provided.

An der unteren Grenze P1 = 10-26 atm ergibt sich P1,0 = 10-11,55 atm an der oberen Grenze P1 = 10-10 atm ergibt sich P1,0 = 10-4,44 atm, wobei sich die Werte P1,0 einfach aus Gleichung 3.2 ergeben. der Wert P1,0 = 10-11,55 atm läßt bei hohen Temperaturen im Zirkondioxid und der obere Wert P1,0 = 10-4,44 atm besonders im Thoriumdioxid Elektronenleitung befürchten.At the lower limit P1 = 10-26 atm, the result is P1.0 = 10-11.55 atm at the upper limit P1 = 10-10 atm the result is P1.0 = 10-4.44 atm, whereby the Values P1.0 simply result from equation 3.2. the value P1.0 = 10-11.55 atm at high temperatures in the zirconium dioxide and the upper value P1.0 = 10-4.44 atm especially fear electron conduction in thorium dioxide.

Es sind daher im vorliegenden Beispiel erfindungsgemäß beide Elektrolyte bei dem vorher optimal angesetzten fiktiven Druck P = 10 8 atm nunmehr zu tempern, so daß 1,o beide Elektrolyte bezüglich des chemischen Sauerstoffpotentials auf P1,0 und damit für die spätere Messung auf t. = 1 stabilisiert sind.In the present example, therefore, both electrolytes are in accordance with the invention now to be tempered at the previously optimal fictitious pressure P = 10 8 atm, so that 1, o both electrolytes with respect to the chemical oxygen potential to P1,0 and thus for the later measurement on t. = 1 are stabilized.

ion Alle die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß bei dem bisher bekannten Meßverfahren für die einzelnen Untersuchungsmedien ein hoher Zeitaufwand für die Parameterbestimmung aufgewendet werden mußte. Da aber bei den vorbehandelten oder spezifisch konstruierten Meßsonden nur noch die Ionenleitfähigkeit in die Auswertung eingeht, können diese Korrektur-Messungen entfallen. Ferner sind damit Absolut-Messungen möglich und die Auswertung gestaltet sich einfacher. ion All the advantages achieved with the invention exist in particular that in the previously known measuring method for the individual test media a large amount of time had to be expended for the parameter determination. Here but with the pretreated or specifically designed measuring probes only the ion conductivity is included in the evaluation, these correction measurements can be omitted. Furthermore are This makes absolute measurements possible and the evaluation is easier.

ANSPRÜCHE EXPECTATIONS

Claims (1)

ANSPRÜCHE io Verfahren zur Bestimmung von Aktivitäten, Konzentrationen oder Partialdrücken in festen, flüssigen oder gasförmigen Medien mittels EMK-Messungen mit Feststoffelektrolyten, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Elektrolytmaterialien (i) für die Meßdauer durch Temperaturbehandlung und/oder durch Hintereinanderschaltung verschiedener Elektrolytmaterialien auf die Tonenüberführungszahl 1 gebracht werden 2e Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrolytmaterial (i) bei vorgegebenen äußerem Partialdruck vor dem Einsatz zur Messung durch Temperung mit dem vorgegebenen Partialdruck in das chemische Gleichgewicht und so auf die Ionenüberführungszahl 1 stabilisiert wird. CLAIMS io method for determining activities, concentrations or partial pressures in solid, liquid or gaseous media using EMF measurements with solid electrolytes, in that the electrolyte materials (i) for the duration of the measurement by temperature treatment and / or by series connection various electrolyte materials can be brought to the ion transfer number 1 2e method according to claim 1, characterized in that the electrolyte material (i) at a given external partial pressure before use for measurement by tempering with the given partial pressure in the chemical equilibrium and so on the Ion transfer number 1 is stabilized. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß verschiedene Festelektrolyte (4;5) zu einer sogenannten Tandem-Sonde vereinigt werden.3. The method according to claim 1, characterized in that different Solid electrolytes (4; 5) are combined to form a so-called tandem probe. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Schichtdickenverhältnis der zu Tandem-Sonden vereinigten Elektrolyte (4;5) so gewählt -wird, daß im vorgesehenen Einsatzbereich von Meß- und Bezugsdruck an der Berührungsstelle beider Elektrolyte bei dem Abfall des Meßpotentials im Elektrolyten zugeerdneten Gleichgewichtspartialdruck bereits ohne Temperung eine optimale Ionenüberführungszahl für beide Elektrolyten (4;5) erreicht wird04. The method according to claim 3, characterized in that the layer thickness ratio of the electrolytes (4; 5) combined to form tandem probes -is chosen so that in the intended Application range of measuring and reference pressure at the point of contact between the two electrolytes equilibrium partial pressure associated with the drop in the measuring potential in the electrolyte an optimal ion transfer number for both electrolytes even without tempering (4; 5) is reached 0
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