Introduction et théorie:
Le pH et le potentiel d’oxydo-réduction (POR) comptent au nombre des paramètres les plus fondamentaux dont la maîtrise s’impose souvent pour maintenir une qualité satisfaisante de l’eau. La maîtrise du pH contribue à garantir l’obtention d’un produit d’une qualité optimale. On rajoute à cela la réduction de la corrosion et la formation de dépôts de tartre dans les installations des centrales de production d’énergie et la protection de l’environnement en veillant à ce que les générateurs d’eaux usées satisfassent aux valeurs limites prescrites par la loi. Dans le domaine de l’épuration des eaux usées, l’exécution de mesures du POR par sonde contribue à la surveillance et au contrôle des réactions d’oxydo-réduction ainsi que du niveau de désinfection correct.
pH
La mesure du pH se définit comme une évaluation quantitative du degré d’acidité ou de basicité d’une substance déterminée. Caractérisées par un excès d’ions hydrogène (H+), les solutions acides sont susceptibles d’être corrosives, d’avoir un goût acide et de réagir avec diverses bases pour former de l’eau et différents sels. Les solutions basiques se caractérisent par un excès d’ions hydroxyde (OH-). Elles se distinguent par leur viscosité, leur goût amer et leur aptitude à réagir avec des acides pour former de l’eau et différents sels. Les acides qui suivent comptent parmi les plus courants: Acide chlorhydrique, acide sulfurique, acide nitrique et acide fluorhydrique. Les bases qui suivent comptent parmi les plus courantes: hydroxyde de sodium (soude caustique), hydroxyde de potassium et hydroxyde d’ammonium.
POR
Le POR rend compte de la capacité d’une solution à oxyder ou réduire d’autres substances chimiques. La présence d’agents oxydants au sein d’un système hydrique permet d’oxyder ou de décomposer nombre de matières organiques. Les piscines, systèmes de soutien à la vie aquatique et les tours de refroidissement comptent au nombre des applications dans le cadre desquelles, les techniciens ont recours à l’exécution de mesures du POR pour déterminer l’efficacité de désinfectants chimiques et enrayer toute prolifération biologique éventuelle.
La décomposition des cyanures, la réduction des chromates et la surveillance des opérations d’épuration par chloration au bisulfate comptent au nombre des applications dans le cadre desquelles, les techniciens ont recours à l’exécution de mesures du POR pour assurer le suivi et le contrôle des réactions d’oxydo-réduction. Les agents oxydants les plus courants sont les suivants : acide hypochloreux, hypochlorite de sodium, ozone, acide peracétique et acide hypobromeux. Les agents réducteurs les plus courants sont les suivants : dioxyde de soufre, sulfite de sodium, sulfate de fer et ammoniac.
Exécution de mesures
Mesure du pH
La mesure du pH réside dans l’exécution d’une mesure potentiométrique suivie de la conversion d’un signal électrique (en mV) en une valeur lisible du pH à l’aide de l’équation de Nernst. Le signal généré correspond à la différence entre le potentiel électrique de l’électrode de référence plongée dans une solution saline très concentrée et le potentiel électrique de l’électrode de mesure immergée dans la solution à évaluer. Ce signal dépend du pH de la solution à évaluer. L’électrode de mesure se présente sous la forme d’une membrane de verre qu’une formulation spéciale a rendu sensible à l’activité des ions hydrogène présents dans la solution étudiée. Le verre à pH génère un potentiel qui dépend du pH de la solution considérée.
La température influe sur l’activité des ions hydrogène présents dans la solution. Pour garantir l’exécution de mesures précises, les capteurs de pH GF Signet sont tous équipés d’une sonde de température. L’équation de Nernst permet de procéder à une correction automatique de la valeur du pH en fonction de la température. Tous les capteurs de pH GF Signet sont dotés d’électrodes combinées. Cela signifie que les électrodes de référence et de mesure ainsi que la sonde de température sont intégrées dans le même boîtier.
Mesure du POR
À l’instar du capteur de pH, le capteur de POR se compose d’une électrode de mesure immergée dans la solution à évaluer ainsi que d’une électrode de référence plongée dans une solution saline très concentrée. L’électrode de mesure est exécutée dans un métal précieux inerte (platine, or parfois). Une couche mince d’oxyde se forme à la surface de l’électrode en cas d’exposition à un acide dilué. Cette couche d’oxyde facilite la mesure du POR parce qu’elle attire l’oxydant hydrolysé ou les molécules du réducteur vers la surface de l’électrode. La quantité d’électrons échangés par unité de surface (électrons cédés à un oxydant ou acquisition d’électrons provenant d’un réducteur) entraîne la formation d’une charge superficielle correspondant au POR de la solution exprimé en mV.
Les mesures du POR ne sont pas spécifiques. Elles ne peuvent s’utiliser pour déterminer l’activité d’une substance ou d’une variété chimique particulière présente dans une solution. C’est pourquoi il n’est pas possible de corriger les mesures du POR en fonction des variations de température. La température influe différemment sur chaque substance chimique. C’est pourquoi les mesures du POR ne font jamais l’objet d’une compensation en fonction de la température. Une valeur positive signifie que la solution étudiée est oxydante; une valeur négative signifie que la solution étudiée est réductrice
Raison pour laquelle la sélection de sondes ou capteurs adéquats est importante
Les capteurs de mesure du pH et du POR sont sensibles aux conditions opératoires dans lesquelles ces derniers doivent fonctionner. En fonction de l’application envisagée, leur durée de vie utile s’échelonnera entre plusieurs jours, semaines ou mois et quelques années. C’est aux divers phénomènes susceptibles de les affecter que les capteurs de pH doivent leur sensibilité à l’usure.
Rupture du verre
Premier phénomène: rupture du verre constitutif de l’électrode de mesure. La présence de particules ou d’impuretés dans le fluide, une soumission à des températures ou pressions trop élevées ou une corrosion chimique du verre peuvent être à l’origine de cette rupture. À titre d’exemple, des traces d’acide fluorhydrique (HF) sont susceptibles de ronger le verre constitutif de l’électrode de mesure.
Contamination de l’électrolyte
Deuxième phénomène: contamination de la solution d’électrolyte présente dans la chambre de référence. Cette contamination est due à certaines réactions chimiques entre le fluide à étudier et l’électrolyte. Les sondes de pH/POR reposent souvent sur l’utilisation d’une solution de KCl. Le KCl réagit avec les ions métalliques suivants (Hg++, Cu+, ClO4–); cette réaction s’accompagne de la formation d’un précipité. Il en résulte une augmentation de l’impédance électrique de la jonction de référence avec le fluide, laquelle se traduit par une dérive de la valeur mesurée du pH ou du POR. Par conséquent, les mesures effectuées seront erronées.
Toute baisse significative de la concentration en ions Cl– de la solution d’électrolyte est susceptible de provoquer la formation d’un précipité insoluble tel que AgCl–3 ou AgCl–4 à la surface de l’électrode de référence en Ag/AgCl. Il en résulte également une augmentation de l’impédance électrique et partant, l’exécution de mesures erronées.
Contamination de l’électrode de référence
Troisième phénomène: contamination de l’électrode de référence en argent/chlorure d’argent. Cette contamination due à certaines réactions chimiques entre le fluide à étudier et l’électrode de référence est susceptible de provoquer la formation éventuelle d’un précipité à la surface de l’électrode de référence. Il en résulte à nouveau une augmentation de l’impédance électrique de la jonction de référence avec le fluide, laquelle se traduit par une dérive de la valeur mesurée du pH ou du POR. Par conséquent, les mesures effectuées seront erronées. Les ions argent (Ag+) de l’électrode de référence peuvent réagir avec des ions métalliques tels que les bromures (Br–), iodures (I–), cyanures (CN–) et sulfures (S2-).
La plupart des fluides biologiques contiennent, par exemple, des composés soufrés. En cas de contact avec des liquides analogues, on assiste à un virage au noir de la jonction de référence en raison de la formation d’un précipité de chlorure d’argent au niveau de cette jonction au risque d’en obstruer l’ouverture et de rendre visible l’atteinte subie par l’électrode.
Données requises
La sélection d’une sonde de pH ou de POR s’effectue dans des conditions idéales en s’appuyant sur les données de processus et les conditions d’installation.
Les données de processus qui suivent sont indispensables à la détermination correcte de la sonde appropriée :
- La composition et la concentration du ou des fluides dans lesquels la
sonde de pH ou de POR sera immergée - Présence potentielle d’ions métalliques (si c’est le cas, lesquels et dans quelles proportions ?) ou de traces d’acide fluorhydrique
- Conductibilité électrique
- Température de fonctionnement min. et max.
- Pression max. de service
- Présence ou absence de particules
- Plage estimative du pH
Les conditions d’installation qui suivent sont indispensables à la détermination correcte de la sonde appropriée:
- Température ambiante
- Installation plongée dans une cuve ou une canalisation
- S’il s’agit d’une canalisation, il faut en connaître la section et le matériau constitutif pour en déterminer les accessoires de raccordement appropriés.
Les différents types de sonde
Sonde de Type 272x
Modèle d’entrée de gamme, la sonde GF type 272x se compose des éléments suivants: électrode standard pourvue d’une jonction de référence en PE UHMW, itinéraire de référence labyrinthique garantissant une durée de vie accrue, verre standard et solution standard d’électrolyte à base de KCl.
Les sondes de ce type sont parfaitement adaptées à nombre d’applications générales de traitement des eaux propres: préparation des eaux de boisson, de refroidissement et d’alimentation de chaudières, exécution de mesures dans les aquariums, les piscines et les spas et enfin filtration par osmose inverse. Cette sonde est également proposée, en option, dans une version en verre résistant à l’acide fluorhydrique ou conçu pour les liquides à faible conductivité électrique.
Sonde de Type 273x
D’une conception très analogue à celle des sondes de la série 272x, la sonde GF type 273x repose sur l’adoption des éléments suivants: jonction de référence en PTFE, verre de qualité supérieure et gel électrolytique spécial présentant une résistance accrue à la corrosion chimique. Outre les applications générales auxquelles se prêtent les sondes de la série 272x, les sondes du type 273x sont également adaptées au traitement d’eaux usées et chargées d’ions métalliques contaminants.
Sonde Type 277x
La sonde GF type 277x se compose des éléments suivants: électrode standard assortie d’une chambre de référence à deux compartiments accueillant un électrolyte de pontage à base de KNO3 afin de prévenir toute contamination de la solution de KCl et double jonction de référence en PTFE. La sonde GF type 277x repose aussi sur l’adoption des éléments suivants : verre doué d’une résistance chimique supérieure et verre résistant aux températures et pressions plus élevées.
Outre les applications générales auxquelles se prêtent ces sondes, ces dernières sont également adaptées à nombre d’applications telles que le dosage des nutriments destinés à l’agriculture, le traitement des eaux de ville ainsi que l’épuration des eaux d’égout et des eaux usées dans l’industrie alimentaire, où la présence d’ions métalliques est susceptible de contaminer la solution à base de KCl.
Sonde de Type 274x
La sonde GF type 274x est équipée d’une électrode différentielle. En d’autres termes, cette sonde repose sur l’utilisation d’une électrode de masse en regard des électrodes standard afin de procéder à l’exécution de mesures d’une précision maximale, indépendamment des courants électriques qui traversent le fluide. En outre, cette sonde est pourvue d’un double siphon électrolytique de référence remplaçable en PTFE et d’une solution d’électrolyte conférant à l’ensemble une durée de vie accrue.
De plus, l’électrode de référence est protégée par une calotte en verre. Ce verre présente une résistance satisfaisante aux particules, aux températures élevées et aux agents chimiques corrosifs. Cette sonde permet de procéder à l’exécution des mesures les plus contraignantes du pH et du POR au sein d’installations d’épuration des eaux usées et de processus industriels dans l’industrie métallurgique, l’industrie chimique et le secteur du traitement de surface.
Choix définitif de la sonde
Ce choix est déterminé par le rapport prix/durée de vie le plus intéressant par application. Comme précédemment indiqué, il s’agit de prévenir les trois principales causes de défaillance des sondes de pH/POR ou d’en retarder la manifestation en faisant le bon choix.
À bulbe ou plate
On choisit tout d’abord la forme de la membrane en verre la mieux adaptée à l’électrode de mesure. Pour les applications caractérisées par la présence de particules, de fluides visqueux ou de fluides prompts à la formation de dépôts, on optera pour la version plate. C’est à sa conception plane que cette version doit de ne présenter aucun risque de fissure occasionnée par des collisions de particules et de n’entraîner aucun encrassement ni la formation d’aucun dépôt. La version plate se distingue par sa forme autonettoyante. Pour d’autres applications, il est préférable d’utiliser la version à bulbe parce que sa surface de contact plus importante avec le fluide se traduit par une précision accrue et une vitesse de réaction supérieure aux variations de température.
Acide fluorhydrique (HF)
Si la teneur en acide fluorhydrique à l’état de traces est inférieure à 2 % et que le pH de l’application est inférieur à 6, il faut opter pour une sonde dont le verre est résistant à l’acide fluorhydrique. Il peut s’agir d’une sonde GF type 272x-HF ou 273x-HF. Si la teneur en acide fluorhydrique à l’état de traces est inférieure à 2 % et que le pH de l’application est supérieur à 6, opter pour une sonde dont le verre est standard ne pose aucun problème. Si la teneur en acide fluorhydrique à l’état de traces est supérieure à 2 %, l’utilisation d’une sonde de pH/POR est exclus. Il faut envisager un autre type de mesure reposant, par exemple, sur la conductibilité.
Ions métalliques contaminants
En présence des ions métalliques contaminants qui suivent ou d’autres ions susceptibles de réagir avec l’électrode de référence Ag/AgCl, il est recommandé d’opter pour une sonde du type 273x ou 274x, parce qu’elle assure une protection satisfaisante de l’électrode de référence: Br–, I–, CN–, S2-,Ni2+, Cd2+,Au+,Pt+,Cr3+,Zn2+ ou autres.
En présence des ions métalliques contaminants qui suivent ou d’autres ions susceptibles de réagir avec la solution d’électrolyte à base de KCl, il est recommandé d’opter pour une sonde du type 277X ou 274x : Pb2+,Hg++, Cu+, ClO4– ou autres.
Température et pression
Pour les applications dont la température du processus excède régulièrement 60 °C, il est recommandé d’utiliser une sonde GF type 277x ou 274x parce que leur verre est résistant aux températures plus élevées. Pour les applications dont les températures se situent régulièrement dans une plage comprise entre 0 et 15 °C, il est recommandé d’utiliser une sonde GF type 272x-LC.
Pour les applications dont les températures se situent régulièrement dans une plage comprise entre 0 et 60 °C, tous les types de sonde GF peuvent être sélectionnés. Toutes nos sondes sont compatibles avec des pressions inférieures ou égales à 6,9 bar(g). Si la pression se situe dans une plage comprise entre 6,9 bar(g) et 10,3 bar(g), il faut opter pour une sonde GF type 277x-HT.
Conductivité
Pour les liquides peu conducteurs dont la conductivité électrique se situe dans une plage comprise entre 20 et 100 µS, il est préférable d’opter pour une version spéciale de la sonde GF type 272x, à savoir la sonde type 272x-LC.
Bases ou acides forts
En présence de bases ou d’acides forts tels que HCl, NaOH ou H2SO4, il est recommandé d’opter pour une sonde GF type 274x en raison de sa durée de vie accrue. En présence d’un fluide dont le pH est supérieur à 11, il est également conseillé d’opter pour une sonde GF type 274x.
Applications
Le tableau ci-après donne un aperçu des sondes appropriées par application:
Pour savoir quel amplicateur choisir pour votre sonde de pH/POR cliquez ici.
