De pH-waarde en het oxidatie-reductiepotentiaal (ORP) zijn twee van de meest fundamentele parameters die vaak moeten worden gecontroleerd om een goede waterkwaliteit te behouden.
De pH-waarde onder controle houden helpt om een optimale kwaliteit van het product te garanderen, om corrosie en kalkvorming aan de apparatuur in energiecentrales te verminderen en om het milieu te beschermen door ervoor te zorgen dat generatoren van afvalwater voldoen aan de wettelijk voorgeschreven grenzen. In de waterzuivering helpt de ORP-meting bij het bewaken en controleren van oxidatie-reductiereacties en van een correct desinfectieniveau.
pH
De pH-meting is een kwantitatieve meting van de zuurtegraad of de basiciteit van een bepaalde stof. Oplossingen die zuurhoudend zijn, hebben een teveel aan waterstofionen (H+) en kunnen corrosief zijn, een zure smaak hebben en reageren met basen om water en zout te vormen. Basische oplossingen worden gekenmerkt door een teveel aan hydroxide-ionen (OH-). Ze voelen glad aan, smaken bitter en reageren met zuren om water en zout te vormen. De meest voorkomende zuren omvatten: zoutzuur, zwavelzuur, salpeterzuur, fluorwaterstofzuur. De meest voorkomende basen omvatten: natriumhydroxide, kaliumhydroxide, ammoniumhydroxide.
ORP
De ORP is de meting van het vermogen van een oplossing om andere chemische stoffen te oxideren of te reduceren. De aanwezigheid van oxidatiemiddelen in een watersysteem zorgt ervoor dat organische stoffen oxideren of afgebroken worden. Toepassingen waarbij de ORP-meting wordt gebruikt om de efficiëntie van chemische ontsmettingsmiddelen te bepalen en biologische groei onder controle te houden, zijn onder meer zwembaden, ondersteuningssystemen voor aquatisch leven en koeltorens.
Toepassingen die gebruik maken van de opmeting voor het bewaken en controleren van oxidatie-reductiereacties omvatten cyanideafbraak, chromaatreductie en de bewaking van chloorzuivering met bisulfaat. De meest voorkomende oxidatiemiddelen zijn: onderchlorig zuur, natriumhypochloriet, ozon, perazijnzuur en onderbromig zuur. De meest voorkomende reductoren omvatten: zwaveldioxide, natriumsulfiet, ijzersulfaat en ammoniak.
Metingen
pH-meting
De pH-meting is een potentiometrische meting waarbij een elektrisch signaal (in mV) wordt omgezet in een pH-uitlezing met behulp van de Nernst-vergelijking. Het gegenereerde signaal is het verschil tussen de elektrische potentiaal van de referentie-elektrode in contact met een hoog geconcentreerde zoutoplossing en de elektrische potentiaal van de meetelektrode in contact met de te meten oplossing, en is een functie van de pH-waarde van de oplossing. De meetelektrode is een glasmembraan met een speciale formulering, dat gevoelig is voor de activiteit van de waterstofionen in de oplossing.
Het pH-glas genereert een potentiaal die afhankelijk is van de pH-waarde van de oplossing. De temperatuur beinvloedt de activiteit van de waterstofionen in de oplossing. Om nauwkeurige metingen te garanderen zijn alle GF Signet pH-sensoren uitgerust met een temperatuursensor. De pH-waarde wordt automatisch gecorrigeerd voor de temperatuur met behulp van de Nernst-vergelijking. Alle GF Signet pH-sensoren zijn combinatie-elektroden. Dit betekent dat de referentie- en meetelektroden, en de temperatuursensor geintegreerd zijn in dezelfde behuizing.
ORP-meting
Net als de pH-sensor bestaat ook de ORP-sensor uit een meetelektrode in contact met de te meten oplossing en een referentie-elektrode in contact met een hooggeconcentreerde zoutoplossing. De meetelektrode is een inert edelmetaal (platina, soms goud). Op het oppervlak van de elektrode wordt bij blootstelling aan opgeloste zuurstof een dunne oxidelaag gevormd. Deze oxidelaag vergemakkelijkt de ORP-meting door gehydrolyseerde oxidant of moleculen van de reductor naar het oppervlak van de elektrode aan te trekken. Door de hoeveelheid uitgewisselde elektronen per oppervlakte-eenheid (verlies van elektronen aan een oxidant of overname van elektronen van een reductor) wordt een oppervlaktelading opgebouwd die gelijk is aan de ORP van de oplossing in mV.
Een ORP-meting is niet specifiek. Hij kan niet worden gebruikt om de activiteit van een bepaalde chemische stof of een chemische soort in een oplossing te bepalen. Om die reden is het niet mogelijk om ORP-metingen voor temperatuurveranderingen te corrigeren. De temperatuur beinvloedt elke individuele chemische stof anders. Daarom worden ORP-metingen nooit voor temperatuur gecompenseerd. Een positieve waarde betekent een oxiderende oplossing, en een negatieve waarde betekent een reducerende oplossing.
Waarom is de keuze van de sonde belangrijk?
pH- of ORP-metingen zijn toepassingen die slijtgevoelig zijn aan de procescondities waarin deze moet werken en afhankelijk van de toepassing kan de levensduur gaan van enkele dagen,weken of maanden tot jaren. Er zijn verschillende fenomenen die kunnen optreden in een pH-sonde en verklaren waarom deze slijtagegevoelig is.
Breken van het glas
Een eerste fenomeen is het breken van het glas van de meetelektrode. Dit kan optreden door de aanwezigheid van partikels of vuil in het medium, te hoge temperaturen of drukken of door chemische aantasting van het glas door agressieve chemicaliën. Sporen van waterstoffluoride(HF) kunnen bijvoorbeeld het glas van de meetelektrode aantasten.
Contaminatie van het elektrolyt
Een tweede fenomeen is contaminatie van de elektrolytoplossing in de referentie-kamer. Dit ontstaat door chemische reacties tussen het procesmedium en het elektrolyt. Vaak wordt een KCl-oplossing gebruikt in pH-/ORP-sondes. KCl kan reageren met de volgende metaalionen (Hg++, Cu+, ClO4–) en hierdoor gaat er neerslag ontstaan. Dit verhoogt de elektrische impedantie van de referentiebinding met het medium waardoor er een afwijking van de pH- of ORP-waarde zal optreden en de meting dus foutief zal zijn. Indien de concentratie aan Cl– daalt in de elektrolytoplossing kan dit er ook voor zorgen dat er een onoplosbare neerslag zoals AgCl–3 of AgCl–4 wordt gevormd in de Ag/AgCl referentie-elektrode. Dit zorgt weer voor een verhoogde impedantie en dus een foutieve meting.
Contaminatie van de referentie-elektrode
Een derde fenomeen is contaminatie van de zilver/zilver-chloride referentie-elektrode. Dit ontstaat door chemische reacties tussen het medium en de referentie-elektrode. Hierdoor kan neerslag ontstaan op de referentie-elektrode en dit verhoogt wederom de elektrische impedantie van de referentiebinding met het medium waardoor er een afwijking een trage reactie van de pH- of ORP-waarde zal optreden, en de meting foutief zal zijn. De zilver(Ag+)-ionen van de referentie-elektrode kunnen reageren met metaalionen zoals bromides (Br–), iodides(I–), cyanides (CN–) en sulfides (S2-).
De meeste biologische vloeistoffen bevatten bijvoorbeeld zwavelcomponenten. Bij contact met gelijksoortige vloeistoffen zorgt dit er ook voor dat de referentieverbinding zwart zal verkleuren door een zilverchloride neerslag die gevormd wordt op de referentieverbinding waardoor deze opening ook verstopt kan raken en de aantasting dus ook visueel zichtbaar is op de elektrode.
Benodigde gegevens
De keuze van de pH of ORP-sonde wordt in ideale omstandigheden bepaald aan de hand van de procesgegevens en de installatiecondities.
De volgende procesgegevens zijn nodig voor het correct bepalen van de juiste meetsonde:
- Samenstelling en concentraties van het medium of de media waarin de pH- of ORP-sonde wordt geïnstalleerd
- Potentiële aanwezigheid van metaalionen( zo ja, welke en hoeveelheid?) of HF-sporen
- Elektrische geleidbaarheid
- En max. werkingstemperatuur
- werkingsdruk
- Aanwezigheid of afwezigheid van partikels
- Het geschatte pH bereik
De volgende installatiecondities zijn nodig voor het correct bepalen van de juiste meetsonde:
- Omgevingstemperatuur
- Installatie ondergedompeld in een tank of in een leiding
- Indien in een leiding, leidingdiameter en – materiaal opgeven om de juiste fitting te bepalen
Type 272x
Het type 272x is onze instapsonde en is een standaardelektrode met een UHMW PE referentiebinding, een labyrint vormig referentiepad voor een verlengde levensduur, standaard glas en een standaard KCl elektrolyt-oplossing. Dit type is ideaal voor algemene toepassingen in de behandeling van proper water zoals het behandelen van drinkwater, koelwater, ketelvoedingswater, metingen in aquariums, zwembaden en spa’s en omgekeerde osmose. Optioneel is de sonde ook verkrijgbaar met HF-resistent glas of glas voor vloeistoffen met een lage elektrische geleidbaarheid.
Type 273x
het type is 273x is zeer gelijkaardig qua ontwerp aan de 272x reeks maar maakt gebruik van een PTFE referentiebinding, superieur glas en een speciaal ontwikkelde gel elektrolyt met een betere resistentie tegen chemische aantasting. Deze sonde kan ook gebruikt worden voor de algemene toepassingen zoals deze vermeld staan bij de 272x reeks maar ook voor afvalwaterbehandelingstoepassingen met contaminerende metaalionen in.
Type 277x
Het type 277x is ook een standaardelektrode die gebruikmaakt van een dubbele referentiekamer met een KNO3 brugelektrolyt om contaminatie van de KCl-oplossing te vermijden en heeft een dubbele PTFE referentiebinding. Er wordt ook gebruik gemaakt van chemisch superieur glas en optioneel ook glas voor hogere temperaturen en drukken. Deze sonde is te gebruiken voor algemene toepassingen en toepassingen waar metaalionen de KCl-oplossing kunnen contamineren zoals afvalwaterbehandeling in de voedingsindustrie, rioolwater, stadswater en dosering van voedingsstoffen voor de landbouw.
Type 274x
Het type 274x is een differentieel elektrode. Dit wil zeggen dat de elektrode gebruik maakt van een extra grondelektrode t.o.v. standaardelektrodes om onafhankelijk van de elektrische stromen in de vloeistof een zo nauwkeurig mogelijke meting te geven. Verder heeft deze een vervangbare dubbele referentiezoutbrug in PTFE en elektrolytoplossing voor de langste levensduur. De referentie-elektrode wordt bijkomend nog beschermd door een glazen behuizing. Het glas is resistent tegen aggressieve chemicaliën en hogere temperaturen alsook partikels. Deze sonde is te gebruiken voor de meest veeleisende pH/ORP-metingen zoals afvalwaterbehandeling en industriële processen in de metaalverwerkingsindustrie, oppervlaktebehandeling en chemie.
De uiteindelijke keuze van de sonde
De uiteindelijke keuze van de sonde wordt bepaald met een zo ideaal mogelijke prijs-levensduur verhouding per toepassing. Zoals reeds aangegeven moeten de 3 voornaamste oorzaken van falen van de pH/ORP- sonde vermeden of uitgesteld worden door de juiste keuze van sonde.
Bulb
Flat
Allereerst kiest men de juiste vorm van het glazen membraan voor de meetelektrode. Voor toepassingen met partikels, kleverige media of media die afzetting kunnen nalaten kiest men de flat versie. Deze heeft als voordelen dat het niet kan barsten door botsende partikels en er geen vuil of afzetting op achterblijft dankzij het vlakke ontwerp. De flat versie heeft een zelfreinigende vorm. Voor andere toepassingen is het beter om de bulb versie te gebruiken omdat deze een groter contactoppervlak heeft met het medium waardoor de reactiesnelheid op temperatuurschommelingen en de nauwkeurigheid beter is.
Waterstoffluoride (HF)
In het geval van HF-sporen lager dan 2% concentratie en een pH lager dan 6 in de toepassing moet er gekozen worden voor een type sonde met HF-resistent glas gekozen worden. Dit kan het type 272x-HF of 273x-HF zijn. Bij HF sporen lager dan 2% concentratie en een pH hoger dan 6 is er geen probleem met standaard glas. Bij HF- sporen hoger dan 2% concentratie kan een pH/ORP-meting niet gebruikt worden en moet er naar een andere type meting gekeken worden zoals bijvoorbeeld geleidbaarheid.
Contaminerende metaalionen
Bij aanwezigheid van de volgende contaminerende metaalionen of andere ionen in het medium die kunnen reageren met de Ag/AgCl referentie-elektrode is het aan te raden om voor het type 273x of 274x- sonde te kiezen die bescherming bieden van de referentie-elektrode: Br–, I–, CN–, S2-,Ni2+, Cd2+,Au+,Pt+,Cr3+,Zn2+ of anderen
Bij aanwezigheid van de volgende contaminerende metaalionen of andere ionen in het medium die kunnen reageren met de KCl-elektrolyt oplossing is het aan te raden om voor het type 277x of 274x- sonde te kiezen: Pb2+,Hg++, Cu+, ClO4– of anderen
Temperatuur en druk
Voor toepassingen met een procestemperatuur die geregeld boven 60°C uitkomt wordt aangeraden het type 277x of 274x te gebruiken, dewelke glas hebben dat resistent is tegen hogere temperaturen. Voor toepassingen met lage temperaturen die geregeld tussen 0 en 15°C ligt, wordt het type 272x-LC aangeraden. Voor toepassingen tussen 0 en 60°C kunnen alle types sondes van GF gekozen worden. Voor drukken tot 6.9 bar(g) kunnen al onze sondes gekozen worden. Vanaf 6.9 bar(g) tot 10.3 bar(g) moet het type 277x-HT gekozen worden.
Geleidbaarheid
Voor laag elektrisch geleidbare vloeistoffen met een geleidbaarheid tussen 20 en 100 µS is er een speciale versie van het type 272x verkrijgbaar namelijk het type 272x-LC.
Sterke zuren of basen
Bij aanwezigheid van sterke zuren of basen in de vloeistof zoals HCl, NaOH of H2SO4 is het type 274x aan te raden voor een langere levensduur. Voor pH-waardes boven 11 is het type 274x ook aangewezen.
Toepassingen
Onderstaand geeft u een overzicht van de geschikte sondes per toepassing:
