Wielkość pH jest jednym z podstawowych parametrów monitorowanych i kontrolowanych w sposób ciągły w wielu aplikacjach procesowych. Warunki procesowe wymagają zastosowania coraz to bardziej doskonalonych czujników gwarantujących długoterminową stabilność pomiarową. W celu maksymalizacji żywotności procesowych elektrod pH firma Hamilton wprowadziła szereg innowacji, umożliwiając dobór najbardziej optymalnego czujnika do danych warunków procesowych.
SZCZYPTA TEORII, CZYLI CZYM JEST pH
Skala pH określa kwasowość lub zasadowość wodnych roztworów związków chemicznych w skali 0-14.
Wartość pH jest definiowana jako ujemny logarytm dziesiętny aktywności zawartych w roztworze wodnym jonów hydroniowych.
Do określania pH wykorzystuje się różne metody oznaczania. Najpopularniejsze a jednocześnie najmniej dokładne są wskaźniki kwasowości. Inną metodą jest miareczkowanie potencjometryczne, w której zobojętnia się mierzoną próbkę dokładnie odmierzonymi ilościami kwasu lub zasady aż do uzyskania SEM = 0 ogniwa pH – metrycznego.
W zakresie pomiarów procesowych online stosuje się metodę potencjometryczną nazywaną pH-metrią. Metoda potencjometryczna polega na pomiarze siły elektromotorycznej ogniwa złożonego ze wskaźnikowej elektrody szklanej, której potencjał zależy od aktywności oznaczanego jonu i elektrody odniesienia (referencyjnej), której potencjał w trakcie pomiarów jest stały i niezależny od aktywności oznaczanego jonu.
Zależność tę opisuje równanie Nernsta:
E – różnica potencjałów [mV]
R – stała gazowa (8,31441 J × K-1 × mol-1)
T – temperatura bezwzględna [K]
F – stała Faraday’a (96486,7 ± 0,54 C × mol-1)
n – wartościowość jonu oznaczanego (nH= 1)
C1 – aktywność jonów hydroniowych w roztworze C1
C2 – aktywność jonów hydroniowych w roztworze C2
Zgodnie z równaniem Nernsta wartość pH
Do oznaczania pH powszechnie stosowane w analizie potencjometrycznej są elektrody szklane tzw. kombinowane.
BUDOWA KOMBINOWANEJ ELEKTRODY PROCESOWEJ pH
Elektroda kombinowana składa się ze szklanej elektrody pomiarowej, elektrody odniesienia (porównawczej) i połączenia elektrolitycznego.
Budowa elektrody kombinowanej
Elektroda pomiarowa to wąska szklana rurka zakończona membraną w kształcie bańki. Wewnątrz wypełniona roztworem buforowym o znanym pH, zawierającym chlorki.
Membrana w elektrodzie pomiarowej wykonana jest ze specjalnego gatunku szkła sodowego. W kontakcie z ciekłym roztworem na powierzchni membrany formuje się uwodniona warstwa żelowa (0,001 mm), selektywna dla jonów wodorowych. Pomiędzy zewnętrzną warstwą żelową , a roztworem pomiarowym wytwarza się potencjał elektryczny. Ponieważ roztwór wypełniający wnętrze elektrody jest roztworem buforowym, czyli jego wartość pH jest stała, to zmiany potencjału zależą wyłącznie od zmian wartości pH roztworu mierzonego.
Elektrodę referencyjną stanowi drut srebrny pokryty warstwą chlorku srebra zanurzony w roztworze buforowym KCL. Na końcu elektrody umieszczone jest połączenie elektrolityczne stanowiące łącze pomiędzy roztworem mierzonym a roztworem wypełniającym elektrodę.
Połączenie elektrolityczne umożliwia przepływ elektrolitu do roztworu, natomiast uniemożliwia przedostanie się tego roztworu do wnętrza elektrody odniesienia.
MAKSYMALIZACJA ŻYWOTNOŚCI ELEKTROD pH FIRMY HAMILTON
W celu zapewnienia maksymalnej żywotności procesowych elektrod kombinowanych do pomiaru pH, firma Hamilton wprowadziła w swoich rozwiązaniach kilka innowacji.
Membrana
Różnorodność membran w czujnikach do pomiaru pH firmy Hamilton umożliwia dobór najbardziej optymalnej elektrody do danych warunków procesowych badanego medium. Membrany szklane typu H odznaczają się dobrą odpornością chemiczną, gwarantując długoterminową stabilność pomiarową. Minimalny wpływ alkaliów na szkło typu H pozwala uzyskać dokładne pomiary mediów o wysokim pH lub temperaturze (do 130°C).
Membrany typu PHI z kolei gwarantują powtarzalność pomiarów w procesach sterylizacji parą, mycia CIP i autoklawowania przy temperaturach do 140°C. Tego typu szkło cechuje minimalny dryft i praktycznie zerowe przesunięcie wartości pomiaru w wyniku przeprowadzonych procesów sterylizacji i mycia. Szkło typu HF daje natomiast najdłuższą możliwą żywotność czujników pracujących w roztworach zawierających kwas fluorowodorowy.
Układ referencyjny z barierą jonową – układ referencyjny w czujnikach do pomiaru pH firmy Hamilton wyposażony jest w barierę jonów utrudniającą przedostawanie się jonów srebra do elektrolitu, co zapobiega zatruwaniu elektrody. Tego typu wykonanie układu referencyjnego ma szczególne znaczenie przy pomiarach pH mediów zawierających jony siarczkowe, jony amonowe, halogenki; które mogą wchodzić w interakcje z jonami srebra zatykając (zanieczyszczając) diafragmę. System referencyjny z barierą jonową polepsza stabilność potencjału referencyjnego oraz wydłuża żywotność elektrody kombinowanej kilkukrotnie w porównaniu z elektrodami standardowymi, niewyposażonymi w barierę.
Elektrolity: POLISOLVE i FOODLYTE – elektrody wypełnione standardowym elektrolitem żelowym lub polimerowym zawierającym KCL, przeważnie nie pracują w pełnym zakresie pH ani w szerokim zakresie temperatur. Opatentowany elektrolit polimerowy POLISOLVE, którym wypełniony jest układ referencyjny w elektrodach pH firmy Hamilton umożliwia pomiar w pełnym zakresie pH 0 – 14 oraz w przedziale temperatur od -10°C do 140°C. Zastosowanie elektrolitu POLISOLVE zapewnia bezobsługową pracę elektrody, co ma znaczący wpływ na wydłużenie jej żywotności. Elektrolit FOODLYTE został opracowany specjalnie dla potrzeb przemysłu farmaceutycznego, biotechnologicznego i spożywczego. Elektrolit jest bezwonny, bezsmakowy oraz biokompatybilny. Elektrody wypełnione elektrolitem FOODLYTE są przeznaczone do aplikacji, w których zachodzą procesy sterylizacji, mycia CIP i autoklawowanie (temp. do 140°C).
Kolejnym nowoczesnym rozwiązaniem jest diafragma typu otwartego, którą stanowi pojedyncza cienka kapilara o średnicy 2000 razy większej od mikroskopijnych kanalików, jakie zawierają standardowe membrany ceramiczne. W ten sposób wyeliminowano problem zatykania mikrospkopijnych kanalików w membranach ceramicznych przy pomiarach roztworów zawierających zabrudzenia lub zawiesinę.
Diafragma typu otwartego uniemożliwia przedostanie się roztworu mierzonego do wnętrza elektrody odniesienia, jednocześnie ułatwiając i przyspieszając ruch jonów, co ma wpływ na szybki czas odpowiedzi i zwiększenie dokładności pomiarów. Czujniki pH firmy Hamilton z diafragmą typu otwartego zostały uznane przez Niemiecki Federalny Instytut Fizyczno-Techniczny w Brunszwiku za najdokładniejsze elektrody pomiarowe.
Diafragma typu otwartego
Diafragma typu otwartego w układzie odniesienia czujników gwarantuje stabilny i odtwarzalny potencjał, szybki czas odpowiedzi, najwyższą dokładność pomiarów oraz zapobiega zatykaniu umożliwiając łatwe i szybkie czyszczenie.
Ostatnim rozwiązaniem mającym znaczący wpływ na wydłużenie żywotności jest zintegrowany przetwornik. Cyfrowe czujniki do pomiaru pH firmy Hamilton zostały wyposażone w dwa interfejsy: analogowy 2× 4 … 20 mA i cyfrowy 2× Modbus umożliwiając bezpośrednie połączenie z systemem. Wszystkie dane kalibracyjne, procesowe przechowywane są w pamięci zintegrowanego w głowicy czujnika pH przetwornika, co umożliwia kalibrację elektrody w dogodnych (stabilnych) warunkach laboratoryjnych minimalizując błędy. Funkcja samodiagnostyki elektrod pozwala na podjęcie odpowiednich działań prewencyjnych, co ma istotny wpływ na przedłużenie ich żywotności.
Komunikacja w elektrodach Hamilton
PODSUMOWANIE
Reasumując niniejszy artykuł należy zaznaczyć, że wprowadzone przez firmę Hamilton liczne udoskonalenia w elektrodach do pomiaru pH realnie wpływają na maksymalizację ich żywotności. Dodając do tego szeroką ofertę czujników, pozwalającą na dobór najbardziej optymalnej elektrody do danych warunków procesowych badanego medium, możemy być pewni, że odpowiednio dobrane elektrody będą pracowały znacznie dłużej niż te stosowane do tej pory.
autor:
Ewa Słomska-Czop
eslomska@introl.pl
