pH-Messung

Eine sehr wichtige Messung in vielen flüssigen chemischen Prozessen (Industrie, Pharmazie, Herstellung, Lebensmittelproduktion usw.) ist die des pH-Werts:die Messung der Wasserstoffionenkonzentration in einer flüssigen Lösung. Eine Lösung mit einem niedrigen pH-Wert wird als „Säure“ bezeichnet, während eine mit einem hohen pH-Wert als „Laugen“ bezeichnet wird. Die übliche pH-Skala reicht von 0 (stark sauer) bis 14 (stark ätzend), wobei 7 in der Mitte reines Wasser (neutral) darstellt:

Der pH-Wert ist wie folgt definiert:Der Kleinbuchstabe „p“ in pH steht für den negativen gemeinsamen (zu zehn) Logarithmus, während der Großbuchstabe „H“ für das Element Wasserstoff steht. Somit ist der pH-Wert ein logarithmisches Maß für die Molzahl von Wasserstoffionen (H+) pro Liter Lösung. Übrigens wird das Präfix „p“ auch bei anderen Arten chemischer Messungen verwendet, bei denen eine logarithmische Skala erwünscht ist, pCO2 (Kohlendioxid) und pO2 (Sauerstoff) sind zwei Beispiele dafür.

Die logarithmische pH-Skala funktioniert so:eine Lösung mit 10 ^-12 Mol H+-Ionen pro Liter haben einen pH-Wert von 12; eine Lösung mit 10 ^-3 Mol H+-Ionen pro Liter hat einen pH-Wert von 3. Obwohl es sehr selten ist, gibt es eine Säure mit einem pH-Wert unter 0 und eine Lauge mit einem pH-Wert über 14. Solche Lösungen sind verständlicherweise ziemlich konzentriert und extrem reaktiv.

pH-Elektroden

Während der pH-Wert durch Farbänderungen in bestimmten chemischen Pulvern gemessen werden kann (der „Lackmusstreifen“ ist ein bekanntes Beispiel aus dem Chemieunterricht an Gymnasien), erfordert die kontinuierliche Prozessüberwachung und -kontrolle einen komplexeren Ansatz. Der gebräuchlichste Ansatz ist die Verwendung einer speziell vorbereiteten Elektrode, die es ermöglicht, Wasserstoffionen in der Lösung durch eine selektive Barriere zu wandern, wodurch eine messbare Potentialdifferenz (Spannung) proportional zum pH-Wert der Lösung erzeugt wird:

Die Konstruktions- und Betriebstheorie von pH-Elektroden ist ein sehr komplexes Thema, das hier nur kurz beleuchtet wird. Wichtig zu verstehen ist, dass diese beiden Elektroden eine Spannung erzeugen, die direkt proportional zum pH-Wert der Lösung ist. Bei einem pH-Wert von 7 (neutral) erzeugen die Elektroden zwischen ihnen 0 Volt. Bei einem niedrigen pH-Wert (Säure) wird eine Spannung mit einer Polarität entwickelt, und bei einem hohen pH-Wert (Laugen) wird eine Spannung mit der entgegengesetzten Polarität entwickelt.

Messelektrode

Eine bedauerliche Einschränkung bei der Konstruktion von pH-Elektroden besteht darin, dass eine von ihnen (die so genannte Messung Elektrode) muss aus Spezialglas bestehen, um die ionenselektive Barriere zu schaffen, die benötigt wird, um Wasserstoffionen von allen anderen in der Lösung herumschwimmenden Ionen abzuschirmen. Dieses Glas ist chemisch mit Lithiumionen dotiert, wodurch es elektrochemisch zu Wasserstoffionen reagiert. Natürlich ist Glas nicht gerade das, was man als „Dirigent“ bezeichnen würde; Vielmehr ist es ein extrem guter Isolator.

Dies stellt ein großes Problem dar, wenn wir die Spannung zwischen den beiden Elektroden messen möchten. Der Strompfad von einem Elektrodenkontakt, durch die Glasbarriere, durch die Lösung, zur anderen Elektrode und zurück durch den Kontakt der anderen Elektrode ist einer von extrem hoher Widerstand.

Referenzelektrode

Die andere Elektrode (genannt Referenz Elektrode) besteht aus einer chemischen Lösung einer neutralen (7) pH-Pufferlösung (normalerweise Kaliumchlorid), die durch einen porösen Separator Ionen mit der Prozesslösung austauschen kann, wodurch eine Verbindung mit relativ geringem Widerstand zur Testflüssigkeit gebildet wird. Zunächst könnte man sich fragen:Warum nicht einfach einen Metalldraht in die Lösung tauchen, um eine elektrische Verbindung zur Flüssigkeit herzustellen? Der Grund, warum dies nicht funktioniert, ist, dass Metalle in ionischen Lösungen dazu neigen, hochreaktiv zu sein und eine erhebliche Spannung an der Grenzfläche des Metall-Flüssigkeits-Kontakts erzeugen können.

Die Verwendung einer nasschemischen Grenzschicht mit der gemessenen Lösung ist erforderlich, um die Erzeugung einer solchen Spannung zu vermeiden, die natürlich von jedem Messgerät fälschlicherweise als pH-Wert interpretiert würde.

Hier ist eine Illustration des Aufbaus der Messelektrode. Beachten Sie die dünne, mit Lithium dotierte Glasmembran, über die die pH-Spannung erzeugt wird:

Hier ist eine Illustration des Aufbaus der Referenzelektrode. Die poröse Verbindung unten an der Elektrode ist die Schnittstelle zwischen Kaliumchloridpuffer und Prozessflüssigkeit:

Der Zweck der Messelektrode besteht darin, die Spannung zu erzeugen, mit der der pH-Wert der Lösung gemessen wird. Diese Spannung erscheint über die gesamte Dicke des Glases und platziert den Silberdraht auf einer Seite der Spannung und die flüssige Lösung auf der anderen. Der Zweck der Referenzelektrode besteht darin, eine stabile, spannungsfreie Verbindung zur flüssigen Lösung herzustellen, damit ein vollständiger Stromkreis zur Messung der Spannung der Glaselektrode erstellt werden kann.

Während die Verbindung der Referenzelektrode zur Prüfflüssigkeit nur wenige Kiloohm betragen darf, kann der Widerstand der Glaselektrode je nach Elektrodenausführung zwischen zehn und neunhundert Megaohm betragen! Da jeder Strom in diesem Stromkreis durch beide fließen muss Elektrodenwiderstände (und der Widerstand der Prüfflüssigkeit selbst), liegen diese Widerstände in Reihe und addieren sich daher zu einer noch größeren Summe.

Ein gewöhnliches analoges oder sogar digitales Voltmeter hat einen viel zu geringen Innenwiderstand, um die Spannung in einer so hochohmigen Schaltung zu messen. Das Ersatzschaltbild einer typischen pH-Sondenschaltung veranschaulicht das Problem:

Selbst ein sehr kleiner Strom im Stromkreis, der durch den hohen Widerstand jeder Komponente im Stromkreis fließt (insbesondere die Glasmembran der Messelektrode), erzeugt relativ erhebliche Spannungsabfälle an diesen Widerständen, wodurch die vom Messgerät gemessene Spannung erheblich reduziert wird. Erschwerend kommt hinzu, dass die von der Messelektrode erzeugte Spannungsdifferenz sehr klein ist, im Millivolt-Bereich (idealerweise 59,16 Millivolt pro pH-Einheit bei Raumtemperatur). Das dafür verwendete Messgerät muss sehr empfindlich sein und einen extrem hohen Eingangswiderstand haben.

Die häufigste Lösung für dieses Messproblem besteht darin, ein verstärktes Messgerät mit einem extrem hohen Innenwiderstand zu verwenden, um die Elektrodenspannung zu messen, um so wenig Strom wie möglich durch den Stromkreis zu ziehen. Bei modernen Halbleiterbauelementen ein Voltmeter mit einem Eingangswiderstand von bis zu 10 ¹⁷ Ω kann mit wenig Aufwand gebaut werden. Ein anderer Ansatz, der in der heutigen Anwendung selten zu finden ist, besteht darin, einen potentiometrischen „Null-Balance“-Spannungsmessaufbau zu verwenden, um diese Spannung zu messen, ohne irgendein zu zeichnen Strom aus dem zu prüfenden Stromkreis. Wenn ein Techniker den Spannungsausgang zwischen einem Paar pH-Elektroden überprüfen möchte, wäre dies wahrscheinlich die praktischste Methode, dies nur mit Standard-Tischmessgeräten zu tun:

Wie üblich wurde die Präzisionsspannungsversorgung vom Techniker justiert, bis der Nulldetektor Null registrierte, dann wurde das parallel zur Versorgung geschaltete Voltmeter betrachtet, um eine Spannungsmessung zu erhalten. Wenn der Detektor auf Null gesetzt ist (genau Null registriert), sollte kein Strom im pH-Elektrodenkreis vorhanden sein und daher keine Spannung über den Widerständen einer der Elektroden abfallen, was die tatsächliche Elektrodenspannung an den Voltmeteranschlüssen ergibt.

Die Verdrahtungsanforderungen für pH-Elektroden sind in der Regel noch strenger als bei Thermoelementverdrahtungen und erfordern sehr saubere Verbindungen und kurze Drahtabstände (10 Meter oder weniger, selbst bei vergoldeten Kontakten und abgeschirmten Kabeln) für genaue und zuverlässige Messungen. Wie bei Thermoelementen werden jedoch die Nachteile der Elektroden-pH-Messung durch die Vorteile ausgeglichen:gute Genauigkeit und relative technische Einfachheit.

Nur wenige Instrumentierungstechnologien wecken die Ehrfurcht und Mystik, die die pH-Messung auslöst, weil sie so häufig missverstanden und schwer zu beheben ist. Ohne auf die genaue Chemie der pH-Messung einzugehen, können hier einige Weisheiten über pH-Messsysteme abgegeben werden:

• Alle pH-Elektroden haben eine begrenzte Lebensdauer, und diese Lebensdauer hängt stark von der Art und Schwere der Wartung ab. Bei einigen Anwendungen kann eine Lebensdauer der pH-Elektrode von einem Monat als lang angesehen werden, und bei anderen Anwendungen kann eine Lebensdauer derselben Elektrode(n) von über einem Jahr erwartet werden.
• Da die Glas-(Mess-)Elektrode für die Erzeugung der pH-proportionalen Spannung verantwortlich ist, ist sie als verdächtig anzusehen, wenn das Messsystem bei einer gegebenen pH-Änderung (ca. 59 Millivolt pro pH) keine ausreichende Spannungsänderung erzeugt Einheit) oder reagiert nicht schnell genug auf eine schnelle Änderung des pH-Werts der Testflüssigkeit.
• Wenn ein pH-Messsystem „driftet“ und Offset-Fehler erzeugt, liegt das Problem wahrscheinlich bei der Referenzelektrode, die eine spannungsfreie Verbindung mit der gemessenen Lösung herstellen soll.
• Da die pH-Messung eine logarithmische Darstellung der Ionenkonzentration ist, gibt es eine unglaubliche Bandbreite an Prozessbedingungen, die in der scheinbar einfachen pH-Skala von 0-14 dargestellt werden. Aufgrund der nichtlinearen Natur der logarithmischen Skala stellt eine Änderung des pH-Werts um 1 am oberen Ende (z (sagen wir von 2 bis 3 pH). Steuerungsingenieure und -techniker müssen sich dieser Dynamik bewusst sein, wenn es eine Hoffnung auf Kontrolle geben soll pH-Wert stabil verarbeiten.
• Gefährlich für Mess-(Glas-)Elektroden sind:hohe Temperaturen, extreme pH-Werte (sauer oder alkalisch), hohe Ionenkonzentration in der Flüssigkeit, Abrieb, Flusssäure in der Flüssigkeit (HF-Säure löst Glas auf!), und jede Art von Materialbeschichtung auf der Glasoberfläche.
• Temperaturänderungen in der gemessenen Flüssigkeit beeinflussen sowohl die Reaktion der Messelektrode auf einen bestimmten pH-Wert (idealerweise 59 mV pro pH-Einheit) als auch den tatsächlichen pH-Wert der Flüssigkeit. Temperaturmessgeräte können in die Flüssigkeit eingeführt werden, und die Signale dieser Geräte werden verwendet, um den Einfluss der Temperatur auf die pH-Messung zu kompensieren, aber dies kompensiert nur die mV/pH-Reaktion der Messelektrode, nicht die tatsächliche pH-Änderung des Prozesses flüssig!

Auf dem Gebiet der pH-Messung werden immer noch Fortschritte erzielt, von denen einige vielversprechend sind, um die traditionellen Einschränkungen von pH-Elektroden zu überwinden. Eine solche Technologie verwendet ein Gerät namens Feldeffekttransistor elektrostatisch die von einer ionendurchlässigen Membran erzeugte Spannung zu messen, anstatt die Spannung mit einer echten Voltmeterschaltung zu messen. Obwohl diese Technologie ihre eigenen Grenzen hat, ist sie zumindest ein zukunftsweisendes Konzept und kann sich zu einem späteren Zeitpunkt als praktischer erweisen.

RÜCKBLICK:

• pH ist eine Darstellung der Wasserstoffionenaktivität in einer Flüssigkeit. Es ist der negative Logarithmus der Anzahl der Wasserstoffionen (in Mol) pro Liter Flüssigkeit. Also:10 ^-11 Mol Wasserstoffionen in 1 Liter Flüssigkeit =11 pH. 10 ^-5,3 Mol Wasserstoffionen in 1 Liter Flüssigkeit =5,3 pH.
• Die basische pH-Skala reicht von 0 (starke Säure) über 7 (neutrales, reines Wasser) bis 14 (stark ätzend). Chemische Lösungen mit pH-Werten unter Null und über 14 sind möglich, aber selten.
• Der pH-Wert kann gemessen werden, indem die Spannung gemessen wird, die zwischen zwei speziellen Elektroden erzeugt wird, die in die flüssige Lösung eingetaucht sind.
• Eine Elektrode aus einem speziellen Glas wird als Messung bezeichnet Elektrode. Ihre Aufgabe besteht darin, eine kleine Spannung proportional zum pH zu erzeugen (idealerweise 59,16 mV pro pH-Einheit).
• Die andere Elektrode (als Referenz bezeichnet) Elektrode) verwendet eine poröse Verbindung zwischen der gemessenen Flüssigkeit und einer stabilen, neutralen pH-Pufferlösung (normalerweise Kaliumchlorid), um eine spannungsfreie elektrische Verbindung zur Flüssigkeit herzustellen. Dies bietet einen Durchgangspunkt für einen kompletten Stromkreis, so dass die Spannung, die über die Dicke des Glases in der Messelektrode erzeugt wird, mit einem externen Voltmeter gemessen werden kann.
• Der extrem hohe Widerstand der Glasmembran der Messelektrode erfordert die Verwendung eines Voltmeters mit extrem hohem Innenwiderstand oder eines Nullabgleich-Voltmeters, um die Spannung zu messen.