Как устроен и работает электрод pH в станциях дозирования химреагентов
Электрод pH предназначен для измерения количества ионов водорода (H+) в воде бассейна. Чем количество ионов водорода больше, а количество гидроксильных групп (ОН-) меньше, тем рН ниже и наоборот.
Чем ниже pH, тем среда кислотнее, чем выше, тем щелочнее. Для бассейна показание pH влияет на работоспособность хлора, поэтому о состоянии воды в бассейне всегда судят, начиная с pH. При регулярном обслуживании (сервисе) бассейна, измерение pH - важный пункт всего перечня работ. Принцип измерения pH
Схема измерения pH представляет собой два электрода, один из которых электрод сравнения, а второй индикаторный(измерительный) электрод. Гальваническую разницу потенциалов между этими электродами измеряет ph-метр, он же высокоомный милливольтметр.Измерительный электрод представляет собой ионоселективную мембрану, предназначенная для пропускания строго определенного вида ионов, в данном случае - ионы водорода. Мембрана делается из специального натриевого или литиевого стекла толщиной 0,006 - 0,1 мм в форме шарика. Потенциал электрода сравнения (хлорсеребряный электрод) является постоянным или опорным и не изменяется при изменении pH воды. Разность потенциалов между двумя электродами, для простоты, называют потенциалом измерительного электрода (Е), а сам метод измерения pH - потенциометрическим.Потенциал измерительного электрода зависит от концентрации или активности ионов водорода. Он высчитывается по формуле Нернста. За неимением у большинства бассейновых специалистов химического образования, приводить ее не будем. Однако из нее вытекает прямолинейная зависимость потенциала Е от рН. Эту зависимость называют водородной характеристикой электрода, а наклон водородной характеристики - крутизной. Как раз эта крутизна вычисляется и показывается на экранах некоторых контроллеров станций дозирования, что позволяет судить нам о степени годности электрода к дальнейшей работе или же требуемой замене на новый. В процессе эксплуатации крутизна электрода постепенно снижается.
Электрическая схема
Про крутизну водородной характеристикиНа водородный показатель оказывает влияние изменение температуры при одинаковой pH: при росте температуры растет и крутизна.
Теоретическая крутизна должна быть 59,16 мВ/pH, но по разным причинам она бывает меньше. Если крутизна водородной характеристики электрода опустилась ниже 50 мВ/pH, электрод следует поменять на новый. А вообще, производитель станций дозирования в своих инструкциях помечает, что электроды - есть расходный материал и рассчитаны только на один год работы. Часто, в отсутствии полноценного технического обслуживания, на это не обращают внимания и электроды "работают" по несколько лет, до тех пор пока станция не выкачает на один прием всю канистру какого-нибудь химреагента. При снижении крутизны электрода ниже допустимой можно применить методы реанимации электродов, порой, если это дело не запустить, какое-то время электрод соглашается поработать еще. (см. Методы реанимации)Крутизну электродной функции можно рассчитать по формуле s=(U2-U1)/(pH2-pH1. Жаль только, что в техническом помещении бассейна отсутствуют лабораторные условия для таких замеров. Устройство измерительного электрода pH
Измерительный электрод представляет собой стеклянный цилиндр, одной стороны которого припаянный сферический наконечник электродного литиевого стекла, с другой - резьбовой коннектор, соединяющий хлорсеребрянный (Ag/AgCl) электрод с коаксиальным помехозащищенным кабелем. Полость внутри электрода заполняют высоковязким гелем KCl.Электродное стекло имеет форму шарика и припаяно к стеклянному корпусу электрода. Толщина этой стеклянной мембраны - 0,006 - 0,1 мм. Стеклянная мембрана обладает селективными способностями пропускать в обеих направлениях только ионы водорода. На поверхности мембраны создаются гелевые пленки, которые способствуют этой селективной способности к ионам водорода. Направление движения ионов зависит от их концентрации в электролитах: поток ионов напрвляется туда где их меньше. При этой дифузии и создается потенциал электрода. Устройство комбинированного электрода pHВышерасмотренную схему из двух электродов можно совместить в один электрод и будет он называться комбинированным по причине наличия в одном корпусе как измерительного, так и сравнительного электрода. Внешний корпус может быть сделан и из стекла и из прозрачного пластика. Корпус электрода из пластика более неприхотлив, стоек к ударам, но внутренности у него все равно стеклянные, пробовать на удар, как ударостойкие часы не стоит.
Комбинированный электрод pH устроен аналогично отдельным измерительным и сравнительным электродам pH. Оба электрода из хлорсеребра, вспомогательный электрод запаенный, не проточный.Заполняются полости электродов раствором KCl 3 моль/л. Запуск электродов в работуЭлектроды запускаются в работу при общем запуске бассейна в эксплуатацию после монтажа.Электроды поставляются упакованными в картонные коробки, погруженными опять же в раствор KCl 3 моль/л. Консервационные ампулы (сосуды) вместе с раствором, хорошо бы сохранить, в дальнейшем они могут понадобиться для восстановления гелевого слоя и пористой керамической пробки электрода сравнения.Перед расконсервацией (весенняя расконсервация бассейна) электрода наполните измерительную кювету водой, внимательно исследуйте состояние электрода, вдруг он будет разморожен, треснут или разбит. Царапина на электродном стекле также засчитается за некондицию. Осмотрите залитые растворы в электроде на предмет пузырьков воздуха, встряхивая электрод, как в былое время ртутный градусник, выгоните все пузырьки наверх.Осторожно, не касаясь наконечника электродного стекла, погрузите электрод в кювету, закрутите резьбу до полной герметизации резинового уплотнителя. Не вытирайте ничем стеклянный шарик, особенно чем ни будь шершавым, а особенно абразивным. Нельзя повредить гелевый слой и само стекло. Если гелевый слой еще можно реанимировать, то после повреждения стекла можно электрод сдавать в утиль.При закручивании не сверните присоединение коаксиального кабеля. Присоедините разьем кабеля к соответствующему разьему pH на станции дозирования.Пустите через кювету измеряемую воду со скоростью потока в 2–3 м/с. У некоторых станций дозирования в кювете располагается поплавок с герконом или же ротаметр, точно измеряющие скорость потока. В станциях попроще этих устройств нет, скорость потока определяется "на глаз". Какое то время требуется электродам для адаптации к среде измерения, после этого их стоит откалибровать.Электроды, хранившиеся долгое время (более 18 месяцев), хоть и в надлежавших условиях, могут не показать заложенные в них характеристики и их следует, к сожалению, утилизировать. От поставки оборудования водоподготовки на обьект и до запуска бассейна всегда проходит какое-то время и поэтому перед использованием электрода, хорошо бы, опустить его на некоторое время в 0,1 М растворе HCl. Хранение электродовПри консервации бассейнового оборудования, к примеру, на зиму или в каких-то других уважительных случаях, электроды можно сохранять без потери характеристик. Сохранность электродов достигается при использовании ампул, в которые их упаковывал производитель. Консервационная жидкость может быть KCl, буферный раствор pH4 или водопроводная вода. Восстановительные работы по реанимации утратившего свои характеристики электродаСтеклянная мембрана для сохранения гелевого слоя должна быть постоянно во влажном состоянии. Если электрод по каким то причинам высох, можно попробовать его реанимировать его, опустив на 24 часа в раствор 3М KCl или хотя бы на ночь, можно раствор подогреть для ускорения процесса до 60 градусов, затрата времени уменьшится до 6 часов.Электрод, долго находившийся в сухом состоянии может вообще из комы не выйти, или же проработает совсем недолго.Для протравки стеклянной мембраны и активации гелевого слоя, производители электродов рекомендуют погрузить на 60 секунд в слабый раствор(10%) фторида аммония, затем сразу для нейтрализации предыдущего реактива опустить в 5M раствор HCl, затем тщательно промыть в воде и на ночь оставить в растворе 3М KCl. Утром опять промыть в воде и откалибровать. Очистка электрода при техническом обслуживанииВ процессе эксплуатации на поверхности стеклянной мембраны и пористой керамической пробки могут отлагаться различного рода пленки, препятствующие нормальному ионообмену и как следствие искажению показаний электрода. Для удаления таких пленок применяются различные вещества.
| Вид загрязняющей пленки | Чем и как чистить |
| Смешанная | Промыть водой, высушить, отмочить в 5%-ом растворе HCl на 15 минут.Промыть, высушить, отмочить в течение 1 часа в 3M растворе KCl, промыть в воде, сделать калибровку. |
| Неорганическая | Промыть водой, высушить, отмочить в 0,1M растворе ЭДТ в течении 15 минут.Промыть, высушить, отмочить в течение 1 часа в 3M растворе KCl, промыть в воде, сделать калибровку. |
| Белковая | Промыть водой, высушить, отмочить в 5%-ом растворе HCl на 15 минут, можно в растворе HCl 0,1 моль и 0,1% пепсина.Промыть, высушить, отмочить в течение 1 часа в 3M растворе KCl, промыть в воде, сделать калибровку |
| Масляная | Промыть раствором моющего вещества или этанола.Промыть, высушить, отмочить в течение 1 часа в 3M растворе KCl, промыть в воде, сделать калибровку |
| Сульфид серебра | Отмочить в 0,1М растворе тиомочевины.Промыть, высушить, отмочить в течение 1 часа в 3M растворе KCl, промыть в воде, сделать калибровку. |
| Твердые отложения | Размачивать при помощи перекиси водорода или гипохлорита натрия.Промыть, высушить, отмочить в течение 1 часа в 3M растворе KCl, промыть в воде, сделать калибровку |
Про буферные растворы (калибровочные жидкости)
Буферные растворы поставляются вместе со станцией дозирования, а также их можно купить каждый отдельно. Срок жизни их недолог, регулярно надо их обновлять. Было бы идеально обновлять вместе с заменой электродов, ежегодно. Нельзя использовать растворы, постоявшие некоторое время с незакрытыми пробками. Чтобы в процессе калибровки электродов не путать растворы их подкрашивают в разные цвета, бутылочки помечают разноцветными наклейками и такими же крышками. Там же помечается отклонение рН буферного раствора при разных температурах. Хранить растворы лучше в темном прохладном месте. Кто-то советует - в холодильнике. В таком случае перед употреблением растворы следует нагреть до 25 градусов.
Влияние температурыНа изменение крутизны графика влияет только температура, остальные параметры влияют на смещение графика по осям.
В нижепривеных таблицах показаны расхождения показателя рН при разных температурах измеряемой воды и буферных растворах.Однако поскольку расхождения не такие большие при температурах эксплуатации бассейна, то их можно не учитывать. И как бы то ни было, в некоторых станциах дозации в измерительных кюветах или отдельно используются датчики температуры для внесения температурного коэффициента в формулу пересчета показателя pH.
Отклонение значений pH под воздействием температуры
| Значение pH и температура | ||||||
| 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | |
| 0 °C | 3,78 | 4,85 | 5,93 | 7,00 | 8,07 | 9,15 |
| 5 °C | 3,84 | 4,89 | 5,95 | 7,00 | 8,05 | 9,11 |
| 10 °C | 3,89 | 4,93 | 5,96 | 7,00 | 8,04 | 9,07 |
| 15 °C | 3,95 | 4,97 | 5,98 | 7,00 | 8,02 | 9,03 |
| 20 °C | 4,00 | 5,00 | 6,00 | 7,00 | 8,00 | 9,00 |
| 25 °C | 4,05 | 5,03 | 6,02 | 7,00 | 7,98 | 8,97 |
| 30 °C | 4,10 | 5,07 | 6,03 | 7,00 | 7,97 | 8,93 |
| 35 °C | 4,15 | 5,10 | 6,05 | 7,00 | 7,95 | 8,90 |
Влияние температуры на pH калибровочных (буферных) растворов
| Температура,°С | Значение pH | Отклонение,% | Значение pH | Отклонение,% | Значение pH | Отклонение,% |
| 5 | 4,01 | 0,25 | 7,07 | 1,00 | 9,39 | 1,84 |
| 10 | 4,00 | 0,00 | 7,05 | 0,71 | 9,33 | 1,19 |
| 15 | 4,00 | 0,00 | 7,03 | 0,43 | 9,27 | 0,54 |
| 20 | 4,00 | 0,00 | 7,00 | 0,00 | 9,22 | 0,00 |
| 25 | 4,01 | 0,25 | 7,00 | 0,00 | 9,18 | –0,43 |
| 30 | 4,01 | 0,25 | 6,97 | –0,43 | 9,14 | –0,87 |
| 35 | 4,02 | 0,50 | 6,96 | –0,57 | 9,10 | –1,30 |