Av Knut Erik Boland, InLine Prosess AS
Samtidig kan kontinuerlig måling i prosessen, samt automatiske rengjørings- og kalibreringssystemer, løfte analysen ytterligere.
Fram til 1980-tallet var det mest vanlig å måle pH på lab. Men i tillegg å måle direkte i prosessen, der produktet blir til, er de senere årene blitt stadig mer verdsatt. Dette skyldes flere faktorer, blant annet:
- Den viktigste kan være å få en alarm hvis pH-verdien kommer utenfor ønsket område.
- Øyeblikkelige tiltak kan bli gjordt før produktet i verste fall kan gå tapt.
- Dokumentasjon og historikk, av pH-verdien under produksjonen, er også viktige faktorer.
De fleste som måler pH i prosessen har ganske sikkert opplevd problemer og til dels mye vedlikehold på utstyret. Som spøk har man hørt at pH står for perHaps eller plunder og Heft.
Valg og vedlikehold
Den virkelige betydningen er power of Hydrogen – konsentrasjonen av H+ ioner. Selve hjertet, i en pH sløyfe, er pH-elektroden, og med sitt finurlige måleprinsipp kan pH målingen bære galt av sted hvis denne håndteres feil. Nettopp her ligger ”hunden begravet” når det gjelder årsak til problemer med pH målingen.
Først og fremst må det velges riktig pH-elektrode til den aktuelle applikasjonen. Det finnes mange typer elektroder på markedet, og de er laget for å klare ulike oppgaver innenfor pH-måling. Videre må elektroden alltid holdes fuktig, og sist men ikke minst – hold den ren!! Og benytt kjemisk rengjøring, ikke mekanisk.
For å få full glede av pH-utstyret, er det viktig å forstå hvordan en pH-elektrode fungerer – der selve målingen foregår. Om dette kan det skrives mye, men la oss dele elektroden opp i de 3 viktigste delene; Glass membranet, diafragma og referansesystemet.
Glass membranet
.png){kind=logo}
er et spesialglass som finnes på tuppen av pH-elektroden. Og her foregår pH-målingen. Dette glasset danner et tynt gel-sjikt når det er i kontakt med vann, og dette er sensitivt mot H3O+ ionene i vannet (”syredelen” ). Dette gel-sjiktet er helt nødvendig for at pH målingen skal kunne foregå, og er også forklaringen på hvorfor pH-elektroden alltid må holdes fuktig, slik at dette ikke tørker ut.
Her ligger også forklaringen på hvorfor pH-elektroden ikke må rengjøres mekanisk, men kjemisk. En mekanisk rengjøring vil kunne skade og/eller fjerne gel-sjiktet, og kan også skape statisk elektrisitet på glass membranet.
H3O+ ionene skaper et elektrisk potensial i gel-sjiktet, ca. 58 mV pr. pH enhet, med 0 mV i pH 7 = nøytral løsning, og dette signalet bringes fra elektroden til pH-instrumentet.
Diafragma
Finnes gjerne som en liten hvit prikk, 2-3 cm fra tuppen av elektroden. Den består som oftest av et keramisk materiale. Diafragma fungerer som en ”bro” mellom målemediet og referansesystemet (inne i elektroden).
Og her oppstår de aller fleste problemer med pH målingen – diafragma tettes igjen ved at stoffer i målemediet gror fast til denne. For å bote på dette, må diafragma alltid holdes åpen og ren, ved enten manuell eller automatisk rengjøring.
Likt løser likt i kjemien, så her må det velges egnet rengjøringsmiddel opp mot hva pH-elektroden måler i. Alt bortsett fra flussyre (HF) kan benyttes til rengjøring, men benytt gjerne et miljøvennlig alternativ hvis mulig – godt varmt vann (50-60ºC), sammen med en god husholdningssåpe (eks. Zalo eller flytende Omo). Ved automatisk rengjøring av pH-elektroden benyttes ofte varmt vann og /eller en fortynnet saltsyreløsning.
Referansesystemet
I pH-elektroden fungerer omtrent som minuspolen på et batteri. Her skal det holdes en mest mulig konstant 0-verdi opp mot spenningssignalet som dannes på glass membranet. Referansesystemet består av en referanseelektrode og en elektrolyttvæske (ofte 3M KCl) som referanseelektroden står i.
Hovedsakelig 2 problemsituasjoner kan oppstå mot referansesystemet. Den ene er at diafragma gror igjen, som da hindrer målemedie sin kontakt med referansesystemet. Det er nemlig slik at pH-elektroden, med sitt glass membran, målemedie og referansesystemet (med kontakt til målemedie via diafragma) danner en strømsløyfe, som kompletteres med pH-elektrodekabelen til pH-instrumentet.
Hvis diafragma tettes igjen, vil dette skape en økt motstand, i verste fall nesten et brudd i denne strømsløyfen. Dette vil naturlig nok påvirke signalet til pH-instrumentet vesentlig, og resultatet blir visning av feil verdi. Igjen ser vi hvor viktig det er å holde diafragma åpen og ren.
Pass på trykket
Den andre situasjonen er hvis prosesstrykket, på utsiden av pH elektroden, er større enn trykket på innsiden. La oss tenke oss at målemediet befinner seg i et rør, hvor trykket er 3 bar. Internt i pH-elektroden er det atmosfærisk trykk, altså rundt 1 bar.
Resultatet er at målemediet får muligheten til å presse seg inn i pH-elektroden via diafragma og blande seg med referanseelektrolytten. Elektrolytten blir da ”forgiftet” som igjen påvirker stabiliteten til referansesystemet. Det blir feilvisning av pH-verdien, og elektroden er dessuten ødelagt, såfremt ikke referanseelektrolytten kan skiftes.
En slik situasjon kan løses på 2 måter:
en by-pass sløyfe, ut fra røret, og få ned trykket før måling, eller
benytte en pH-elektrode, med internt trykk, som overgår prosesstrykket.
Temperaturavhengighet
pH-verdien i en løsning er så absolutt temperaturavhengig. Når man oppgir en pH-verdi målt, bør man også oppgi ved hvilken temperatur. Moderne pH-elektroder har gjerne innebygget temperaturføler, slik at temperatursignalet kan mates til pH-instrumentet som igjen kan kompensere for temperaturen, ved hjelp av den såkalte Nernst ligning. pH-verdien som vises på displayet er da temperaturkompensert.
Her er det viktig å være klar over en ting – den kjemiske forandring i målemedie som skjer ved temperaturvariasjoner og som påvirker pH-verdien, kan ingen gjøre noe med. Det instrumentet gjør ved temperaturkompensering er å forandre slope- (stigningstallet) på den lineære kurven som pH-elektroden følger ved måling.
Kurven krysser i 0 ved pH 7, sogar uansett temperatur, men jo lenger vekk fra pH 7 det måles, desto viktigere blir det med temperaturkompensering. Hvis man for eksempel har kalibrert pH-systemet ved 25ºC, pH 7, og måler i en væske etterpå med 80ºC og pH 12, uten å temperaturkompensering, er den teoretiske feilavlesningen 0,82 pH. Benytt temperaturkompenseringen både ved kalibrering og måling. Benytt alltid friske pH-buffere ved kalibrering. Og husk å rengjøre pH-elektroden godt først.
Prosess vs lab
Mange har opplevd ulik pH-verdi, på samme prøve, i prosessen og lab. Hva skyldes dette? Og hvilken måling er riktig? Svaret på sistnevnte er at begge er riktige, såfremt egnet pH-elektrode er benyttet og korrekt kalibrering er utført. Forskjellen skyldes at målingene skjer under ulike betingelser!
I prosessen er gjerne trykket, væskestrømmen (flow) og temperaturen annerledes enn på lab. Dessuten har man en avgrenset prøve, noen få dl, fra prosessen på lab. I prosessen blir pH-elektroden kontinuerlig eksponert for ny prøve. Hvis vi går litt tilbake til måleprinsippet (se hovedtekst), hvor gel-sjiktet på glass membranet fanger opp konsentrasjonen av H3O+ ioner og gir dette i form av et millivolt-signal til pH-instrumentet, tar dette litt tid. pH-elektroden har en viss responstid før stabil måling vises, typisk 10-20 sekunder, for en ”rask” elektrode.
Hvis pH-elektroden, i prosessen, blir utsatt for hyppige pH-variasjoner, kan den bli ”hengende litt etter” før riktig, og stabil, verdi vises. På lab måles, for eksempel på en halvliter prøve, med konstant flow, ved hjelp av magnetrører, og ved romtemperatur. pH-elektroden får en helt annen situasjon til å stabilisere seg under slike forhold.
Selv om pH-elektroden har tøffere betingelser i prosessen enn på lab, anbefales absolutt måling i prosessen. Det er tross alt her produktet blir til! Og med dagens pH elektroder som er beregnet for krevende betingelser i prosessen, er en målenøyaktighet innenfor 0,2 pH fullt ut oppnåelig.
Auto-rengjøring og -kalibrering
Hovedteksten stresser viktigheten av å holde pH-elektroden ren, for så riktig og nøyaktig måling som mulig og samtidig få maskimal livslengde (for elektroden). Jevnlige kalibreringer hører også med, og dette med å holde elektroden fuktig til enhver tid. Kanskje utfordrende i en hektisk hverdag?
Heldigvis finnes det løsninger på dette også. Dersom det er behov for rengjøring av elektroden flere ganger i uka, kan det absolutt lønne seg å investere i et automatisk rengjøringssytem. Da blir jobben helt sikkert gjort i ønsket tidsintervall, og arbeidskapasitet frigjøres til andre oppgaver.
Et eksempel er en neddykkarmatur. Her blir pH-elektroden nærmest ”høytrykksvasket”, med tilførsel av vann eller luft gjennom små dyser.
Det finnes også helautomatiske systemer som både kalibrerer og rengjør pH-elektroden.
Eierskap essensielt!
Eierskap til pH utstyret er vitalt. En pH elektrode er en skjør gjenstand i glass, og med et måleprinsipp som krever at den får jevnlig ettersyn, for å fungere som den skal. Hold den ren, hold den fuktig og foreta jevnlige kalibreringer med friske pH-buffere. Når pH-elektroden ikke er i bruk, la den stå i for eksempel en referanseelektrolytt, 3M KCl, men bruk aldri destillert vann.
