יישום של מד pH ומד חמצן מומס בטיפול בביוב
1 עקרון עבודה
1.1 עקרון עבודה של מד pH
ניתן לבטא את ה-pH של כל תמיסה במונחים של ריכוז יוני מימן. בשל השפעת היינון של המים עצמם, כל ליטר מים טהורים מכיל 10-7 גרם של [H פלוס ] ב-22 מעלות צלזיוס, והמשקל האטומי והערכיות האטומית של מימן הם שניהם 1, כך שכל ליטר מים טהורים מכיל 10-7 שווי גרם של [H פלוס ] ], מכיוון ש-[H פלוס ] במים טהורים נוצר עקב ניתוק מולקולות המים עצמן, כלומר:
H2O=H פלוס פלוס OH-
מים טהורים הם ניטרליים, כלומר, הריכוזים של שני היונים שווים, [H פלוס ]=[OH-], המכפלה שלהם היא קבוע טמפרטורה קבוע, הנקרא תוצר יונים K water.
K מים=[H פלוס ][OH-]=10-7*10-7=10-14
הנוסחה שלעיל חלה על כל תמיסת חומצה-בסיס, כלומר כל תמיסה מימית, שבה תוצר [H פלוס ][OH-] שווה ל-10-14. לדוגמה, בתמיסה מימית כלשהי [H פלוס ]=10-3, אז [OH-] חייב להיות 10-11, אז עבור כל סוג של תמיסה מימית, כל עוד ידוע [H פלוס ], אז [ OH-] קל להשגה, בדרך כלל ה-pH מוגדר על ידי הערך השלילי של הלוגריתם הנפוץ של ריכוז יוני המימן, מבוטא כ: pH=-lg[H plus ],
אז ה-pH של תמיסה ניטרלית שווה ל-7. אם יש עודף של יוני מימן, ערך ה-pH קטן מ-7, והתמיסה חומצית; אחרת, התמיסה היא בסיסית אם יש עודף של יוני הידרוקסיד.
ערך ה-pH תלוי בכמות החומרים המומסים, כך שערך ה-pH יכול להצביע ברגישות על השינוי באיכות המים. לשינוי ערך ה-pH יש השפעה רבה על הרבייה והישרדות של אורגניזמים, וגם משפיע באופן רציני על התפקוד הביוכימי של בוצה פעילה, המשפיעה על השפעת הטיפול. ערך ה-pH של ביוב נשלט בדרך כלל בין 6.5 ל-7.
ערך ה-pH נמדד בדרך כלל בשיטה הפוטנציומטרית. בדרך כלל משתמשים באלקטרודת ייחוס עם פוטנציאל קבוע ואלקטרודת מדידה ליצירת סוללה ראשית. הכוח האלקטרו-מוטיבי של הסוללה הראשונית תלוי בריכוז יוני המימן ותלוי גם ב-pH של התמיסה. סוג מד pH שוקעת. אלקטרודת המדידה של המכשיר מאמצת אלקטרודת זכוכית מיוחדת הרגישה ל-pH, בעלת מאפיינים של דיוק מדידה גבוה ואנטי-הפרעות טוב. כאשר הוא טובל בתמיסה לבדיקה, יוני המימן בתמיסה הנבדקת מאוזנים עם יוני המימן בשכבת ההידרציה על פני נורת האלקטרודה, ובמקביל, התמיסה בתוך ומחוצה לה. נורת זכוכית ושכבת ההידרציה על הדופן הפנימית של נורת האלקטרודה מייצרות הפרש פוטנציאלים, ואלקטרודת הזכוכית החלק הפנימי מלא בתמיסת חיץ בעלת ערך pH קבוע, ואלקטרודת העופרת טבולה בתמיסה הפנימית כדי יוצרים חצי תא, וחצי התא הנוצר על ידי טבילת אלקטרודת הקלומלית בתמיסת אשלגן כלורי רוויה מוכנס בו זמנית לממיר לצורך מדידה. ערכי pH שונים תואמים לפוטנציאלים שונים, המומרים לפלט 4-20mA סטנדרטי דרך המשדר.
1.2 עקרון עבודה של מנתח חמצן מומס
תכולת החמצן במים יכולה להראות באופן מלא את מידת הטיהור העצמי של המים. למפעלי טיפול ביולוגי המשתמשים בבוצה פעילה, חשוב מאוד לדעת את תכולת החמצן של מיכל האוורור. הגדלת החמצן המומס בביוב תקדם פעילויות ביולוגיות שאינן מיקרואורגניזמים אנאירוביים, ובכך תסיר חומרים נדיפים וחומרים המועדים ליוני חמצון טבעיים לטיהור הביוב.
קיימות שלוש שיטות עיקריות לקביעת תכולת החמצן: ניתוח קולורימטרי אוטומטי ומדידה של אנליזה כימית, מדידת שיטה פרמגנטית ומדידה שיטה אלקטרוכימית. כמות החמצן המומס במים נמדדת בדרך כלל בשיטה אלקטרוכימית.
חמצן יכול להתמוסס במים, והמסיסות תלויה בטמפרטורה, בלחץ הכולל של פני המים, בלחץ החלקי ובמלחים המומסים במים. ככל שהלחץ האטמוספרי גבוה יותר, כך גדלה יכולתם של המים להמיס חמצן. מערכת היחסים נקבעת על פי חוק הנרי וחוק דלטון. חוק הנרי קובע כי מסיסותו של גז עומדת ביחס ישר ללחץ החלקי שלו.
חיישן מדידת החמצן מורכב מקתודה (העשויה בדרך כלל מזהב ופלטינה), אלקטרודה נגדית נושאת זרם (כסף), ואלקטרודת ייחוס נטולת זרם (כסף). האלקטרודות טבולות באלקטרוליטים כגון KCl ו-KOH, והחיישן מכוסה על ידי דיאפרגמה. הציפוי מפריד בין האלקטרודות והאלקטרוליט לנוזל המיועד למדידה ורק גז מומס יכול לחדור אל הציפוי ובכך להגן על החיישן, למנוע בריחת האלקטרוליט ולמנוע חדירת חומרים זרים כדי לגרום לזיהום והרעלה.
מתח מקטב מופעל בין האלקטרודה הנגדית לקתודה. אם תא המדידה טובל במים עם חמצן מומס, החמצן מתפזר דרך הסרעפת ומולקולות החמצן הקיימות על הקתודה (עודף אלקטרונים) מופחתות ליוני הידרוקסיד [OH-]. המקבילה האלקטרוכימית של כסף כלוריד מושקעת על האלקטרודה הנגדית (מחסור באלקטרון). עבור כל מולקולת חמצן, הקתודה פולטת 4 אלקטרונים, והאלקטרודה הנגדית מקבלת אלקטרונים ליצירת זרם: 4Ag ועוד 4Cl-=4AgCl ועוד 4e-.
גודל הזרם הוא פרופורציונלי ללחץ החלקי של החמצן בביוב הנמדד. האות נשלח למשדר יחד עם אות הטמפרטורה הנמדד על ידי ההתנגדות התרמית על החיישן. עקומת הקשר מחשבת את תכולת החמצן במים, ולאחר מכן ממירה אותה לפלט אות סטנדרטי. תפקידה של אלקטרודת הייחוס הוא לקבוע את הפוטנציאל הקתודי.
2.1 מאפיינים של מד pH
הזכוכית שעל אלקטרודת ה-pH תתיישן בהדרגה עם הזמן, הגרדיאנט (השינוי בפוטנציאל הפלט של האלקטרודה שנגרם כתוצאה משינוי ב-pH ביחידה) יתדרדר, וייקח זמן רב להגיע לפוטנציאל יציב. חיי השירות של אלקטרודות כלליות יכולים להגיע לשנתיים. בנוסף, לטמפרטורה יש גם השפעה רבה על ההזדקנות. דרגת היישון של אחסון ב-100 מעלות למשך מספר שבועות שווה לדרגת היישון של אחסון בטמפרטורת החדר למשך שנה.
למד pH יש את היתרונות של מדידה מדויקת, אמינות גבוהה והתקנה ותחזוקה נוחים. הוא גם רגיש לזיהום ודורש כיול תכוף. בדרך כלל, הוא מכויל כל חודש עד חודש וחצי, והאלקטרודה מוחלפת כל שנתיים.
2.2 תכונות של מד חמצן מומס
למד החמצן המומס יש מאפיינים של התקנה קלה, תקופת כיול ארוכה (3~4 חודשים), חוסר רגישות לחומרים אחרים וכו', והוא יכול לנטר את השימוש באלקטרוליט בממברנה ובגשש. בדרך כלל, יש להחליף את האלקטרוליט והממברנה כל שנה עד שלוש שנים. .
