Hoe kies je de juiste pH-elektrode voor jouw specifieke toepassing?
Een pH-meting is voor velen zo triviaal geworden dat je er nog maar zelden stil bij staat. De keuze van de goede pH-elektrode is nochtans van het allergrootste belang. De juiste elektrode op de juiste plaats spaart kosten op onderhoud en kalibratie. Bovendien maakt het je meting echt betrouwbaar, wat meestal bijdraagt tot een verhoogde procesveiligheid, een betere productkwaliteit of een hoger rendement. Maar hoe bepaal je de beste elektrode voor jouw applicatie?
Om een goede keuze te maken is het nuttig te weten hoe een pH-elektrode is opgebouwd en welke functie de onderdelen hebben. Met deze kennis in het achterhoofd kan je een gegronde keuze bepalen.
Opbouw van een pH-elektrode
De pH-elektrode die we tegenwoordig gebruiken is een gecombineerde elektrode. Een gecombineerde elektrode bestaat uit de eigenlijke meetelektrode en een referentie-elektrode, vaak aangevuld met een temperatuursensor. De meetelektrode is meestal een glaselektrode, maar kan ook uit email vervaardigd zijn of gewoon een microchip (ISFET, ion sensitive field effect transistor) zijn. Vergis je niet, ook deze laatste is bedekt met een fijn glasplaatje. Er bestaan nog andere types zoals optische pH-probes, maar die laten we verder buiten beschouwing.
In de glaselektrode zit een vloeistof, de binnenbuffer. De binnenbuffer is een bufferoplossing met een gekende en vaste pH waarde. Die waarde kan in principe om het even wat zijn, maar in het merendeel van de gevallen is dit een buffer met een pH-waarde van circa 7.00. In de binnenbuffer zit een afleiddraad die via een connector verbonden is met de meetomvormer. Email elektrodes en ISFET elektrodes hebben geen binnenbuffer. De meetwaarde aan het meetoppervlak wordt onmiddellijk naar de meetomvormer geleid.
Naast de glaselektrode bevindt zich het diafragma. Het is een opening die de 'buitenwereld', de vloeistof waarvan u de pH wil meten, verbindt met de referentie-elektrode. In vele gevallen is dit diafragma poreus, gemaakt van keramisch materiaal, PTFE, hout, ... maar het kan net zo goed een open verbinding zijn. Specifiek voor labelektrodes kan dit ook een slijpstukdiafragma zijn, een ring- of cilindervormig passtuk dat los het open diafragma afdekt. Aan de andere kant van het diafragma zit het elektroliet. Een geconcentreerde zoutoplossing (meestal kaliumchloride, KCl 3M ionaire activiteit). In dit elektroliet is de eigenlijke referentie-elektrode gedompeld, eveneens een afleiddraad (zoals in de glaselektrode), in een zilverchloride (AgCl) omgeving, het zogenaamde Ag/AgCl referentiesysteem. De referentie-elektrode is verbonden met de andere ingang van de meetomvormer. Deze meet dan het verschil tussen het meetsignaal van de glaselektrode en het referentiesignaal. Dit potentiaalverschil wordt verder verwerkt en omgerekend naar de pH-waarde.
Bovenstaande uiteenzetting is een summiere basisbeschrijving van een klassieke pH-elektrode, maar voldoet voor het verdere betoog. In werkelijkheid is de constructie uitgebreider (en dus ingewikkelder).
Voor de volledigheid moeten we vermelden dat een pH-elektrode een temperatuursensor kan bevatten die gebruikt wordt voor de temperatuurcompensatie van de pH-meting.
Bijna elke klassieke pH-elektrode is opgebouwd zoals hierboven beschreven. Waarin zitten dan de verschillen tussen de verschillende types en merken?
Het glas
Het pH-gevoelige glas is het eigenlijke detectie element of gevoelige deel van de sensor. De samenstelling ervan is één van de best bewaarde geheimen van de fabrikant en wordt dan ook nooit vrijgegeven. Er bestaan heel wat verschillende glassoorten die specifieke geschikt zijn voor één of meerdere toepassingsgebieden. Een typisch voorbeeld is de speciale glassamenstelling voor farmaceutische toepassingen of biotech-industrie waar elektrodes blootgesteld worden aan bijvoorbeeld CIP/SIP-cycli. In de voedingsindustrie wordt meestal geen glas in de productieomgeving of productieproces toegestaan. Men kiest daarom vaak voor een ISFET-elektrode. Vergeet echter niet dat ook hier een, zij het uiterst klein, glazen oppervlak aanwezig is.
Een alternatief in deze situatie is een emailelektrode. Let op, ook hier zijn verschillen in samenstelling. In toepassingen waarbij sterilisatie of autoclavering noodzakelijk is, kiest men best voor glassoorten die een betere nulpuntstabiliteit hebben. Dit betekent dat men dergelijke elektrodes veel vaker kan steriliseren en/of autoclaveren dan 'gewone' elektrodes. Voor gebruik in koude oplossingen (rond of onder 0°C) alsook voor oplossingen met een relatief hoge concentratie aan fluoride-ionen werden eveneens specifieke glassoorten ontwikkeld.
Het diafragma
Het diafragma is, zoals hierboven vermeld, de verbinding tussen het procesmedium en de referentie-elektrode. Meestal is dit diafragma poreus. De poriegrootte en het aantal diafragma’s is onder meer afhankelijk van het gebruikte elektroliet. Elektrodes met polymeerelektroliet hebben geen poreus diafragma, maar een open verbinding. Deze types zijn over het algemeen beter geschikt voor gebruik in media met zwevende stoffen of in vervuilde oplossingen, waar diafragmapotentialen verwacht worden. In tegenstelling met wat vaak wordt gedacht, is het diafragma de meest voorkomende oorzaak van meetfouten of slecht functioneren van de elektrode. Veelal is dit een gevolg van vervuiling. Het is dus van het allergrootste belang het diafragma zuiver te houden door elektrolietuitstroming te garanderen. Dit kan door zowel door interne overdruk in de elektrode zelf als door externe druk.
Het referentie-elektroliet
Het elektroliet is vrijwel altijd op basis van kaliumchloride, KCl, in een activiteit van 3 mol per liter (3M). Zuivere KCl, 3M, verdient in de meeste gevallen de voorkeur. Soms kan het echter nuttig zijn een elektroliet te kiezen waar aan de KCl additieven zijn toegevoegd die de elektrode beter geschikt maken voor gebruik in een koude omgeving of in oplossingen met organische componenten. Elektrodes met vloeibaar elektroliet worden steeds onder overdruk t.o.v. de procesdruk geïnstalleerd om te garanderen dat er een uitstroming is door het diafragma zodat dit automatisch schoon gehouden wordt. Tegenwoordig wordt meer en meer gebruik gemaakt van elektroliet in 'vaste' vorm: een gel of polymeer. Deze hebben het voordeel dat ze eenvoudiger te monteren zijn in industriële installaties en ogenschijnlijk minder onderhoud vergen. Stabiliteit, kalibratieinterval en levensduur zijn echter vaak kleiner dan bij elektrodes met vloeibaar elektroliet onder interne of externe overdruk.
De vloeistofaarde
Meer en meer elektrodes zijn voorzien van een vloeistofaarde of een hulpelektrode. De eerste functie hiervan bij klassieke analoge pH-elektrodes is het opvangen van elektrische storingen. Indien deze vloeistofaarde uit platina bestaat kan ze tegelijkertijd dienst doen als redox (ORP)- elektrode. Indien een elektrode uitgerust is met dergelijke hulpelektrode kan, indien de meetomvormer ervoor geschikt is, de impedantie van de het diafragma gemeten worden. Hiermee is het in sommige gevallen mogelijk vervuiling te detecteren.
Digitaal of analoog
Verschillende leveranciers bieden tegenwoordig digitale en/of intelligente pH-elektrodes aan. Het grootste voordeel hiervan is dat vooral problemen die te maken hebben met installatie en montage verholpen worden of minstens sterk beperkt worden. Denk hierbij vooral aan problemen met vocht en corrosie aan kabel en connectoren. Daarnaast biedt de ingebouwde intelligentie bijkomende tools die de status en verwachte levensduur van de sensor weergeven. Met intelligente sensoren wordt het analoge mV signaal van de pH-elektrode in de kop van de elektrode gedigitaliseerd. Deze digitalisering maakt het mogelijk de elektrodes in lab of werkplaats te kalibreren of controleren, eventueel met behulp van een computer. Op de werkelijke meting heeft het digitaliseren van een pH-elektrode geen invloed. Desalniettemin is het aan te bevelen de digitale trend te volgen.
De keuze van een pH-elektrode
Uit het bovenstaande blijkt dat de keuze van de juiste pH-elektrode niet altijd even eenvoudig is. Het is daarom een goed idee om de keuze van een pH-elektrode te overleggen met uw leverancier. Om hem in staat te stellen de best mogelijke sensor voor te stellen, geeft u hem best alle informatie over uw toepassing. Van pH-bereik, over druk en temperatuur tot chemische samenstelling van uw medium en de montage in uw installatie.
Meer informatie?
Nieuwsbrief
Verwante blogberichten
