一、工作原理
电极法原理
水务排水行业中常用的 pH 计主要是基于电极法。它有一个玻璃电极和一个参比电极。玻璃电极对氢离子(H⁺)有选择性响应,其电位与溶液中的氢离子活度有关。根据能斯特方程,其中是电极电位,是标准电极电位,是气体常数,是绝对温度,是反应中转移的电子数(对于氢离子反应),是法拉第常数,是氢离子活度。
参比电极则提供一个稳定的电位基准,一般是甘汞电极或银 - 氯化银电极。当玻璃电极和参比电极同时浸入被测溶液中时,它们之间会产生电位差,这个电位差与溶液的 pH 值呈线性关系。pH 计通过测量这个电位差,并将其转换为 pH 值显示出来。
二、主要部件
玻璃电极
玻璃电极的敏感膜是一种特殊的玻璃薄膜,通常由含有锂、钠等金属氧化物的玻璃制成。它对氢离子有选择性透过作用。玻璃膜的质量直接影响 pH 测量的准确性,其表面需要保持清洁、无损伤。例如,当玻璃膜被油污、固体颗粒等污染时,会影响氢离子的交换,导致测量误差。
参比电极
甘汞参比电极内部有汞、甘汞(Hg₂Cl₂)和饱和氯化钾(KCl)溶液。它通过盐桥与被测溶液相连,盐桥中的 KCl 溶液可以维持电极内溶液和被测溶液之间的离子传导,同时防止被测溶液中的离子扩散到电极内部,从而保证参比电极电位的稳定性。银 - 氯化银参比电极则是基于银 - 氯化银反应来提供稳定电位。
测量电路和显示部分
测量电路主要用于放大和处理电极之间产生的微弱电位差信号。它将毫伏级别的信号转换为 pH 值对应的数字信号,并在显示部分显示出来。现代 pH 计的测量电路还可能包括温度补偿功能,因为根据能斯特方程,电极电位与温度有关,通过温度补偿可以提高 pH 测量的准确性。
三、在水务排水行业中的应用
污水处理过程控制
在污水处理的各个环节,pH 值的控制都非常重要。例如,在生物处理单元,微生物对 pH 值有特定的要求。活性污泥法中,微生物生长适宜的 pH 值一般在 6.5 - 8.5 之间。pH 计可以实时监测反应池中的 pH 值,当 pH 值偏离适宜范围时,通过自动投加酸碱调节剂(如硫酸、氢氧化钠等)来调节 pH 值,保证微生物的活性,提高污水处理效率。
在化学沉淀法处理污水过程中,pH 值也会影响沉淀反应的进行。例如,在除磷过程中,合适的 pH 值可以使磷与金属离子(如钙、铁等)形成沉淀,从而有效地去除污水中的磷。pH 计可以帮助确定最佳的 pH 值范围,以提高除磷效果。
水质监测与排放控制
在排水口,pH 计用于监测排放污水的 pH 值是否符合排放标准。不同地区和行业的污水排放标准对 pH 值有严格要求,一般要求 pH 值在 6 - 9 之间。pH 计可以实时提供污水 pH 值信息,确保污水达标排放,避免对受纳水体的生态环境造成损害。
对于自然水体,如河流、湖泊等,pH 值也是水质监测的重要指标之一。通过定期监测水体的 pH 值,可以了解水体的酸碱平衡情况,判断是否存在污染或生态系统变化。例如,酸雨会导致水体 pH 值下降,影响水生生物的生存,pH 计可以帮助及时发现这种情况。
四、安装与维护要点
安装要点
位置选择:pH 计的电极应该安装在能够代表被测液体真实 pH 值的位置。在污水处理池中,应避免安装在有强烈搅拌或曝气的地方,因为这可能会导致局部 pH 值异常。同时,要远离进水口和出水口,防止新进入的液体或即将排出的液体对测量结果产生影响。
浸没深度:电极需要完全浸没在液体中,但不能接触到池底或池壁,以避免受到沉积物或池壁腐蚀产物的影响。一般建议电极底部距离池底至少 5 - 10 厘米。
温度传感器安装(如果有):如果 pH 计带有温度补偿功能,温度传感器应该与 pH 电极安装在相近位置,以准确测量溶液的温度,进行有效的温度补偿。
维护要点
电极清洗:定期清洗玻璃电极和参比电极。玻璃电极可以用稀盐酸或专门的电极清洗液清洗,去除表面的污垢、有机物和金属离子沉淀。参比电极如果是甘汞电极,要检查内部的 KCl 溶液是否足够,若不足应及时补充;如果是银 - 氯化银电极,要注意防止电极表面的氯化银层脱落。
校准检查:定期对 pH 计进行校准,一般使用标准缓冲溶液。至少每周校准一次,校准过程要严格按照仪器说明书进行,确保 pH 计测量的准确性。
检查电极寿命:玻璃电极和参比电极都有一定的使用寿命。玻璃电极在长时间使用后,其玻璃膜可能会老化、损坏,导致测量误差增大。参比电极的性能也会随着时间下降。要定期检查电极的性能,当发现电极响应迟钝或测量误差较大时,应及时更换电极。
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