Products Solutions Services. Basics of. ph

Transcriptie

1 Products Solutions Services Basics of. ph Slide 1

2 Wat is een ph meting? ph = zuurgraad van een vloeistof ph = potentia Hydrogenii / pondus Hydrogenii mv potentiaal in een ph-meetelektrode opgewekt door waterstof ionen (H + ) ten opzichte van een stabiele referentiespanning(/elektrode) Slide 2

3 De ph van alledaagse producten 0 1 HCl (zoutzuur) Coca Cola 2,5 2 3 Fanta 3,0 Appelsap 3,5 4 Bier 4,1-4,6 Boter 4,8-4,9 5 Huid 4,8-5,8 Melk 6,7-7,1 6 7 Menselijk bloed 7,414 Eiwitten 7,6-8,0 8 9 Zeep Zepen NaOH (1 mol/l) 14 Slide 3

4 Basisch Zuur Basics of ph ph meting: extreem hoge gevoeligheid & meetbereik ph H + concentratie (mol/l) OH - concentratie (mol/l) H 2 O H + + OH ,1 0, , Kw = H + x OH - 2 0,01 0, = mol/l 3 0,001 0, ,0001 0, , , liter ultrapuur water = evenveel H + als OH - = Neutraal 0, , , , , , , ,00001 dus ph-neutraal! ph = -log H , , , ,0001 0,001 0,01 Voorbeeld 1: ph = -log [0,01] ph = 2, , , ,1 1,0 Voorbeeld 2: ph = -log (0, ] ph = 12,00 Slide 4

5 Om een idee te krijgen van dit extreem grote meetbereik Meetbereik ph 0 14 komt overeen met gewicht-bereik van: 1 mg 100 biljoen mg 1 zandkorrel 174 stuks maximaal beladen Airbus A380 Slide 5

6 Hoeveelheid zuur/base nodig voor ph neutralisatie Van ph 12 naar ph 7 -> 1 liter HCl nodig Maar Daarna van ph 7 naar ph 4 -> slechts 0,01 liter HCl (= 10 ml!) Hierdoor is een veel gehoorde klacht bij ph neutralisatie in een tank: eerst komt er helemaal geen reactie en vervolgens schiet de ph regeling door Let op: dit voorbeeld is niet geschikt om ph regelingen op te ontwerpen, maar alleen om de log.schaal een praktisch handvat te geven Slide 6

7 Hoe wordt ph gemeten? 1. Lakmoespapier Voordeel: erg goedkoop in aanschaf. Nadeel: lastig om productieprocessen op te sturen 2. Potentiometrische meting glas ph elektrode ca. 85 % van alle ph elektroden IsFET ph elektrode ca. 10 % Pfaudler ph elektrode ca. 5 % Slide 7

8 Opbouw ph elektrode: vroeger 3 losse elektroden! analoog mv signaal over coax kabel ph gevoelige elektrode Referentie elektrode Temperatuur sensor 1. de ph elektrode meet een analoog potentiaal (in mv) 2. ten opzicht van een (hopelijk ) stabiele referentie elektrode 3. uiteraard temperatuur gecompenseerd Slide 8

9 Meetprincipe ph sensor: 2 elektroden + temp.sensor Temp.comp. ph elektrode mv potentiaal afhankelijk van ph waarde Omvorming naar ph Referentie elektrode mv potentiaal (onafhankelijk van ph waarde) 3 mol/l KCl + Interne buffer 3 mol/l KCl ph glasbol Diafragma (open, PTFE, keramisch, sleuf, ) Slide 9

10 Opbouw ph elektrode: tegenwoordig Digitaal Memosens signaal over standaard kabel mv =ph 1. De ph elektrode meet een potentiaal (in mv) 2. ten opzicht van een (hopelijk ) stabiele referentie elektrode 3. temperatuur gecompenseerd 4. alle signalen worden in sensor omgezet naar digitaal signaal 5. en vervolgens inductief via connector naar meetversterker gestuurd Slide 10

11 Glasbreuk detectie Glazen ph sensor met een haarscheurtje in de glasbol Weerstand glas daalt direct van ca. 400 MegΩ naar 3 kiloω (of zelfs kortsluiting) tussen meet- en referentiesensor Transmitter reageert direct met alarmsignaal Slide 11

12 Welke magie gebeurt er bij die glasbol?!? Dikte glasbol: mm Gel laagje: mm Zure oplossing ph < 7 H Interne buffer ph Basische oplossing ph > 7 H + Als binnen ph = buiten ph geen potentiaal verschil = 0 mv = ph 7 Buiten meer H + -ionen dan binnen = positief mv potentiaal tov ref. elektrode = ph <7 Buiten minder H + -ionen dan binnen = negatief mv potentiaal tov ref.elektrode = ph >7 Slide 12

13 Temperatuur invloed op de ph meting Foute gedachtengang: een ph sensor heeft een temperatuursensor, dus temp.compensatie vindt automatisch plaats Zelfs ph buffer 7 heeft temp. invloed! Idem voor ph buffer 4 Wat is de invloed van temperatuurverandering van het proces op de ph waarde van uw medium? Voorbeeld: ph van lijm Oplossing: maak uw eigen mediumcomp.tabel Slide 13

14 Nauwkeurigheid van ph meting 3 grote oorzaken voor de totale fout van de meting 1. de sensor 2. kalibratie 3. proces Hoe berekenen we de totale fout? RootMeanSquare methode (wortel uit som der kwadraten) Slide 14

15 1. Wiskundige fout van ph sensor Toepassing: lage geleidbaarheid, 40 C, flow + druk aanwezig, PTFE diafragma ph-waarde van interne buffer (ΔpH=0,02) -> (ΔpH) 2 = 0,0004 Temperatuur invloed van interne buffer (ΔpH=0,03) -> (ΔpH) 2 = 0,0009 Potentiaal bij ph en Referentie Ag/AgCl elektrode (Δu=0,5mV)/s=-59mV/pH = 0,0083 -> (ΔpH) 2 = 0,0007 Temp.invloed potentiaal bij ph- + Ref. Ag/AgCl elektrode T=25-50 C -> (Δu=2 mv)/s=-59mv/ph = 0,0340 -> (ΔpH) 2 = 0,0011 Diafragmapotentialen door druk P = 2 Bar en 100µS/cm -> (Δu=2 mv/s=-59mv/ph) = 0,0340 -> (ΔpH) 2 = 0,0011 Diffusie diafragmapotentiaal 6pHà7pH -> (Δu=1 mv/s=-59mv/ph) = 0,017 -> (ΔpH) 2 = 0,0003 Flow diafragmapotentiaal 0.5m/s en 100µS/cm -> (Δu=5 mv/s=-59mv/ph) = 0,0847 -> (ΔpH) 2 = 0,0071 Geheugeneffect van de glasbol van de ph sensor 6pHà7pH en T=40 C -> (Δu=1 mv/s=-59mv/ph) = 0,017 -> (ΔpH) 2 = 0,0003 Selectiviteit van het glasmembraan (zuur/base fout & temp.afhankelijk) ph 6; T=40 C -> ΔpH =0,01 -> (ΔpH) 2 = 0,0001 Fout van de steilheid ph sensor (Δs= 0,95mV/pH / s=-59mv/ph) = 0,0161 -> (ΔpH) 2 = 0,0003 Fout van het nulpunt ph sensor Δn =0,035 ph -> (ΔpH) 2 = 0,0012 Som van deze (ΔpH) 2 = 0,0135 Slide 15

16 2. Wiskundige fout van kalibratie ph NERD alert! Toepassing: lage geleidbaarheid, 40 C, flow + druk aanwezig, PTFE diafragma Buffer ph 4,00 ±0,02 -> (Δ ph) 2 = 0,0004 Buffer ph 7,00 ±0,02 -> (Δ ph) 2 = 0,0004 Uitgaande van perfect stabiele temperatuur! Som van deze (ΔpH) 2 = 0,0008 Slide 16

17 3. Wiskundige fout van proces ph NERD alert! Toepassing: lage geleidbaarheid, 40 C, flow + druk aanwezig, PTFE diafragma Tegenwoordig meestal digitale sensoren met inductieve connectoren dus geen signaalverliezen/verstoringen/emc/slechte connectoren/vocht etc. Additionele potentialen zoals elektrostatische oplading (Δ2mV)/s=59mV = 0,0034 -> (ph) 2 = 0,0011 (ΔpH) 2 = 0,0011 Niet meegenomen in deze calculatie: Suboptimale installatie Fout van de temperatuurmeting Te hoge stroming in proces Luchtbellen Vervuiling(!) Verlopen/vergiftigen van ph sensoren (kalibratie nodig!) Onnauwkeurigheid transmittersignaaluitgang / ingangskaart besturingsysteem Slide 17

18 Totale fout ph meting ph NERD alert! Toepassing: lage geleidbaarheid, 40 C, flow + druk aanwezig, PTFE diafragma (ΔpH) 2 ph sensor = 0,0135 (ΔpH) 2 Kalibratie = 0,0008 (ΔpH) 2 proces = 0,0011 Fout ph sensor 2 + (Kalibratie)2 + (Proces)2 = 0,0154 Fout vlgns RMS methode 0, 0154 = 0, 12 ph deel Voorzichtige conclusie: fout van een schone & gekalibreerde ph sensor in dit proces is 0,12 ph deel. Maar nu de vraag: hoe is dit te controleren? Slide 18

19 Wens ph: goede nauwkeurigheid of hoge herhaalbaarheid? Gaat het bij een ph meting om nauwkeurigheid of herhaalbaarheid (precision)? Voorkeur 2! Voorkeur 1! Courtesy: Slide 19

20 Toepassingen: Van PhD onderzoek in R&D lab. Wetsus: Syngas desulphurisation Slide 20

21 tot proces toepassing in een fabriek Neutralisatie van afvalwater door ph & redox regeling + automatische reiniging Slide 21

22 (warm) aandrijfwater Basics of ph Sterke vervuiling in het proces Inline reinigen met Chemoclean Liquiline CM44x transmitter Voordeel: Mogelijk om elk kwartier bv. 15 seconden te reinigen! Chemoclean injector CYR10 Doorstroomarmatuur CPA250 met CPR31 reinigingselektrode Reinigingsmiddel Slide 22

23 Hoe meetafwijkingen te voorkomen en compenseren? Reiniging Reiniging met regelmatig interval garandeert een betrouwbare meting Het reinigingsinterval is afhankelijk van het medium en hoe snel elektrode vervuilt Kalibratie Afhankelijk van proces & gewenste nauwkeurigheid Proefondervindelijk vaststellen per applicatie Buffer ph 4 en ph 7 vervuiling: kalk aanslag vet eiwitten reinigingsmiddel: azijn, 2 5% HCL Dreft afwas, 2 5% NaOH Biotex groen / pepsine De vuistregel is wanneer proces onder de ph7,00 zit, er gereinigd moet worden met een product boven ph7 en vice versa Slide 23

24 Kalibratie met ph buffer 4 en 7 + mv Nulpunt Steilheid 4 7 ph - mv Kalibreren vs. justeren. Kalibreren = vergelijken van meetwaarde sensor met standaard buffers. Justeren = meetwaarde sensor aanpassen zodat de sensor hetzelfde aanwijst als de buffers Slide 24

25 Maar hoe goed/prettig is het om een ph meting in de fabriek te reinigen / kalibreren? Slide 25

26 Digitale ph sensoren: reiniging + kalibratie in lab/werkplaats! Reiniging / Kalibratie in fabriek: Reiniging / Kalibratie mèt Memobase Plus: Slide 26

27 Dankzij lab/werkplaatskalibratie: Procesoptimalisatie en verlenging levensduur ph sensoren Slide 27

28 Statement van Bayer Technology Services / Lanxess: Memosens verlaagt Opex (operationele kosten) Concreet: 25 % minder arbeidskosten 20 % lager sensor verbruik dankzij lab kalibratie 15 % minder kosten in kabelvervanging Slide 28

29 Praktijk vb1: AVR Botlek ph in gaswassers en AWZI Slide 29

30 Praktijk vb2: Avebe Foxhol ph in geoxideerd zetmeel Slide 30

31 Praktijk vb3: staalproducent in NL Slide 31

32 Take aways ph 1. NERD alert! 2. Cola is heel erg slecht voor je tanden omdat het zo zuur is 3. Logaritmische schaal (factor 10 concentratietoename per ph deel) 4. Automatische inline reiniging zorgt voor langer onderhoudsinterval 5. Kalibratie in lab/werkplaats bespaart geld en zorgt voor minder stilstand Slide 32

33 Vragen? Slide 33