Products Solutions Services Basics of…. pH - gain.nl · Coca Cola 2,5 Fanta 3,0 Appelsap 3,5 Bier...

06/04/2017

Products Solutions Services

Basics of…. pH

Slide 1 Bart Küpers

06/04/2017

Basics of pH

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)


06/04/2017

Basics of pH

De pH van alledaagse producten

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

HCl (zoutzuur)

Coca Cola 2,5 Fanta 3,0

Appelsap 3,5 Bier 4,1 - 4,6

Boter 4,8 - 4,9 Huid 4,8 - 5,8

Melk 6,7 - 7,1 Menselijk bloed 7,414 Eiwitten 7,6 - 8,0

Zeep

Zepen 11-12

NaOH (1 mol/l) 14


06/04/2017

Basics of pH

pH meting: extreem hoge gevoeligheid & meetbereik

pH 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

Zu

ur

Neutraal

Ba

sisc

h

H+ concentratie (mol/l)

1

0,1

0,01

0,001

0,0001

0,00001

0,000001

0,0000001

0,00000001

0,000000001

0,0000000001

0,00000000001

0,000000000001

0,0000000000001

0,00000000000001

OH- concentratie (mol/l)

0,00000000000001

0,0000000000001

0,000000000001

0,00000000001

0,0000000001

0,000000001

0,00000001

0,0000001

0,000001

0,00001

0,0001

0,001

0,01

0,1

1,0

Kw = H+x OH-

= 10-14 mol/l

1 liter ultrapuur water = evenveel H+ als OH- =

dus pH-neutraal!

pH = -log H+ Voorbeeld 1: pH = -log [0,01] pH = 2,00

Voorbeeld 2: pH = -log (0,000000000001] pH = 12,00

H2O H++ OH-


06/04/2017

Basics of pH

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


06/04/2017

Basics of pH

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


06/04/2017

Basics of pH

Hoe wordt pH gemeten?

1. Lakmoespapier

2. Potentiometrische meting • glas pH elektrode ca. 85 % van alle pH elektroden

• IsFET pH elektrode ca. 10 %

• Pfaudler pH elektrode ca. 5 %

Voordeel: erg goedkoop in aanschaf. Nadeel: lastig om productieprocessen op te sturen…


06/04/2017

Basics of pH

Opbouw pH elektrode: vroeger 3 losse elektroden!

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

analoog mV signaal over coax kabel


06/04/2017

Meetprincipe pH sensor: 2 elektroden + temp.sensor

Basics of pH

pH elektrode

mV potentiaal afhankelijk van pH waarde

Omvorming naar pH

pH glasbol

3 mol/l

KCl 3 mol/l KCl

+ Interne buffer

Diafragma

(open, PTFE, keramisch, sleuf, …)

Referentie elektrode

mV potentiaal

(onafhankelijk van pH waarde)

Temp.comp.


06/04/2017

Basics of pH

Opbouw pH elektrode: tegenwoordig

mV=pH

Digitaal Memosens signaal over standaard kabel

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


06/04/2017

Basics of pH

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


06/04/2017

Welke ‘magie’ gebeurt er bij die glasbol?!?

Basics of pH

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

+ -

Interne buffer

Gel laagje: 0.0001 mm

Dikte glasbol: 0.2-0.5 mm

pH 7 -

- -

Basische oplossing pH > 7

H+

+ +

+

Zure oplossing pH < 7

H+


06/04/2017

Basics of pH

Temperatuur invloed op de pH meting

• Zelfs pH buffer 7 heeft temp. invloed!

• Idem voor pH buffer 4

• Foute gedachtengang: ‘een pH sensor heeft een temperatuursensor,

dus temp.compensatie vindt automatisch plaats’

• 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

06/04/2017

Basics of pH

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)


06/04/2017

Basics of pH

1. Wiskundige fout van pH sensor

• 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

• Toepassing: lage geleidbaarheid, 40°C, flow + druk aanwezig, PTFE diafragma

Som van deze (ΔpH)2 = 0,0135


06/04/2017

Basics of pH

2. Wiskundige fout van kalibratie

• 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


pH NERD alert!

06/04/2017

Basics of pH

3. Wiskundige fout van proces

• 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

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


(ΔpH)2 = 0,0011


pH NERD alert!

06/04/2017

Basics of pH

Totale fout pH meting

• (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?


pH NERD alert!

06/04/2017

Basics of pH

Wens pH: goede nauwkeurigheid of hoge herhaalbaarheid?

• Gaat het bij een pH meting om nauwkeurigheid of herhaalbaarheid

(precision)?

Voorkeur 1!

Voorkeur 2!


Courtesy: www.hitachi-hightech.com

06/04/2017

Basics of pH

Toepassingen: Van PhD onderzoek in R&D lab….

Wetsus: Syngas desulphurisation


06/04/2017

Basics of pH

…tot proces toepassing in een fabriek

Neutralisatie van afvalwater door pH & redox regeling + automatische reiniging


06/04/2017

Basics of pH

Sterke vervuiling in het proces… Inline reinigen met Chemoclean

Liquiline CM44x transmitter

Doorstroomarmatuur CPA250 met CPR31 reinigingselektrode

Reinigingsmiddel

(wa

rm)

aa

ndrijfw

ate

r

Chemoclean injector CYR10

• Voordeel: Mogelijk om elk kwartier bv. 15 seconden te reinigen!


06/04/2017

Basics of pH

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: reinigingsmiddel:

kalk aanslag azijn, 2…5% HCL

vet Dreft afwas, 2…5% NaOH

eiwitten 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


06/04/2017

Basics of pH

Kalibratie met pH buffer 4 en 7

4 7 pH

+ mV

Nulpunt

Steilheid

- mV Kalibreren vs. justeren. Kalibreren = vergelijken van meetwaarde sensor met standaard buffers. Justeren = meetwaarde sensor aanpassen zodat de sensor hetzelfde aanwijst als de buffers


06/04/2017

Basics of pH

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


06/04/2017

Basics of pH

Digitale pH sensoren: reiniging + kalibratie in lab/werkplaats!

Reiniging / Kalibratie mèt Memobase Plus:

Reiniging / Kalibratie in fabriek:


06/04/2017

Basics of pH

Dankzij lab/werkplaatskalibratie: Procesoptimalisatie en verlenging levensduur pH sensoren


06/04/2017

Basics of pH

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


06/04/2017

Basics of pH

Praktijk vb1: AVR Botlek pH in gaswassers en AWZI


06/04/2017

Basics of pH

Praktijk vb2: Avebe Foxhol pH in geoxideerd zetmeel


06/04/2017

Basics of pH

Praktijk vb3: staalproducent in NL


06/04/2017

Basics of pH

Take aways

Cola is heel erg slecht voor je tanden omdat het zo zuur is

Logaritmische schaal (factor 10 concentratietoename per pH deel)

Automatische inline reiniging zorgt voor langer onderhoudsinterval

Kalibratie in lab/werkplaats bespaart geld en zorgt voor minder stilstand


pH NERD alert! 1.

2.

3.

4.

5.

06/04/2017

Basics of pH

Vragen?


Products Solutions Services Basics of…. pH - gain.nl · Coca Cola 2,5 Fanta 3,0 Appelsap 3,5 Bier...

Documents

Transcript of Products Solutions Services Basics of…. pH - gain.nl · Coca Cola 2,5 Fanta 3,0 Appelsap 3,5 Bier...