pH-Meter / pH-Messgerät

Ein pH-Messgerät ist ein Messinstrumente zur Anzeige des pH-Wertes einer wässrigen Lösung. Dabei wird der Wert auf elektrochemischem Wege bestimmt und nicht über Säure-Base-Indikatoren (Streifen). Das meist verwendete Prinzip benutzt das Potential einer Glaselektrode. Eine Halbzellenreaktion an der Glasmembran bildet dort ein elektrochemisches Potenzial aus, welches in direkter Abhängigkeit zur H-Ionen-Konzentration steht. Aus der Potenzialdifferenz zu Bezugselektroden entsteht eine Spannung, die weitgehend linear den pH-Wert abbildet. Als ph-Messgerät Bezugselektrode dient in den meisten Fällen eine Silber-Silberchlorid-Zelle, welche mit der Glaselektrode zu einer Einstab-Messkette zusammengebaut ist. Die Bezugselektrode ist über ein Diaphragma mit der zu messenden Lösung verbunden, das meist aus Glasschwamm, Keramik oder Platinschwamm besteht. Die jeweilige Elektrode der verwendeten pH-Messgeräte ist bei Nichtgebrauch zumindest in einem Becherglas mit Leitungswasser, am besten aber in einer Salz-Aufbewahrungslösung.

Bitte beachten Sie immer bei der Verwendung der pH-Messgeräte:
Bei dauerhaftem Einsatz oder aber, wenn das pH-Messgerät längere Zeit nicht benutzt wurde, muss rekalibriert werden. Die natürliche Drift, der die pH-Elektroden unterliegen, muss beseitigt werden. Die meisten der pH-Messgeräte besitzen eine interne Kalibrierfunktion, sodass Sie die Kalibrierung nicht mehr über Trimmerschrauben am pH-Meter durchführen müssen. In jedem Fall benötigen Sie aber die entsprechenden Kalibrierlösungen, die PCE Instruments in verschiedenen Varianten (meist als Kit in Tüten) passend zu den jeweiligen Messgeräten anbietet.

pH-Wert-Kontrolle mittels pH-Meter in Trink- und Abwasser
Der pH-Wert, ein Parameter, der durch die Konzentration von Wasserstoffionen in einer wässrigen Lösung definiert ist, hat einen bestimmenden Einfluss auf jede chemische Reaktion, die in dieser Lösung stattfindet, und zwar in dem Maße, dass er je nach seinem Wert eine bestimmte chemische Reaktion zulässt oder nicht zulässt. Daraus lässt sich leicht ableiten, dass sowohl die Kontrolle mittels einem pH-Messgerät als auch die Handhabung des pH-Wertes entscheidend sein werden, sowohl bei der Kontrolle von Trinkwasser für den menschlichen Gebrauch als auch bei der Behandlung des Abwassers selbst.

Bei der Behandlung von Abwasser reduziert sich das Problem im Wesentlichen auf die Eliminierung aller Arten von organischen Verbindungen und anorganischen toxischen Elementen (Schwermetalle usw.), die infolge der städtischen Nutzung oder industrieller Einleitungen im Wasser enthalten sein können.

Im Allgemeinen beginnt der Abwasserreinigungsprozess je nach Herkunft des Abwassers in der Regel mit rein physikalischen Prozessen zur Trennung der größeren Elemente (Abfall, organische oder anorganische Elemente der entsprechenden Größe, ect). Bei diesen vorbereitenden physikalischen Prozessen, wie Sieben, Filtern oder Dekantieren der am leichtesten trennbaren Fraktionen, spielt der pH-Wert keine so entscheidende Rolle. Von diesem Zeitpunkt an und in den folgenden Phasen wird jedoch der pH-Wert (zusammen mit anderen grundlegenden Parametern wie der Anwesenheit von Sauerstoff und der Temperatur) für den Abschluss des Abwasserbehandlungsprozesses entscheidend sein. Hier kommt dem pH-Meter eine besonderer Rolle zu.

Die einfache Tatsache, dass der pH-Wert des Wassers zu niedrig oder im Gegenteil zu hoch ist, ist bereits an sich ein entscheidender Faktor dafür, dass das Wasser nicht für die Einleitung in die Umwelt (in Seen, Flüsse usw.), geschweige denn für den menschlichen Verbrauch geeignet ist. Schon aus diesem Grund ist es notwendig, den pH-Wert des Wassers mittels einem pH-Messgerät zu kontrollieren und gegebenenfalls zu korrigieren. Aber seine Auswirkungen gehen in den Reinigungsprozessen viel weiter. Zum Beispiel bei der Entfernung von Schwermetallen und anderen toxischen anorganischen Elementen, die durch ein erstes Screening mit physikalischen Mitteln nicht entfernt werden konnten. Der pH-Wert bzw. die Konzentration von Hydrogenionen oder Hydroxylgruppen im wässrigen Medium, je nachdem, ob es sich um ein saures oder alkalisches Medium handelt, beeinflusst ob eine bestimmte Metallverbindung im Wasser gelöst bleibt, oder im Gegenteil, dass sie mit den Hydroxylgruppen zu mehr oder weniger unlöslichen Salzen reagiert. Dadurch ist die Separierung von den übrigen Bestandteilen des Wassers durch die Anwendung einer der ursprünglich beschriebenen physikalischen Methoden deutlich einfacher.

Jede Verbindung hat bestimmte pH-Werte, bei denen wir sie in der einen oder anderen chemischen Form vorfinden können, sodass die kluge Steuerung und Kontrolle des pH-Wertes durch ein pH-Messgerät den Erfolg oder Misserfolg der Reinigung bestimmter Elemente markieren wird.

Schließlich ist der entscheidende Einfluss des pH-Wertes auf die Eliminierung aller Arten von pathogenen Mikroorganismen bekannt. Diese Mikroorganismen, wie z.B. das Enterobakterium Escherichia coli, können z.B. durch die Einleitung von Abwasser oder Fäkalien im Abwasser vorhanden sein. Eine Behandlung, die darin besteht, den pH-Wert unter einen bestimmten Wert abzusenken (je nach den Krankheitserregern, auf die wir uns konzentrieren wollen), kann enorm effektiv sein, um entsprechende Ziele zu erreichen. Es liegt auf der Hand, dass es nach dieser Behandlung unerlässlich ist, den pH-Wert auf Werte zurückzuführen, die näher an neutral und mit dem Rest der Lebewesen kompatibel sind, bevor er in die Umwelt abgegeben wird.

Gerade bei der Chlorierung von Wasser, um es genusstauglich und trinkbar zu machen, ist ebenfalls wieder der vom pH-Messgerät ermittelten pH-Wert entscheidend dafür, ob der Prozess wirklich effektiv ist oder nicht. Aus ähnlichen Gründen, wie sie bereits für andere im Wasser vorhandene anorganische Verbindungen erwähnt wurden, wird auch im Falle von Chlor der pH-Wert für die Bildung der einen oder anderen Art von Verbindung entscheidend sein und den Unterschied ausmachen, ob Chlor tatsächlich seine desinfizierende Wirkung entfaltet oder nicht. Neben anderen Faktoren, die Einfluss haben können, wie z.B. die Wasserhärte, verhindern pH-Werte unter 6,5 - 6 oder über 8 die Wirksamkeit des Verfahrens.

Wie allgemein bekannt, ist der pH-Wert nichts anderes als ein Maß für die Aktivität von Wasserstoffionen in einer bestimmten Lösung, und sein Wert bestimmt letztendlich, wie sauer oder alkalisch das Medium ist, in dem er mitteles einem pH-Messgerät gemessen wird. Nur wenn man diese erste Definition berücksichtigt, ist der Einfluss auf die Qualität sowohl von Lebensmitteln als auch von Obst und Gemüse offensichtlich: Der Säuregehalt wird letztendlich ein bestimmender Faktor bei der Definition des Geschmacks eines jeden Lebensmittels sein. Daher ist die Messung mit einem pH-Meter sehr wichtig.

Es ist bekannt, dass der Säuregehalt den Geschmack vieler Rohstoffe, wie z.B. bestimmter Früchte, direkt bestimmt. Tatsächlich sind die meisten Lebensmittel, insbesondere Früchte, sauer, d.h. mit pH-Werten unter 7, was die Neutralität kennzeichnet. Nur wenige Lebensmittel sind alkalisch, d.h. mit einem pH-Wert über 7. Somit lassen sich auch Lebensmittel mit einem pH-Meter prüfen.

Aber der pH-Wert beeinflusst nicht nur den Geschmack von vielen Lebensmitteln, die zum Beispiel bei ihrer Herstellung durch Gärungsprozesse (wir würden in diesem Fall von Produkten wie Wein oder Käse sprechen) verfeinert werden. PH-Wert und Temperatur in Kombination haben häufig einen direkten Einfluss auf Qualität und Geschmack eines Lebensmittels, wie z.B. die Konsistenz des Lebensmittels oder die Aromen der einen oder anderen Art. Die Kontrolle des pH-Wertes mittels dem pH-Messgerät, kann eindeutig den Unterschied zwischen einem Produkt, dass für den Kunden klar erkennbar ist und von ihm geschätzt wird und für das er bereit ist, einen hohen Preis zu zahlen, und einem Produkt, das zur direkten Entsorgung bereit ist, ausmachen.

Als ob diese Anwendungsbereiche vom pH-Messgerät nicht schon genug wären, gibt es noch einen letzten Faktor, bei dem der pH-Wert im Agrar- und Lebensmittelsektor eine entscheidende Rolle spielt, und das ist die Lebensmittelkonservierung. So ist z.B. seit langem bekannt, dass die Verwendung von Essig eine der wirksamsten Methoden zur Konservierung bestimmter Lebensmittel ist (Pökelindustrie). Das liegt daran, dass der hohe Säuregehalt die Nahrung konserviert. Wie bereits früher angedeutet wurde, weisen fast alle Mikroorganismen eine wichtige Empfindlichkeit gegenüber dem pH-Wert auf, und dazu gehören insbesondere jene Mikroorganismen (Bakterien, Pilze, usw.), die für ein Lebensmittel schädlich sein können und es für seine Vermarktung und seinen Verzehr verderben. Ein ausreichend niedriger pH-Wert kann, wenn schon nicht vollständig den Angriff schädlicher Mikroorganismen hemmen, so doch zumindest diesen Angriff minimieren oder verzögern, indem er die Haltbarkeit des Lebensmittels verlängert, die durch die korrekte Verwendung anderer so wichtiger Parameter wie der Temperatur (Sterilisations- oder Gefrierprozesse) noch weiter verlängert werden kann.

Als Konsequenz all dessen, was erwähnt wurde, ist es klar, dass es im Nahrungsmittel- und Landwirtschaftssektor und insbesondere während des Produktionsprozesses von aufwändigeren Nahrungsmitteln unerlässlich ist, den pH-Wert zu kontrollieren, entweder auf spezifische Weise an einigen kritischen Punkten des Prozesses mithilfe von tragbaren pH-Metern oder sogar mit pH-Messgeräten mit Elektroden zur kontinuierlichen Messung, die eine viel intensivere Kontrolle der Produktion ermöglichen, wenn der Prozess dies erfordert.

Die Elektroden des ph-Meter sind im Allgemeinen für die Messung durch direktes Eintauchen in eine wässrige Lösung ausgelegt. Für die Messung in bestimmten festen Lebensmitteln, wie Obst, Käse oder Fleisch, sind jedoch bereits pH-Meter mit speziellen Elektroden (mit Klingen) auf dem Markt erhältlich, mit denen sie direkt in das Lebensmittel selbst eingeführt werden können und dessen pH-Wert messen.

Übliche pH-Elektroden mit Glasmembran sind meist als Einstab-Messsytem mit integrierter Bezugselektrode aufgebaut. Bei einem pH-Messgerät sind Messelektrode und Referenzelektrode in einem Stab aus Glas untergebracht, der in die zu messende Substanz eingetaucht wird. Häufig befindet sich auch ein Temperaturfühler zur automatischen Temperaturkompensation in diesem Stab. Die pH-Meter mit diesen Glaselektroden haben einen weiten Messbereich, sind aber störanfällig. Vor allem die Glasmembran und das Diaphragma der Bezugselektrode müssen sorgsam behandelt und durchlässig gehalten werden. Deshalb werden solche pH-Elektroden häufig gereinigt und in speziellen Aufbewahrungslösungen gelagert. Die pH-Meter mit diesen Elektroden müssen in kurzen Intervallen regelmäßig kalibriert und justiert werden. Wenn keine ausreichende Genauigkeit mehr erreicht wird, muss die Elektrode ausgetauscht werden. Der Begriff wartungsfrei bezieht sich bei einem solchen pH-Meter in vielen Aussagen nur darauf, dass die in der Bezugselektrode verwendete Elektrolytflüssigkeit nicht nachgefüllt oder ausgetauscht werden muss.

Für die kontinuierliche Überwachung des pH-Wertes in Prozessen bietet es sich an, pH-Meter mit speziellen Elektroden zu nutzen, die präzise Messergebnisse erzielen und dazu nicht oder nur selten gewartet und kalibriert werden müssen. Besonders bei langwierigen Prozessen bei denen bereits bei geringen Abweichungen des pH-Wertes reagiert werden muss und bei solchen, bei denen während des Zeitablaufs verschiedene pH-Werte erreicht und gehalten werden müssen, ist es ein erheblicher Vorteil, wenn die pH-Elektrode während des Prozessablaufs nicht zum Reinigen oder Kalibrieren entnommen werden muss. Viele der wartungsarmen pH-Elektroden können in automatischen Prozeduren, die auf den jeweiligen Prozessablauf abgestimmt sind, gereinigt einige auch automatisch kalibriert und justiert werden.

Für Dauermessungen in Industrieumgebungen bei denen direkt in der Prozessflüssigkeit gemessen wird, werden oft pH-Meter mit Sonden eingesetzt, die nicht nur weniger wartungsintensiv, sondern auch mechanisch und chemisch widerstandsfähiger sind als die üblichen Glas-Elektroden. Dazu gehören beispielsweise pH-Elektroden bei denen an Stelle der Glasmembran Emaille als pH-sensitive Schicht funktioniert und pH-Sonden, die über die ISFET Technologie messen. ISFET steht für ionenselektiver Feldeffekttransistor. Bei den ISFET Sensoren wird der pH-Wert also über die bei der Anlagerung von Ionen auftretenden Feldeffekte ermittelt.