pH-meter

De pH-waardeschaal
De pH-waarde van de pH-meter beschrijft de concentratie opgeloste waterstofionen en is van groot belang voor veel chemische en biochemische reacties. De pH-schaal is afgeleid van de negatieve exponent van de oxoniumionconcentratie en heeft dus een logaritmische structuur. Op het zogenaamde neutrale punt pH 7 zijn de ionconcentraties van oxonium en hydroxide qua hoeveelheid precies identiek. Deze pH-waarde wordt bijvoorbeeld weergegeven op de pH-meter voor zuiver water of geneutraliseerde oplossingen. Bij pH-meterwaarden onder 7 is de concentratie van oxoniumionen hoger en reageert de oplossing zuur. Waarden boven 7 betekenen daarentegen een hoger aandeel hydroxide-ionen en zulke oplossingen reageren basisch.

100 = 1 10-1 = 0,1 10-2 = 0,01 10-3 = 0,001 10-4 =0,0001 10-5 = 0,00001 10-6 = 0,000001 10-7 =0,0000001

Het diagram toont de klassieke pH-schaal met waarden van 0 tot 14 en daaronder de bijbehorende concentraties van de oxonium- en hydroxide-ionen die gevormd worden uit watermoleculen. De molecuulformule H3O+ staat voor het positief geladen oxoniumion, dat vaak ook hydroniumion wordt genoemd, en OH- staat voor het negatief geladen hydroxide-ion. Als je de twee bovenste getallenreeksen vergelijkt, zul je zien dat de cijfers op de pH-schaal overeenkomen met de exponenten van de macht tien van de oxoniumionconcentratie met het teken omgekeerd. Als je de twee onderste cijferreeksen vergelijkt, wordt duidelijk dat de som van de exponenten van oxoniumionen en hydroxide-ionen altijd gelijk is aan -14.

Waarom kunnen negatieve pH-waarden voorkomen?
De pH-waarde geeft de hoeveelheid opgeloste waterstofionen of hun activiteit in een waterige oplossing aan. Als de hoeveelheid waterstofionen (H+ of gebonden als H3O+) gelijk is aan de hoeveelheid hydroxide-ionen (OH-), wordt de oplossing pH-neutraal genoemd. Dit komt overeen met een pH-meterwaarde van 7, die aanwezig is in zuiver water bij een temperatuur van 25 graden Celsius. Zodra er echter andere stoffen in het water zijn opgelost, zoals in kraanwater of in regenwater dat stoffen uit de lucht heeft opgenomen, kan de pH-waarde verschuiven. Dit gebeurt echter alleen als de opgeloste stoffen de balans beïnvloeden ten gunste van de hydroniumionen of ten gunste van de hydroxide-ionen. Als er een overmaat aan waterstofionen is, wordt de pH-waarde op een pH-meter lager en wordt de oplossing zuur genoemd. Als de hoeveelheid hydroxide-ionen overheerst, stijgt de pH-waarde en wordt de oplossing basisch of alkalisch. Hoe groter het verschil in hoeveelheid tussen waterstof- en hydroxide-ionen, hoe verder de pH-waarde van de 7 verwijderd raakt.

Zuren introduceren bijvoorbeeld veel extra waterstofionen en verschuiven de pH-waarde dus naar beneden. Voor de meeste toepassingen volstaat een pH-meter die meestal een pH-waardeschaal van 0 tot 14 pH gebruikt. Sterke zuren kunnen de balans echter zodanig verschuiven dat er negatieve pH-waarden ontstaan. De mogelijke numerieke waarden worden echter beperkt door de oplosbaarheid van de zuren in water. In extreem zuur mijnwater uit een mijn in Californië hebben pH-meters naar verluidt pH-waarden van wel -3,6 gedetecteerd. Bijna elke pH-meter kan alleen waarden registreren binnen het meetbereik van 0 tot 14, wat volledig voldoende is voor het grote aantal toepassingen. Sinds enige tijd zijn er echter ook digitale pH-meters verkrijgbaar met een groter meetbereik. Met zo'n pH-meter kunnen negatieve pH-waarden tot -1 of zelfs - 2 snel en eenvoudig worden gemeten.

De pH-waarde van zoutzuuroplossing bij verschillende concentraties:

Kan een pH-meter pH-waarden boven 14 weergeven?
Net zoals pH-waarden onder 0 voorkomen bij zeer zure oplossingen, zijn er ook basische stoffen waarvan de sterk geconcentreerde waterige oplossingen een pH-waarde boven 14 hebben. Hiertoe behoort bijvoorbeeld natronloog. Omdat het meetbereik van conventionele pH-meters eindigt bij 14, kunnen ze geen hogere waarden bepalen. Er is een pH-meter met een groter meetbereik nodig om deze sterk alkalische oplossingen te meten. Er zijn al pH-metermodellen verkrijgbaar die pH-waarden tot 15, tot 16 of zelfs tot pH 20 kunnen meten.

De pH-waarde van natronloog bij verschillende concentraties:

Meetfouten in de pH-meter met sterke zuren en logen
Bij sterke zuren, vooral bij pH-waarden kleiner dan 2, en bij sterke alkaliën met pH-waarden groter dan 12, kunnen er bij een normale pH-meter aanzienlijke meetfouten optreden. Bij zuurfouten worden te hoge pH-waarden weergegeven en bij alkalifouten te lage pH-waarden, meestal omdat de membraanlaag van de elektrode door de oplossing wordt aangetast. Als er oplossingen met dergelijke waarden getest moeten worden, moet er goed op gelet worden dat er een pH-meter wordt gekozen met een pH-elektrode die geschikt is voor deze meetbereiken. Ook moet er rekening mee worden gehouden dat de bufferoplossingen die voor ijking worden gebruikt het gewenste meetbereik voor een pH-meter moeten omvatten. Als pH-waarden onder 2 gemeten moeten worden, is ijking met de gebruikelijke ijkoplossingen met pH 4,0, pH 7,0 dus niet aan te raden. In plaats daarvan moeten speciale bufferoplossingen voor pH-meters van hoge kwaliteit worden gebruikt, bijvoorbeeld met pH 1,0 en pH 2,0.

Een pH-meter is een meetinstrument om de pH-waarde van een waterige oplossing weer te geven. De waarde wordt elektrochemisch bepaald en niet via zuur-base-indicatoren (strips). Het meest gebruikte principe maakt gebruik van de potentiaal van een glaselektrode. Een halfcelreactie op het glasmembraan vormt daar een elektrochemisch potentiaal dat direct afhankelijk is van de H-ionconcentratie. Het potentiaalverschil met de referentie-elektroden levert een spanning op die grotendeels lineair is met de pH-waarde. In de meeste gevallen wordt een zilverzilverchloridecel gebruikt als referentie-elektrode voor de pH-meter, die samen met de glaselektrode een combinatie-elektrode vormt. De referentie-elektrode is verbonden met de te meten oplossing via een membraan, dat meestal gemaakt is van glasspons, keramiek of platina spons. Als de pH-meetapparatuur niet wordt gebruikt, bevindt de elektrode zich ten minste in een bekerglas met kraanwater, maar bij voorkeur in een zoutoplossing.

Neem bij het gebruik van de pH-meters altijd het volgende in acht:
De pH-meter moet opnieuw worden gekalibreerd als hij continu wordt gebruikt of als hij lange tijd niet is gebruikt. De natuurlijke drift waaraan de pH-elektroden onderhevig zijn, moet worden geëlimineerd. De meeste pH-meters hebben een interne kalibratiefunctie zodat u de pH-meter niet meer hoeft te kalibreren met behulp van trimmerschroeven. In elk geval hebt u echter de juiste kalibratieoplossingen nodig, die PCE Instruments in verschillende versies aanbiedt (meestal als een set in zakjes), passend bij de respectieve meetapparaten.

Controle van de pH-waarde met behulp van een pH-meter in drink- en afvalwater
De pH-waarde, een parameter die wordt gedefinieerd door de concentratie waterstofionen in een waterige oplossing, heeft een bepalende invloed op elke chemische reactie die in deze oplossing plaatsvindt, in die mate dat het een bepaalde chemische reactie wel of niet toelaat, afhankelijk van de waarde. Hieruit is gemakkelijk af te leiden dat zowel de controle door middel van een pH-meter als het hanteren van de pH-waarde doorslaggevend is, zowel bij de controle van drinkwater voor menselijke consumptie als bij de behandeling van het afvalwater zelf.

Bij de behandeling van afvalwater wordt het probleem in wezen gereduceerd tot het verwijderen van alle soorten organische verbindingen en anorganische toxische elementen (zware metalen, enz.) die in het water aanwezig kunnen zijn als gevolg van stedelijk gebruik of industriële lozingen.

Over het algemeen, afhankelijk van de oorsprong van het afvalwater, begint het afvalwaterbehandelingsproces met puur fysische processen om de grotere elementen (afval, organische of anorganische elementen van de juiste grootte, enz.) Bij deze voorbereidende fysische processen, zoals zeven, filteren of decanteren van de gemakkelijkst te scheiden fracties, speelt de pH-waarde niet zo'n doorslaggevende rol. Vanaf dit punt en in de volgende fasen zal de pH-waarde (samen met andere basisparameters zoals de aanwezigheid van zuurstof en temperatuur) echter doorslaggevend zijn voor de voltooiing van het afvalwaterbehandelingsproces. Hier is een speciale rol weggelegd voor de pH-meter.

Het simpele feit dat de pH-waarde van het water te laag of juist te hoog is, is op zich al een doorslaggevende factor om het water ongeschikt te maken voor lozing in het milieu (meren, rivieren, enz.), laat staan voor menselijke consumptie. Alleen al daarom is het noodzakelijk om de pH van het water te controleren met een pH-meter en indien nodig te corrigeren. Maar de effecten gaan veel verder in de reinigingsprocessen. Bijvoorbeeld bij het verwijderen van zware metalen en andere giftige anorganische elementen die niet verwijderd konden worden door een eerste screening met fysische middelen. De pH-waarde of de concentratie waterstofionen of hydroxylgroepen in het waterige medium, afhankelijk van of het een zuur of basisch medium is, beïnvloedt of een bepaalde metaalverbinding opgelost blijft in het water of juist reageert met de hydroxylgroepen om min of meer onoplosbare zouten te vormen. Dit maakt het veel gemakkelijker om het van de andere componenten van het water te scheiden met behulp van een van de oorspronkelijk beschreven fysische methoden.

Elke verbinding heeft bepaalde pH-waarden waarbij we ze in de ene of andere chemische vorm kunnen vinden, dus het verstandig beheren en controleren van de pH door een pH-meter zal het succes of falen van de zuivering van bepaalde elementen markeren.

Tot slot is de beslissende invloed van de pH-waarde op de eliminatie van alle soorten pathogene micro-organismen bekend. Deze micro-organismen, zoals de enterobacterie Escherichia coli, kunnen aanwezig zijn in afvalwater door de lozing van bijvoorbeeld rioolwater of feces. Een behandeling die bestaat uit het verlagen van de pH-waarde tot onder een bepaald niveau (afhankelijk van de pathogenen waarop we ons willen richten) kan enorm effectief zijn om de juiste doelen te bereiken. Uiteraard is het na deze behandeling essentieel om de pH terug te brengen naar een niveau dat dichter bij neutraal ligt en compatibel is met de rest van de levende organismen, voordat het in het milieu wordt vrijgelaten.

Vooral bij het chloreren van water om het geschikt te maken voor consumptie en om drinkbaar te maken, is de pH-waarde die wordt bepaald door de pH-meter ook doorslaggevend om te bepalen of het proces echt effectief is of niet.Om redenen die vergelijkbaar zijn met de redenen die al zijn genoemd voor andere anorganische verbindingen in water, zal de pH-waarde ook in het geval van chloor doorslaggevend zijn voor de vorming van het ene of het andere type verbinding en het verschil maken of chloor daadwerkelijk zijn desinfecterende werking ontwikkelt of niet. Naast andere factoren die van invloed kunnen zijn, zoals de hardheid van het water, verhinderen pH-waarden onder 6,5 - 6 of boven 8 dat het proces effectief is.

Zoals algemeen bekend is, is de pH-waarde niets anders dan een maat voor de activiteit van waterstofionen in een bepaalde oplossing, en de waarde bepaalt uiteindelijk hoe zuur of basisch het medium is waarin het gemeten wordt met behulp van een pH-meter. Alleen wanneer rekening wordt gehouden met deze eerste definitie is de invloed op de kwaliteit van zowel voedsel als groenten en fruit duidelijk: de zuurgraad is uiteindelijk een bepalende factor voor de smaak van elk voedsel. Daarom is het meten met een pH-meter erg belangrijk.

Het is algemeen bekend dat de zuurgraad rechtstreeks de smaak van veel grondstoffen bepaalt, zoals bepaalde fruitsoorten. In feite zijn de meeste voedingsmiddelen, vooral fruit, zuur, d.w.z. met een pH-waarde onder 7, wat kenmerkend is voor neutraliteit. Slechts enkele voedingsmiddelen zijn alkalisch, d.w.z. met een pH-waarde boven 7. Dit betekent dat voedingsmiddelen ook kunnen worden getest met een pH-meter.

Maar de pH-waarde beïnvloedt niet alleen de smaak van veel voedingsmiddelen die tijdens hun productie worden verfijnd door bijvoorbeeld gistingsprocessen (in dit geval hebben we het over producten zoals wijn of kaas). De pH-waarde en de temperatuur hebben in combinatie vaak een directe invloed op de kwaliteit en smaak van een voedingsmiddel, zoals de consistentie van het voedsel of de smaak van het ene of het andere type. Het controleren van de pH-waarde met de pH-meter kan duidelijk het verschil maken tussen een product dat duidelijk herkenbaar is en gewaardeerd wordt door de klant en waarvoor hij bereid is een hoge prijs te betalen, en een product dat klaar is om direct weggegooid te worden.

Alsof deze toepassingen van de pH-meter nog niet genoeg zijn, is er nog een laatste factor waarbij de pH-waarde een doorslaggevende rol speelt in de landbouw- en voedingssector, namelijk voedselconservering. Het is bijvoorbeeld al lang bekend dat het gebruik van azijn een van de meest effectieve methoden is om bepaalde voedingsmiddelen te conserveren (zoutindustrie). Dit komt doordat de hoge zuurgraad het voedsel conserveert. Zoals eerder aangegeven hebben bijna alle micro-organismen een belangrijke gevoeligheid voor de pH, en dit omvat in het bijzonder die micro-organismen (bacteriën, schimmels, enz.) die schadelijk kunnen zijn voor een voedingsmiddel en het kunnen bederven voor de verkoop en consumptie ervan. Een voldoende lage pH kan de aanval van schadelijke micro-organismen misschien niet volledig voorkomen, maar kan deze aanval op zijn minst minimaliseren of vertragen door de houdbaarheid van het voedsel te verlengen, die nog verder kan worden verlengd door het juiste gebruik van andere belangrijke parameters zoals temperatuur (sterilisatie- of vriesprocessen).

Als gevolg van al het genoemde is het duidelijk dat het in de voedingsmiddelen- en landbouwsector, en vooral tijdens het productieproces van meer uitgebreide voedingsmiddelen, essentieel is om de pH te controleren, hetzij op een specifieke manier op bepaalde kritieke punten van het proces met behulp van draagbare pH-meters of zelfs met pH-meters met elektroden voor continue meting, die een veel intensievere controle van de productie mogelijk maken wanneer het proces dit vereist.

De elektroden van de pH-meter zijn over het algemeen ontworpen voor meting door directe onderdompeling in een waterige oplossing. Voor metingen in bepaalde vaste voedingsmiddelen, zoals fruit, kaas of vlees, zijn er echter al pH-meters op de markt met speciale elektroden (met bladen) waarmee ze rechtstreeks in het voedsel zelf kunnen worden gestoken en de pH-waarde kunnen meten.

Een essentiële bijdrage aan het leven in water is dat het de juiste pH-waarde heeft. In feite is leven voor veel waterorganismen alleen mogelijk als de pH-waarde tussen 5-9 ligt, voor sommige organismen zelfs tussen 6-8. Dit geldt zowel voor waterfauna en -flora als voor planten. Een pH-meter wordt gebruikt om afvalwater voortdurend te controleren, want als de pH-waarde te hoog of te laag is, kan dit zeer schadelijke gevolgen hebben voor het milieu waarin het wordt geloosd. Bovendien zijn verschillende organismen erg gevoelig voor veranderingen in pH. Afvalwater moet daarom goed worden behandeld voordat het in rivieren of meren terechtkomt.

We mogen niet vergeten dat bepaalde bacteriën en andere organismen een actieve rol spelen in de behandeling van afvalwater.Het is zelfs heel belangrijk voor afvalwaterzuiveringsinstallaties om de pH-waarde van het afvalwater constant te controleren met behulp van ingebouwde pH-meters. Het doel van een waterzuiveringsinstallatie is om het afvalwater te zuiveren. Dit gebeurt door mechanische, biologische en chemische behandelingen. Het waterzuiveringsproces vereist dat alle drie de zuiveringstypes na elkaar worden gebruikt. Alleen bij een pH-waarde dicht bij neutraal of pH7 kunnen de micro-organismen correct werken en stikstofverbindingen en andere onzuiverheden efficiënt elimineren tijdens de microbiologische zuiveringsfase.

Het meten van de pH-waarde met de pH-meter van afvalwater is ook om een andere reden belangrijk. Een te hoge of te lage pH-waarde kan leidingen en technische systemen beschadigen. Het controleren van de pH-waarde met een pH-meter beschermt cement en metaal ook tegen corrosie. Voor de industriële sector is het essentieel om de pH-waarde van afvalwater te controleren. Dit voorkomt dat ze na verloop van tijd te maken krijgen met dure reparaties.

Er zijn veel factoren die de pH-waarde van afvalwater beïnvloeden. In de privésector moet natuurlijk rekening worden gehouden met het gebruik van schoonmaakproducten zoals detergenten, wasverzachters en andere producten. Veel van deze schoonmaakproducten zijn meestal alkalisch, met een pH-waarde tussen 8 en 10, hoewel er ook zuurdere schoonmaakproducten bestaan. Afhankelijk van het soort vuil wordt het ene of het andere product gebruikt.

Aan de andere kant is er de industriële sector met zijn industriële lozingen. Veel industriële processen vereisen het gebruik van miljoenen liters water per jaar. Blekerijen of textielblekerijen, bijvoorbeeld, produceren voornamelijk vrij zuur afvalwater. Ook de metaalindustrie loost zuur water. Dit alles toont aan dat afvalwater zelden een neutrale pH-waarde heeft. Daarom is het noodzakelijk om het afvalwater te neutraliseren. Het gebruik van een pH-meter, of het nu een vaste of draagbare installatie is, maakt het mogelijk om de meest geschikte waterbehandeling te bepalen.

Conventionele pH-elektroden met een glasmembraan zijn meestal ontworpen als een meetsysteem met één staaf en een geïntegreerde referentie-elektrode. In een pH-meter zitten de meetelektrode en de referentie-elektrode in een glazen staaf die in de te meten stof is ondergedompeld. In deze staaf bevindt zich vaak ook een temperatuursensor voor automatische temperatuurcompensatie. De pH-meters met deze glaselektroden hebben een groot meetbereik, maar zijn gevoelig voor storingen. Vooral het glasmembraan en het membraan van de referentie-elektrode moeten voorzichtig worden behandeld en doorlaatbaar worden gehouden. Daarom worden dergelijke pH-elektroden vaak gereinigd en opgeslagen in speciale bewaaroplossingen. De pH-meters met deze elektroden moeten regelmatig met korte tussenpozen worden gekalibreerd en afgesteld. Als de nauwkeurigheid niet meer voldoende is, moet de elektrode worden vervangen. In veel gevallen verwijst de term onderhoudsvrij voor zo'n pH-meter alleen naar het feit dat de elektrolytvloeistof die in de referentie-elektrode wordt gebruikt niet hoeft te worden bijgevuld of vervangen.

Voor continue bewaking van de pH-waarde in processen is het raadzaam pH-meters met speciale elektroden te gebruiken die nauwkeurige meetresultaten opleveren en weinig of geen onderhoud en kalibratie nodig hebben. Vooral bij langdurige processen waarbij zelfs kleine afwijkingen in de pH-waarde een reactie vereisen en waarbij in de loop van de tijd verschillende pH-waarden moeten worden bereikt en gehandhaafd, is het een groot voordeel als de pH-elektrode tijdens het proces niet hoeft te worden verwijderd voor reiniging of kalibratie. Veel van de onderhoudsarme pH-elektroden kunnen worden gereinigd en sommige kunnen ook automatisch worden gekalibreerd en gejusteerd in automatische procedures die zijn aangepast aan het betreffende procesverloop.

Voor continue metingen in industriële omgevingen waar direct in de procesvloeistof wordt gemeten, worden vaak pH-meters gebruikt met probes die niet alleen minder onderhoud nodig hebben, maar ook mechanisch en chemisch bestendiger zijn dan de gebruikelijke glaselektroden. Dit zijn bijvoorbeeld pH-elektroden waarbij email fungeert als pH-gevoelige laag in plaats van een glazen membraan en pH-probes die meten met ISFET-technologie. ISFET staat voor ion-selectieve veldeffecttransistor. Bij ISFET-sensoren wordt de pH-waarde dus bepaald via de veldeffecten die optreden wanneer ionen zich ophopen.