Czym jest współczynnik pH?
Wielkością, której pomiary są wymagane, jest współczynnik pH. Określa on stężenie jonów wodorowych w roztworze, charakteryzując stopień jego kwasowości albo zasadowości. Oblicza się go jako ujemny logarytm ze stężenia molowego jonów wodoru. Wyrażany jest wartością w skali od 0 do 14. Przykładowo, roztwory z 10–6 i 10–3 molami jonów wodoru na litr mają wartości pH odpowiednio 6 oraz 3. Roztwory o małym pH, w przedziale od 0 do 6, są klasyfikowane jako kwasowe, zaś te o pH w zakresie od 8 do 14 jako roztwory o odczynie zasadowym. Środkowa wartość skali, czyli pH 7, charakteryzuje chemicznie czystą wodę o odczynie obojętnym.
Skala pH jest logarytmiczna, w związku z czym nawet pozornie małe zmiany pH znacząco zmieniają właściwości roztworu. Przykładowo, roztwór o pH 4 jest dziesięć razy kwaśniejszy niż roztwór o pH 5 i aż sto razy kwaśniejszy niż roztwór o pH 6. Spadek pH z 6 na 5 oznacza zatem aż dziesięciokrotny wzrost stężenia kwasu, a zmiana o zaledwie 0,3 – jego podwojenie.
Dlaczego trzeba mierzyć pH?
Monitorowanie wartości tego współczynnika w procesach oczyszczania ścieków i uzdatniania wody jest bardzo ważne. Przykładowo, ta o zbyt niskim pH może sprzyjać rozwojowi korozji rur i kranów, czego skutkiem jest przedostawanie się produktów rdzewienia do sieci wodociągowej, a w efekcie zanieczyszczenie wody. Jeśli natomiast poziom pH jest zbyt wysoki, może spowodować pogorszenie jej smaku. Z kolei w oczyszczaniu ścieków wartości tego współczynnika muszą być kontrolowane, by zapewnić optymalne warunki do przebiegu reakcji chemicznych i procesów biochemicznych.
Wahania pH, przykładowo, wpływają negatywnie na aktywność metaboliczną mikroorganizmów i w efekcie na ich zdolność do rozkładu zanieczyszczeń organicznych w oczyszczaniu ścieków metodą osadu czynnego. Podobnie np. reakcje chemiczne prowadzące do wytrącania się metali ciężkich najefektywniej zachodzą w określonym przedziale pH, więc w razie jego przekroczenia w ściekach może pozostać większa ilość tych szkodliwych związków.
Case study: pomiary pH ścieków w fabryce tekstyliów

Pewien producent materiałów tekstylnych szukał sposobu na zmniejszenie opłat za oczyszczanie ścieków przemysłowych, wytwarzanych w jego fabryce. Zanieczyszczenia, które powstają tam podczas produkcji i barwienia tkanin, są najpierw wstępnie usuwane w przyzakładowej oczyszczalni, skąd przesyła się je do oczyszczalni miejskiej. Jakość ścieków trafiających do jednostki komunalnej warunkuje wysokość opłat, które uiszcza za to przedsiębiorstwo – konieczne jest zatem jej monitorowanie.
W tym celu wymagana była instalacja czujnika pH. Zamontowano go na wylocie z oczyszczalni ścieków w zakładzie. Wybrany został pH-metr z wbudowanym sensorem Pt1000 do kompensacji temperatury. Czujnik ma wzmocnioną konstrukcję, dzięki której sprawdza się w warunkach pomiarów ścieków przemysłowych. Został również zintegrowany z modułem komunikacji przewodowej. To umożliwia przesyłanie wyników pomiarów bezpośrednio do systemu sterowania pompami dozującymi środki neutralizujące odczyn ścieków w oczyszczalni przyzakładowej. W razie przekroczenia dozwolonej wartości pH automatycznie ilość tych chemikaliów jest zwiększana. Obniża to koszty opłat za korzystanie z oczyszczalni komunalnej. Czujnik wyposażono też w wyświetlacz, który umożliwia lokalny odczyt wartości pH i system automatycznego czyszczenia, usuwający zabrudzenia gromadzące się na elektrodach podczas użytkowania.
Jak się mierzy pH?
Sensory pH zbudowane są z elektrody jonoselektywnej i elektrody odniesienia – obu w postaci szklanych rurek, wypełnionych odpowiednio roztworem obojętnym oraz elektrolitem. Obudowa elektrody pomiarowej jest wykonana z porowatego, przepuszczalnego szkła. W obu rurkach umieszczone są srebrne druty. Po zanurzeniu elektrody pomiarowej w mierzonym roztworze przez jej obudowę przenikają jony. Kierunek ich ruchu zależy od jego odczynu. Powoduje to przepływ prądu w obwodzie zamykającym się przez wewnętrzne roztwory elektrod, mierzony roztwór, druty i pH-metr, mierzący różnicę między potencjałami – stałym elektrody odniesienia i zmiennym elektrody pomiarowej. Jest ona proporcjonalna do poziomu pH mierzonego roztworu.
Elektrody pomiarowa i odniesienia znajdują się zazwyczaj w jednym korpusie. Dostępne są również sensory w wersji różnicowej z trzema elektrodami: pomiarową, odniesienia i uziemiającą. Wyróżnia je duża precyzja, nawet w bardzo trudnych warunkach występujących w oczyszczalniach ścieków. Wymaganą w pomiarach pH kompensację temperatury zapewnia natomiast wbudowany w elektrodę pomiarową czujnik tej wielkości.
Case study: automatyzacja czyszczenia sondy pH w fabryce papieru

Zakłady papiernicze zużywają ogromne ilości wody wykorzystywanej do produkcji pulpy (miazgi), jej wybielania, produkcji papieru, recyklingu. W ramach oczyszczania powstałych przy tej okazji ścieków należy usunąć z nich zawiesiny włókien. Realizuje się to przez ich wytrącanie w zbiorniku, dodając do zawiesiny środki flokujące. Powodują one łączenie się włókien w łatwiejsze do usunięcia kłaczki. Na skuteczność tego procesu wpływa wartość pH. Odczyn musi być utrzymywany na odpowiednim poziomie, jego wartość należy zatem monitorować. Niestety, ze względu na specyfikę zawiesiny, pH-metry trzeba często wymieniać, ponieważ z czasem oblepiają je włókna, kłaczki i same środki flokujące.
W pewnym zakładzie, by wydłużyć żywotność sond pomiarowych, codziennie czyszczono je ręcznie. Angażowanie personelu w tym celu było jednak wysoce nieefektywne, dlatego zdecydowano się na zakup nowego modelu pH-metru. Czujnik ten jest zintegrowany z uchwytem z wbudowaną myjką ultradźwiękową oraz przedmuchem strumieniem powietrza. Pozwala to na zautomatyzowanie zadania czyszczenia pH-metru. Dzięki temu gruntowne ręczne usuwanie osadów jest już obecnie wymagane tylko raz na dwa miesiące.