Spis treści
Podstawy pomiarów redoks
Tło elektrochemiczne
Potencjał redoks wskazuje stopień, w jakim substancja może uwalniać (utleniać) lub absorbować (redukować) elektrony. Jest on mierzony w miliwoltach (mV ) i jest bezpośrednio związany ze stężeniem utlenionych i zredukowanych substancji w roztworze. Pomiar redoks opiera się na równaniu Nernsta, które opisuje potencjał redoks jako funkcję potencjału standardowego i stosunku stężeń par redoks.
Zmierzony potencjał jest wskaźnikiem równowagi elektrochemicznej pomiędzy substancjami utleniającymi (np. tlen, chlor) i redukującymi (np. siarkowodór, żelazo(II)).
Metody pomiarowe i optymalizacja w praktyce
Pomiar redoks online
Systemy pomiaru redoks online są wykorzystywane w nowoczesnych zakładach do ciągłego rejestrowania wartości i przesyłania ich do systemów sterowania procesem (np. SCADA lub DCS). Zalety tych systemów:
- Monitorowanie w czasie rzeczywistym i automatyczna regulacja procesu.
- Funkcja alarmu dla odchyleń od wartości zadanej.
- Rejestrowanie danych do analizy i optymalizacji.
Kalibracja i konserwacja
Aby uzyskać precyzyjne pomiary, elektrody redoks muszą być regularnie kalibrowane i czyszczone, ponieważ osady (np. z flokulantów lub substancji organicznych) mogą pogorszyć czułość. Roztwory kalibracyjne o znanych wartościach redoks (np. bufor chinhydronowy) służą do sprawdzania dokładności elektrody.
Elementy techniczne pomiaru redoks
Struktura elektrody redoks
Pomiar redoks jest przeprowadzany przy użyciu pary elektrod składającej się z:
- Elektroda pomiarowa: Zwykle wykonana z platyny lub złota, ponieważ materiały te są chemicznie obojętne i mają wysoką przewodność elektryczną. Elektroda pomiarowa oddziałuje z parami redoks w roztworze i wytwarza potencjał, który jest proporcjonalny do stanu redoks.
- Elektroda odniesienia: Zazwyczaj jest to elektroda srebrna/chlorku srebra (Ag/AgCl) lub kalomelowa, która zapewnia stabilny potencjał porównawczy.
- Urządzenie pomiarowe: Przetwarza potencjał różnicowy pomiędzy elektrodą pomiarową a elektrodą odniesienia na czytelną wartość.
Funkcjonalność
Zasada pomiaru opiera się na fakcie, że na powierzchni elektrody pomiarowej ustala się równowaga elektrochemiczna pomiędzy utlenionymi i zredukowanymi związkami. Powstałe napięcie elektryczne jest mierzone i wyświetlane jako potencjał redoks.
Praktyczne znaczenie pomiarów redoks w technologii wody i ścieków
1. dezynfekcja
W uzdatnianiu wody potencjał redoks jest często wykorzystywany do monitorowania dezynfekcji, szczególnie w przypadku stosowania chloru, ozonu lub nadtlenku wodoru. Wysoki potencjał redoks (np. > 650 mV) wskazuje na wystarczającą moc utleniania, która jest niezbędna do zabijania zarazków i patogenów.
- Przykład chloru:
W przypadku stosowania chloru potencjał redoks jest wskaźnikiem skuteczności dezynfekcji. Chlor utlenia związki organiczne i mikroorganizmy, co zwiększa potencjał redoks.
2. utlenianie zanieczyszczeń
Potencjał redoks jest wykorzystywany w reakcji Fentona, w której sole żelaza(II) i nadtlenek wodoru reagują, tworząc rodniki hydroksylowe (OH-). Rodniki te bardzo skutecznie utleniają zanieczyszczenia organiczne.
- Typowy cel: Degradacja substancji organicznych, które są trudne do rozkładu (np. w ściekach farmaceutycznych lub chemicznych).
3) wytrącanie i redukcja chromu(VI) do chromu(III) za pomocą wodorosiarczynu sodu
Redukcja chromu(VI) do chromu(III) w ściekach przemysłowych jest szczególnym obszarem zastosowania napięcia redoks. Chrom(VI) jest wysoce toksycznym i rakotwórczym metalem ciężkim, który występuje w wielu procesach, na przykład w obróbce metali lub obróbce powierzchni. Aby zachować zgodność z limitami prawnymi, chrom(VI) jest często redukowany za pomocą wodorosiarczynu sodu (NaHSO₃).
Mechanizm reakcji:
Wodorosiarczyn sodu działa jako środek redukujący, który przekształca chrom(VI) w kwaśnym roztworze w mniej toksyczną i łatwiejszą do wytrącenia formę chromu(III).
- Jony chromianowe (Cr₂O₇²-) są przekształcane w jony chromu(III) (Cr³⁺) poprzez transfer elektronów.
- Protony (H⁺) z kwaśnego roztworu wspomagają redukcję.
- Powstały chrom(III) można następnie usunąć z wody przez wytrącenie w postaci wodorotlenku chromu (Cr(OH)₃).
Monitorowanie potencjału redoks:
Potencjał redoks jest kluczowym parametrem w tym procesie, ponieważ odzwierciedla skuteczność redukcji:
- Ein niedriges Redoxpotential (< +200 mV) zeigt an, dass genügend Reduktionsmittel vorhanden ist und die Reaktion in Richtung Chrom(III) verläuft.
- Rosnące wartości redoks wskazują, że redukcja jest niekompletna lub że wymagane jest dodatkowe dozowanie wodorosiarczynu sodu.
Praktyczne zastosowanie:
W praktyce wodorosiarczyn sodu jest dozowany w pozbawionym tlenu, silnie kwaśnym środowisku (pH 2-3), aby zapewnić skuteczną i całkowitą redukcję. Powstały chrom(III) jest wytrącany jako nierozpuszczalny wodorotlenek chromu poprzez podniesienie pH do 7-9 i może być usunięty przez sedymentację lub filtrację.
Proces ten łączy dozowanie chemikaliów, monitorowanie potencjału redoks i procesy strącania, zapewniając bezpieczne i zgodne z przepisami oczyszczanie ścieków.
4. biologiczne oczyszczanie ścieków
Potencjał redoks jest ważnym parametrem w biologicznym oczyszczaniu ścieków, ponieważ odzwierciedla aktywność mikroorganizmów:
- Procesy tlenowe: Wysokie wartości redoks (> 200 mV).
- Anaerobe Prozesse: Niedrige Redoxwerte (< -200 mV).
Ukierunkowane monitorowanie napięcia redoks pomaga zoptymalizować procesy i chronić system przed niepożądanymi reakcjami biologicznymi (np. redukcją siarczanów lub tworzeniem się metanu).
Zdjęcie: Nasz system CP ALMA CHEM MCW z dozowaniem wodorosiarczynu sodu do redukcji chromu VI.
Czynniki wpływające na napięcie redoks
Stężenie par redoks
Zmiana stężenia utlenionej lub zredukowanej substancji prowadzi do zmiany potencjału redoks. Wzrost stężenia czynnika utleniającego (np. ozonu) zwiększa tę wartość.
Wartość pH
Ponieważ wiele reakcji redoks zależy od protonów (H⁺), wartość pH wpływa na potencjał redoks. Na przykład, środowisko alkaliczne przesuwa reakcje utleniania tlenu.
Temperatura
Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta energia kinetyczna cząsteczek, co zwiększa szybkość reakcji, a tym samym potencjał redoks.
Obecność zanieczyszczeń
Rozpuszczone substancje organiczne lub sole mogą wpływać na reakcje redoks poprzez utlenianie/redukcję lub wyzwalanie reakcji ubocznych.
Pomiary i kontrola w praktyce
W zakładach przemysłowych napięcie redoks jest często mierzone online za pomocą wytrzymałych elektrod, które są zintegrowane bezpośrednio ze strumieniami procesowymi. Zmierzone wartości służą jako podstawa do zautomatyzowanej kontroli dozowania chemikaliów i procesów. Przykłady
- Dozowanie środków utleniających: Optymalny dodatek chloru lub ozonu do dezynfekcji.
- Monitorowanie reaktorów beztlenowych: Zapewnienie stabilnych warunków procesu poprzez monitorowanie poziomu redoks.
- Ochrona przed korozją w obwodach chłodzenia: Unikanie warunków korozyjnych poprzez kontrolę napięcia redoks.
Wnioski
Pomiar ORP jest ważnym instrumentem w oczyszczaniu wody i ścieków, ponieważ dostarcza wiarygodnych informacji o procesach utleniania i redukcji w systemie. Niezależnie od tego, czy chodzi o monitorowanie procesów dezynfekcji, kontrolowanie redukcji metali ciężkich czy optymalizację reaktorów biologicznych - precyzyjne rejestrowanie i kontrolowanie potencjału redoks ma kluczowe znaczenie dla wydajności i niezawodności nowoczesnych systemów. Dobre zrozumienie pomiarów redoks i czynników na nie wpływających umożliwia operatorom i inżynierom organizowanie procesów w sposób stabilny i oszczędzający zasoby.
Aby uzyskać więcej informacji na temat naszych produktów, prosimy skontaktować się z nami w dowolnym momencie!
