Betrieb von pH-Metern und gelösten Sauerstoffanalysatoren
1. Funktionsprinzip des pH-Meters
Der pH-Wert des Wassers hängt von der Menge der gelösten Stoffe ab und kann daher Veränderungen der Wasserqualität empfindlich anzeigen. Veränderungen des pH-Werts haben einen großen Einfluss auf die Vermehrung und das Überleben von Organismen. Gleichzeitig beeinträchtigen sie auch stark die Biochemie des Belebtschlamms, was wiederum die Klärwirkung beeinflusst. Der pH-Wert von Abwasser wird im Allgemeinen zwischen 6,5 und 7 geregelt. Wasser ist chemisch neutral und bestimmte Wassermoleküle zersetzen sich spontan gemäß der folgenden Formel: H2O=H++OH-, also in Wasserstoffionen und Hydroxidionen. In einer neutralen Lösung betragen die Konzentrationen der Wasserstoffionen H+ und der Hydroxidionen OH- beide 10-7mol/l und der pH-Wert ist das Negative des dekadischen Logarithmus der Wasserstoffionenkonzentration: pH=-log, also ist der pH-Wert der neutralen Lösung gleich 7. Bei überzähligen Wasserstoffionen ist der pH-Wert kleiner als 7 und die Lösung ist sauer; Umgekehrt ist die Lösung alkalisch, wenn ein Überschuss an Hydroxidionen vorhanden ist.
Der pH-Wert wird üblicherweise mit der potentiometrischen Methode gemessen. Eine Referenzelektrode mit konstantem Potenzial und eine Messelektrode werden üblicherweise verwendet, um eine Primärzelle zu bilden. Die elektromotorische Kraft der Primärzelle hängt von der Konzentration der Wasserstoffionen und dem pH-Wert der Lösung ab. Die Anlage verwendet pH-Sensoren und pH-Transmitter. An der Messelektrode befindet sich eine spezielle Glassonde, die empfindlich auf den pH-Wert reagiert. Sie besteht aus speziellem Glas, das Strom leiten und Wasserstoffionen durchdringen kann. Sie zeichnet sich durch hohe Messgenauigkeit und gute Entstörungseigenschaften aus. Wenn die Glassonde mit Wasserstoffionen in Kontakt kommt, wird ein elektrisches Potenzial erzeugt. Das Potenzial wird mithilfe einer Referenzelektrode aus Silberdraht gemessen, die in einer Silberchloridlösung aufgehängt ist. Unterschiedliche pH-Werte erzeugen unterschiedliche Potenziale, die über einen Transmitter in ein Standard-Ausgangssignal von 4-20 mA umgewandelt werden.
2. Funktionsprinzip des gelösten Sauerstoffanalysators
Der Sauerstoffgehalt im Wasser kann den Grad der Selbstreinigung des Wassers vollständig anzeigen. Für biologische Kläranlagen, die Belebtschlamm verwenden, ist es sehr wichtig, den Sauerstoffgehalt von Belüftungsbecken und Oxidationsgräben zu kennen. Erhöhter gelöster Sauerstoff im Abwasser fördert andere biologische Aktivitäten als anaerobe Mikroorganismen, wodurch flüchtige Substanzen entfernt werden und das Abwasser leicht natürlich oxidiert wird. Es gibt drei Hauptmethoden zur Messung des Sauerstoffgehalts: automatische kolorimetrische Analyse und chemische Analysemessung, paramagnetische Methode und elektrochemische Methode. Die Menge an gelöstem Sauerstoff im Wasser wird im Allgemeinen mit elektrochemischen Methoden gemessen.
Sauerstoff ist wasserlöslich und seine Löslichkeit hängt von der Temperatur, dem Gesamtdruck an der Wasseroberfläche, dem Partialdruck und den im Wasser gelösten Salzen ab. Je höher der atmosphärische Druck, desto größer ist die Fähigkeit des Wassers, Sauerstoff zu lösen. Die Beziehung wird durch das Henry-Gesetz und das Dalton-Gesetz bestimmt. Das Henry-Gesetz besagt, dass die Löslichkeit eines Gases proportional zu seinem Partialdruck ist.
Am Beispiel eines Sauerstoffmesssensors besteht die Elektrode aus einer Kathode (üblicherweise aus Gold und Platin), einer stromführenden Gegenelektrode (Silber) und einer stromlosen Referenzelektrode (Silber). Die Elektrode ist in einen Elektrolyten wie KCl, KOH eingetaucht, der Sensor ist mit einer Membran bedeckt, die Elektrode und Elektrolyt von der zu messenden Flüssigkeit trennt und so den Sensor schützt, ein Austreten des Elektrolyten und das Eindringen von Fremdstoffen, die zu Verunreinigungen und Vergiftungen führen können, verhindert. Zwischen Gegenelektrode und Kathode wird eine Polarisationsspannung angelegt. Wird das Messelement in Wasser mit gelöstem Sauerstoff eingetaucht, diffundiert Sauerstoff durch die Trennwand und die an der Kathode vorhandenen Sauerstoffmoleküle (überschüssige Elektronen) werden zu Hydroxidionen reduziert: O{{0}}H2O+4e-® 4OH-. Auf der Gegenelektrode scheidet sich ein elektrochemisches Äquivalent Silberchlorid ab (Elektronenmangel): 4Ag+4Cl-® 4AgCl+4e-. Für jedes Sauerstoffmolekül gibt die Kathode 4 Elektronen ab, und die Gegenelektrode nimmt die Elektronen auf, um einen Strom zu bilden. Die Größe des Stroms ist proportional zum Sauerstoffpartialdruck des gemessenen Abwassers. Dieses Signal wird zusammen mit dem vom Wärmewiderstand am Sensor gemessenen Temperatursignal an den Transformator gesendet. Der Sender berechnet anhand der im Sensor gespeicherten Beziehungskurve zwischen Sauerstoffgehalt, Sauerstoffpartialdruck und Temperatur den Sauerstoffgehalt im Wasser und wandelt ihn dann in eine Standardsignalausgabe um. Die Funktion der Referenzelektrode besteht darin, das Kathodenpotential zu bestimmen. Die Reaktionszeit des gelösten Sauerstoffsensors beträgt: 90 % des endgültigen Messwerts werden nach 3 Minuten erreicht und 99 % des endgültigen Messwerts werden nach 9 Minuten erreicht; die Anforderung für eine niedrige Durchflussrate beträgt 0,5 cm/s.
