Auswahl und Handhabung von verschiedenen pH-Elektroden

Auswahl und Handhabung von verschiedenen pH-Elektroden

Damit Sie eine optimale pH-Messung in Ihrem Prozess gewährleisten, sollten Sie zunächst eine geeignete pH-Elektrode auswählen.
Steuerung und Messung des pH-Werts spielen in vielen Prozessen der Pharma-, Chemie-, Lebensmittel- und Getränkeindustrie eine essenzielle Rolle.

Welche Diaphragma Arten gibt es?
Brauchen Sie eine Doppelmembran oder ein Ringdiaphragma?
Für welche Temperaturbereiche sind die pH-Elektroden geeignet?  Folgende Probeneigenschaften müssen Sie bei der Auswahl für Ihre bestimmte Branche berücksichtigen:

  • chemische Zusammensetzung
  • Homogenität
  • Temperatur
  • Prozessdruck
  • pH-Bereich
  • Behältergröße - Beschränkung bezüglich der Länge und der Breite

 
Da pH-Glaselektroden verschiedenen Fehlerquellen ausgesetzt sind, ist die Auswahl bei nichtwässrigen, proteinreichen, hochviskosen Proben und bei Proben mit geringer Leitfähigkeit wichtig.

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Die Ansprechzeit und die Genauigkeit einer Elektrode hängen von einer Reihe von Faktoren ab. Messungen von Proben mit extremen pH-Werten und Temperaturen oder mit geringer Leitfähigkeit können länger dauern als Messungen von wässrigen Lösungen, die Raumtemperatur und einen moderaten pH-Wert aufweisen. Die Wichtigkeit der Probenunterschiede wird im nächsten Abschnitt anhand der Merkmale der verschiedenen Elektroden erläutert.

 

Verschiedene Arten von Diaphragmen

Auswahl und Handhabung von verschiedenen pH-Elektroden
ph probe selection
Auswahl und Handhabung von verschiedenen pH-Elektroden
Elektrode mit Keramikdiaphragma.

Keramikdiaphragma

Die Verbindung des Referenzelektrode einer pH-Elektrode, über welche das Bezugssystem Kontakt mit der Probe hat, kann die unterschiedlichsten Formen haben. Diese verschiedenen Varianten sind das Ergebnis der unterschiedlichen Anforderungen, die im Laufe der Zeit auf Grund der Verschiedenartigkeit der Proben an die Elektroden gestellt wurden.
Das Keramikdiaphragma ist die «Standardverbindung» und gleichzeitig auch die einfachste Verbindung. Es besteht aus einem porösen Keramikteil, welches in den Glasschaft der Elektrode eingesetzt ist. Dieses poröse Keramikmaterial ermöglicht es, dass der Elektrolyt langsam aus der Elektrode herausfließen kann, ohne dabei jedoch völlig ungehindert ausströmen zu können.

Diese Art von Verbindung eignet sich sehr gut für Standardmessungen in wässrigen Lösungen. Ein gutes Beispiel hierfür ist die METTLER TOLEDO Elektrode InPro 325x Series. Diese wegen ihrer leichten Handhabung bei der Messung wässriger Lösungen wahrscheinlich meistverwendete Verbindung hat einen großen Nachteil: Auf Grund der porösen Struktur des Diaphragmas kommt es leicht zur Verstopfung dieser Verbindung durch das Probenmaterial, insbesondere wenn die Probe sehr viskos ist oder als Suspension vorliegt.

Außerdem muss man bei einigen wässrigen Proben auf Eigenschaften wie den Proteingehalt achten. Bei Proben mit hoher Proteinkonzentration können die Proteine in der porösen Übergangsschicht ausfallen, wenn sie Kontakt mit dem Bezugselektrolyten (häufig KCl) bekommen. Durch diese Reaktion werden die Hohlräume der Struktur mit Proteinteilchen gefüllt, welche das Diaphragma blockieren und die Elektrode unbrauchbar machen. Wenn der Elektrolyt nicht ungehindert fließen kann, sind keine Messungen mehr möglich, da das Bezugspotential nicht mehr stabil ist.

Das gleiche Problem kann auftreten, wenn der Bezugselektrolyt im Diaphragma auf die Probelösung trifft und beide miteinander reagieren. Diese Reaktion kann einen Niederschlag bilden, der das Diaphragma blockiert. Wenn z.B. ein AgCl-gesättigter KCl-Elektrolyt bei Proben verwendet wird, die Sulfide enthalten, können Silberionen mit den Sulfiden reagieren und Ag2S bilden, welches dann das Keramikdiaphragma verstopft. Werksbefüllte, vorbedruckte pH-Elektroden mit Flüssig-/Gelelektrolyt eignen sich für ein weites Spektrum an Anwendungen in der Biotechnologie sowie der pharmazeutischen und chemischen Prozessindustrie. Sie liefern unter den unterschiedlichsten Betriebsbedingungen hervorragende Messleistungen.

PTFE-Ringdiaphragma

Die Verwendung eines PTFE-Ringdiaphragmas anstelle eines Keramikdiaphragmas erhöht den Kontaktbereich zwischen der Probe und der Elektrode und verhindert Verstopfungen des Diaphragmas. PTFE ist ein schmutzabweisendes Material.

Prozessbedingungen mit hohem Verunreinigungsgrad lassen die Messung, Überwachung und Steuerung des pH-Werts zu einer komplizierten Aufgabe werden. Ein PTFE-Ringdiaphragma (z.B. bei der METTLER TOLEDO InPro 480x Series) ist für den Einsatz in schwierigen Prozessumgebungen ausgelegt. Es hält Ablagerungen von Kohlenwasserstoff-verunreinigungen und Sulfiden stand, gewährleistet höchste Genauigkeit und kurze Ansprechzeiten, und dies über seine gesamte Lebensdauer hinweg. Für partikelhaltige Prozessmedien und Prozessmedien mit aggressiven Chemikalien ist die Elektrode mit optionaler flacher Glasmembran die optimale Lösung.

 

Auswahl und Handhabung von verschiedenen pH-Elektroden
Beispiel einer Elektrode mit PTFE-Diaphragma
Auswahl und Handhabung von verschiedenen pH-Elektroden
Beispiel einer Elektrode mit Lochdiaphragma

Offene Verbindung / Lochdiaphragma

Der dritte Diaphragmatyp ist die offene Verbindung oder das Lochdiaphragma.
Hierbei ist die Referenzelektrode völlig offen gegen die Umgebung und bietet einen ungehinderten Kontakt zwischen Bezugselektrolyt und Probelösung. Dies ist nur möglich, wenn der Bezugselektrolyt ein Feststoffpolymerelektrolyt ist. Die folgende Abbildung zeigt das Schema dieser Verbindung.

Der eindeutige Vorteil dieses Diaphragmas ist, dass es völlig offen ist und daher selten verstopft. Für offene Verbindungen sind selbst sehr schmutzige Proben kein Problem. Sie können auch bei diesen Proben kontinuierlich gute Messungen liefern. Die Nachteile des festen Polymerreferenzelektrolyten, der bei diesen Lochdiaphragmen verwendet wird, sind längere Reaktionszeiten und ein geringer Elektrolytfluss. Dies bedeutet, dass die gemessenen Proben eine genügend hohe Ionenkonzentration haben müssen, um stabile Messungen zu ermöglichen. Dennoch eignen sich diese Elektroden für die meisten Proben und sind sehr robust.  

Doppelmembran ohne Diaphragma

Die Bedingungen in der Chloralkali-Elektrolyse sind für pH-Elektroden extrem hart. Sie werden hohen Temperaturen ausgesetzt sowie auch Verstopfungen und Verunreinigungen, die von einer Vielzahl an Verbindungen herrühren können. Dies trifft in besonderem Maße auf die Anodenseite der Elektrolysezelle zu. Chlor diffundiert durch das Diaphragma der Elektrode und greift das Referenzsystem an. Dies führt zu falschen pH-Messungen und einer verkürzten Sensorlebensdauer.

Für zuverlässige pH-Messungen eignen sich Sensoren wie bspw. die InPro 4850i  von METTLER TOLEDO. Hierbei handelt es sich um eine pH-Elektrode mit Doppelmembran, die speziell auf dauerhafte, genaue Messungen in der Chloralkali-Elektrolyse ausgerichtet ist. pH-Elektroden mit Doppelmembran und herkömmliche pH-Elektroden unterscheiden sich vor allem durch ihr Natrium(pNa)-Referenzsystem.
Die Elektrode verfügt über eine natriumselektive Glasmembran, die auf die Natriumionen im Prozessmedium reagiert. Als Referenz dient die Natriumkonzentration der Sole. Das pNa-Referenzsystem ist hermetisch abgedichtet und besitzt kein Diaphragma. Daher können keine Oxidationsmittel in die Elektrode gelangen und das Referenzsystem angreifen. Die Elektrode ist mit  hochalkalibeständigem pH-Membranglas für die pH-Messung ausgestattet. Einer der Gründe, warum dieser Elektrodentyp sich ganz besonders für die Chloralkali-Elektrolys eignet, liegt im Zusammenspiel von pH-Messung und pNa-Referenz.

Auswahl und Handhabung von verschiedenen pH-Elektroden
pH-Elektrode mit Doppelmembran

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