ابزارهای پتانسیل کاهش اکسیداسیون (ORP)
به روز رسانی شده در ۱۴۰۳/۸/۵ زمان مطالعه 10 دقیقه
ابزارهای پتانسیل کاهش اکسیداسیون (ORP) که به عنوان ابزار پتانسیل ردوکس نیز شناخته می شوند، برای نظارت بر واکنش های شیمیایی استفاده می شوند. ابزارهای ORP توانایی یک محلول را برای عمل به عنوان یک عامل اکسید کننده و کمی کردن فعالیت یونی اندازه گیری می کنند.
نمایش تمام سازندگان ابزارهای پتانسیل کاهش اکسیداسیون (ORP).
این یک تست الکتروشیمیایی ناهموار است که استفاده از آن راحت و آسان است. این آزمایش اغلب با استفاده از یک ابزار درون خطی و دستی انجام می شود که اندازه گیری ثابت و قابل اعتمادی را ارائه می دهد. اندازه‌گیری‌های پتانسیل کاهش اکسیداسیون باید به‌عنوان یک محدوده عملیاتی به جای خواندن یک نقطه استفاده شود. ابزارهای آزمایش معایبی دارند از جمله انتقال الکترودها و ناتوانی در تشخیص اثرات pH و دما.
سرعت یک ابزار ORP مستقیماً با چگالی جریان مبادله ای که از غلظت، سیستم کاهش اکسیداسیون و الکترود حاصل می شود، مرتبط است. هنگامی که نمونه ORP مشابه الکترود ORP باشد، سرعت کاهش می یابد. معایب ذکر شده را می توان با شستشوی الکترودهای ابزار قبل از خواندن و با همبستگی سیستم با بررسی اکسید کننده و کاهنده در یک سیستم حالت پایدار با آزمایش مرطوب و اندازه گیری pH جبران کرد.
واکنش های کاهش اکسیداسیون
پتانسیل کاهش اکسیداسیون اندازه گیری پتانسیل الکتریکی یک واکنش ردوکس است. همچنین به عنوان معیاری برای میزان اکسیداسیون یا کاهش در شرایط داده شده عمل می کند. واکنش ردوکس به تبادل الکترون ها اشاره دارد. اکسیداسیون از دست دادن الکترون است و بنابراین محلول مثبت تر است. کاهش، به دست آوردن الکترون است که باعث بار منفی می شود. این دو فرآیند همیشه با هم اتفاق می افتند زیرا عامل اکسید کننده در طول کاهش. پتانسیل که توسط ابزار ORP اندازه گیری می شود، اندازه گیری قدرت یک ماده برای به دست آوردن الکترون در محلول است. هر چه عامل احیا کننده قوی تر باشد، احتمال بیشتری وجود دارد که الکترون ها را به راحتی از دست داده و به ماده دیگری بدهد. یک عامل کاهنده قوی پتانسیل ردوکس منفی بالایی دارد. پتانسیل ردوکس مثبت بالا با یک عامل اکسید کننده قوی همراه است. اندازه گیری ORP اندازه گیری غلظت نیست. بلکه سطح فعالیت را اندازه گیری می کند، مشابه آزمایش pH. ترمودینامیک پایه برای واکنش های ORP را می توان با استفاده از معادله Nerest بیان کرد.
سلول E = E° Ox/Red +2.303RT/nF [Ox/Red]
کجا،
E° = پتانسیل تحت شرایط استاندارد فعالیت واحد به الکترود هیدروژن استاندارد اشاره دارد.
R = ثابت گاز، 1.986 کالری در هر مول. درجه
F = ثابت فارادی
T = دما بر حسب K
n = تعداد الکترون های مبادله شده در واکنش.
E° Ox/Red در جداول موجود در کتابچه های راهنما یافت می شود و مقدار نسبت به الکترود هیدروژن استاندارد (SHE) است.
عملیات
الکترود ORP/pH .
ابزارهای پتانسیل کاهش اکسیداسیون (ORP) وسایل الکتریکی کوچکی هستند. این دستگاه از یک نیم سلول فلزی و یک سلول مرجع تشکیل شده است. هنگامی که الکترود اندازه‌گیری در معرض عوامل اکسیدکننده یا کاهنده قرار می‌گیرد، الکترون‌ها دائماً روی سطح اندازه‌گیری آن به عقب و جلو منتقل می‌شوند که ولتاژ کوچکی تولید می‌کند. الکترود اندازه گیری یا حسگر از پلاتین، طلا یا گرافیت ساخته شده است. الکترود مرجع به محلول آب نمک متصل می شود و پتانسیل نیم سلولی 0.0mV داده می شود. این الکترود از کلرید نقره یا کالومل اشباع (SCE) ساخته شده است زیرا عملکرد پایدار و قابل اعتمادی را ارائه می دهند. پتانسیل‌های کاهش نسبت به یک گره مرجع تعریف می‌شوند زیرا اندازه‌گیری دقیق پتانسیل‌های مطلق دشوار است. دستگاهی که برای اندازه گیری ORP استفاده می شود بسیار شبیه به دستگاهی است که برای اندازه گیری pH استفاده می شود. تنها تفاوت این است که ORP ها به ندرت مکانیزم جبران دما دارند. الکترودهای ORP ولتاژ را در مدار تشکیل شده توسط دو الکترود اندازه گیری می کنند و اندازه گیری را می توان با استفاده از حالت میلی ولت یک pH متر انجام داد. یک ولتاژ منفرد را پتانسیل اکسیداسیون-کاهش می نامند که در آن ولتاژ مثبت محلولی را نشان می دهد که الکترون ها را جذب می کند (عامل اکسید کننده). ابزارهای ORP می توانند پتانسیل کاهش اکسیداسیون را در محدوده 450- تا 1100+ میلی ولت اندازه گیری کنند. قرائت به سمت ناحیه مثبت این محدوده توسط این ابزارها یک عامل اکسید کننده قوی را نشان می دهد، در حالی که قرائت به سمت ناحیه منفی نشان دهنده یک عامل کاهنده قوی است. نمودار زیر شرایط استاندارد پتانسیل کاهش را نشان می دهد.
پتانسیل کاهش استاندارد | e o (V) |
Ac 3+ + 3e « Ac o | -2.20 |
Ag + + e « Ag o | 0.7996 |
Ag 2 MoO 4 + 2e « 2Ag o + MoO 4 2- | 0.4573 |
Ag 2 S + 2e « 2Ag o + S 2- | -0.691 |
H 2 BO 3 - + 5H 2 O + 8e ® BH 4 - + 8OH - | -1.24 |
H 2 BO 3 - + H 2 O + 3e ® B o + 4OH - | -1.79 |
Bi + + e ® Bi o | 0.5 |
3+ + 3e ® Bi o باشد | 0.308 |
2HCNO + 2H + + 2e « (CN) 2 + 2H 2 O | 0.330 |
(CNS) 2 + 2e « 2CNS - | 0.77 |
CO 2 + 2H + + 2e « HCOOH | -0.199 |
HCHO + 2H 2 O + 2e « CH 3 OH + 2OH - | -0.59 |
پتانسیل کاهش استاندارد
فرآیند کلی برای انجام آزمایش پتانسیل کاهش اکسیداسیون شامل شش مرحله است که در تصویر زیر توضیح داده شده است.
هنگام انتخاب یک ابزار بالقوه کاهش اکسیداسیون، چندین فاکتور مهم باید در نظر گرفته شود. آنها در ویدیو و راهنمای انتخاب زیر توضیح داده شده اند.
مشخصات
اندازه گیری ORP
محدوده ORP/Redox - محدوده ORP/Redox که ابزار قادر به اندازه‌گیری است. همانطور که در نمودار زیر مشاهده می شود، واکنش ها بسته به نوع و کیفیت واکنش رخ داده، یک ORP مثبت یا منفی تولید می کنند. مقیاس اکسیداسیون می تواند از 1000- تا 1000+ باشد. منابع با ORP منفی قوی برای مصرف امن تر هستند.
دقت - دقت ORP/Redox ابزار (±mV). اندازه الکترود بر نوسانات قرائت ها تأثیر می گذارد. منطقه تشخیص بزرگتر به معنای حسگر بهتر است. برای آزمایش دقت آزمایش، اندازه گیری را می توان در جهت اکسیداتیو و به صورت کاهشی انجام داد. اگر منحنی‌های تولید شده توسط داده‌های جمع‌آوری‌شده همپوشانی داشته باشند، می‌توان فرض کرد که واکنش در زمانی که الکترود در تعادل بوده انجام شده است.
ورودی الکترود مرجع ORP - دستگاه دارای ورودی الکترود مرجع ORP است. گره مرجع باید در محلول نمکی قرار گیرد. اندازه گیری های ORP پنجره ای را بر اساس گره مرجع ارائه می دهند.
اندازه گیری pH
ابزارهای پتانسیل کاهش اکسیداسیون بسیار شبیه به دستگاه های اندازه گیری pH هستند. آنها اغلب در یک دستگاه هستند و ولتاژهایی تولید می کنند که به محلول های در تماس با الکترودهای حسگرشان بستگی دارد. الکترودهای pH برای تولید mV 0 در pH 7 (خنثی)، mV مثبت زیر pH 7 (اسیدی)، mV منفی بالای pH 7 (پایه) طراحی شده‌اند.
PH را اندازه گیری می کند - دستگاه pH را اندازه گیری می کند.
محدوده pH - محدوده pH که دستگاه قادر به اندازه گیری است.
دقت - دقت pH دستگاه (±pH).
ورودی الکترود مرجع pH - دستگاه pH دارای ورودی الکترود مرجع است.
خروجی
خروجی توسط کاربر به منظور ارزیابی ORP برنامه تفسیر می شود.
خروجی برق
ولتاژ آنالوگ - خروجی یک ولتاژ آنالوگ است. این یک تابع ساده و معمولا خطی از اندازه گیری است.
جریان آنالوگ - خروجی یک جریان آنالوگ است که متناسب با اندازه گیری به مدار خروجی تحمیل می شود. فیدبک بدون توجه به متغیرهایی مانند نویز خط و امپدانس جریان مناسب را فراهم می کند. خروجی ها یا فرستنده های جریان آنالوگ اغلب برای ارسال سیگنال در فواصل طولانی استفاده می شوند.
فرکانس آنالوگ - خروجی یک فرکانس آنالوگ است، فرمتی که اطلاعات را با متغیرهای فیزیکی پیوسته مانند دامنه ولتاژ یا تغییرات فرکانس منتقل می کند.
سوئیچ / رله زنگ - خروجی تغییر وضعیت یک سوئیچ یا زنگ هشدار است.
گزینه های رابط
سریال - یک پروتکل استاندارد خروجی دیجیتال (سریال) مانند RS232، RS422، RS485 و غیره.
موازی - یک پروتکل استاندارد خروجی دیجیتال (موازی) مانند IEEE 488 و غیره.
سایر - هر خروجی دیجیتالی غیر از سیگنال های سریال یا موازی استاندارد. سیگنال های منطقی ساده TTL یک مثال هستند.
پیکربندی
ابزار پتانسیل کاهش اکسیداسیون در چندین گزینه نصب برای متناسب با کاربرد مورد نظر موجود است. آزمایش‌های ORP اغلب در آزمایشگاه‌ها و همچنین در واحدهای ذخیره‌سازی آب از راه دور یا منابع آب انجام می‌شود، بنابراین نصب و قابلیت حمل در هنگام انتخاب ابزار مهم است.
دستگاه‌های دستی طوری طراحی شده‌اند که در حین نگه‌داشتن با دست قابل استفاده باشند. آنها به ندرت قادر به ایجاد یک نقطه ثابت در یک سیستم هستند و اندازه گیری "جهش" مشاهده شده ممکن است تا 25 میلی ولت باشد. این بستگی به این دارد که دستگاه ثابت یا در حال حرکت باشد. بخش کشاورزی و منابع طبیعی دانشگاه کالیفرنیا توصیه می کند که ابزارهای ORP دستی به مدت 30 ثانیه در منبع نگهداری شوند.
دستگاه های قابل حمل دارای دسته، کیس یا چرخ برای سهولت حرکت هستند. آنها لزوماً دستی نیستند.
دستگاه های ماژولار ماژولار هستند و می توانند با سنسورها یا محدوده های ورودی ارتباط برقرار کنند.
دستگاه های آزمایشگاهی / رومیزی برای قرار گرفتن در بالای یک نیمکت یا رومیزی در آزمایشگاه طراحی شده اند. آنها برای استفاده در میدان مناسب نیستند.
دستگاه‌های درجا/صحرایی برای استفاده در محل یا میدان، خارج از محیط آزمایشگاهی طراحی شده‌اند. آنها از مواد بادوام ساخته شده اند که می توانند شرایط آب و هوایی را تحمل کنند.
دستگاه های پانل به یک پانل در آزمایشگاه یا مخزن تامین آب متصل می شوند
اغلب دستگاه اندازه گیری pH و ابزار ORP را می توان در یک خط در مخازن ذخیره سازی نصب کرد.
ویژگی ها
کنترل‌کننده - دستگاه‌ها برخی از عملکردهای کنترل‌کننده، مانند محدودیت‌های تنظیم و کنترل تناسبی (P)، کنترل یکپارچه‌سازی متناسب (PI) یا کنترل مشتق یکپارچه متناسب (PIC) را ارائه می‌کنند.
رله های کنترل - تعداد رله های کنترل. رله یک کلید الکتریکی است که تحت کنترل مدار الکتریکی دیگری باز و بسته می شود. رله ها از سطح ORP برای انجام چندین عملکرد از جمله روشن کردن زنگ هشدار یا نشانگر، فعال کردن دستگاه برای بازگرداندن سطوح قابل قبول یا ایجاد یک گزارش داده برای نشان دادن زمان خاموش شدن رله استفاده می کنند. تعداد رله ها نشان دهنده تعداد سوئیچ ها و در نتیجه عملکردهایی است که دستگاه می تواند انجام دهد.
اندازه گیری دما - این ابزار همچنین دما را اندازه گیری می کند/خروجی می کند. ابزارهای ORP دارای یک دستگاه اندازه گیری دما روی برد برای اندازه گیری های سریع هستند.
جبران دما - جبران دما برای اندازه گیری دقیق pH بسیار مهم است. با این حال، برای اندازه گیری ORP استفاده نمی شود. دما بر پتانسیل واکنش برای همه مواد شیمیایی تأثیر می‌گذارد، اما ORP واقعی اندازه‌گیری مستقیم الکترون‌هایی است که در طی یک واکنش کاهش اکسیداسیون، بدون توجه به دما، حرکت می‌کنند.
دمای رسانه فرآیند - دمای محیطی که سنسور، پروب یا الکترود در آن غوطه ور شده است. برای کالیبراسیون مناسب، آگاهی از دمای محیط و دمای فرآیند بسیار مهم است.
دمای عملیاتی - محدوده دمایی که دستگاه ها برای کارکردن در آن طراحی شده اند.
با باتری کار می‌کند - دستگاه‌ها برای عملکرد کامل به باتری نیاز دارند، نه فقط یک باتری پشتیبان. باتری ها به دستگاه اجازه می دهند تا برای استفاده در میدان قابل حمل و دستی باشد.
فیلترها - دستگاه ها پردازش سیگنال یا فیلتر ویژه ای را برای داده های تمیز و آسان برای استفاده فراهم می کنند.
رویداد فعال شد - دستگاه‌ها می‌توانند هنگام وقوع رویداد، داده‌ها را ضبط و/یا ثبت کنند. رویدادهایی مانند افزودن یا تفریق یک ماده شیمیایی، تغییر در دمای فرآیند، یا وارد کردن دستگاه به فرآیند، به طور خودکار ابزار ORP را برای شروع اندازه‌گیری تحریک می‌کند.
داخلی یا خود کالیبراسیون - دستگاه ها دارای کالیبراتور داخلی هستند که می توان از آن برای آزمایش و تنظیم مجدد استفاده کرد.
محیط شدید - دستگاه ها برای مقاومت در برابر محیط های خشن با رطوبت شدید، دما، گرد و غبار و غیره طراحی شده اند.
خودآزمایی/تشخیص - دستگاه ها دارای قابلیت های خودآزمایی یا تشخیصی هستند. برخی از دستگاه ها ممکن است اخطار یا یادآوری برای شستشوی بین خواندن داشته باشند.
کار سنگین - اگر قرار است از ابزار در میدان استفاده شود، باید به اندازه کافی بادوام باشد تا بتواند شرایط محیطی را با ضد آب و مقاوم در برابر اشعه ماوراء بنفش تحمل کند.
در خط - دستگاه های درون خطی را می توان در سیستم نصب یا نصب کرد، مانند لوله یا مخزن که سیال از آن عبور می کند. ممکن است آنها طوری برنامه‌ریزی شوند که در صورت تغییر در فرآیند، به کاربر خوانش مداوم داشته باشند.
صدای کم - دستگاه را می توان در مواقعی که سر و صدا نگران کننده است مانند آزمایشگاه استفاده کرد.
بی‌سیم - دستگاه‌های بی‌سیم می‌توانند داده‌ها را از راه دور برای تجزیه و تحلیل بیشتر به پایگاه اصلی منتقل کنند.
مقاوم در برابر شعله - ابزارهای ORP که در آزمایشگاه یا در مزرعه استفاده می شوند ممکن است به دلیل مواد شیمیایی با شرایط خطرناکی مانند آتش سوزی مواجه شوند.
رابط کاربری
رابط کاربری به چندین ویژگی طراحی حیاتی یک ابزار بالقوه کاهش اکسیداسیون اشاره دارد. یک رابط کاربری ساده و خوب طراحی شده بر قابلیت استفاده، قابلیت آموزش و رضایت کلی از دستگاه تأثیر می گذارد. ملاحظات رابط کاربری شامل نمایشگر و کنترل ها می شود.
موارد زیر گزینه های نوع نمایش هستند:
متر آنالوگ - دستگاه ها دارای یک متر آنالوگ هستند که معمولاً دارای یک سوزن و یک صفحه با مقادیر مربوط به محدوده اندازه گیری است.
صفحه نمایش دیجیتال - دستگاه ها دارای یک صفحه نمایش دیجیتال به طور کلی با صفحه نمایش LED هستند.
صفحه نمایش ویدئو - دستگاه ها دارای یک لوله پرتو کاتدی (CRT)، صفحه نمایش کریستال مایع (LCD)، صفحه نمایش تخت (FPD)، یا سایر نمایشگرهای چند خطی برای نظارت تصویری یک سیستم یا فرآیند هستند.
هیچکدام - دستگاه ها نمایشگر ندارند و اگر اندازه گیری از محدوده دلخواه خود خارج شود، ممکن است به عنوان زنگ هشدار یا نشانگر عمل کنند.
موارد زیر گزینه های کنترل کاربر هستند:
کنترل‌های دستی - دستگاه‌ها دارای کنترل‌های ساده، پانل جلویی یا محلی مانند دستگیره‌ها و/یا پتانسیومتر هستند.
پنل جلوی دیجیتال - دستگاه ها دارای یک صفحه جلوی دیجیتال هستند که با صفحه کلید برنامه ریزی شده است. پانل های دیجیتال ممکن است برای تکمیل سطح بالاتری از تجزیه و تحلیل و تفسیر آسان تر مجهز شوند، با این حال، حمل و استفاده از آنها پیچیده تر است.
رابط کامپیوتر - دستگاه ها با رابط کامپیوتری برنامه ریزی می شوند. رابط های کامپیوتری دارای ویژگی های مشابه پانل های دیجیتال هستند.
هیچ - دستگاه‌ها کنترل‌های کاربر ندارند.
برنامه های کاربردی
ابزارهای پتانسیل کاهش اکسیداسیون (ORP) عمدتاً برای اندازه گیری توانایی اکسیداسیون کلر در استخرها و اسپاها و تعیین اینکه چه زمانی به نقطه هم ارزی در یک واکنش کاهش اکسیداسیون رسیده است استفاده می شود. ابزار ORP همچنین برای ضد عفونی برج خنک کننده، تصفیه آب های زیرزمینی، سفید کردن، تخریب سیانید، احیای کروم، اچ فلز، ضد عفونی میوه و سبزیجات و کلر زدایی استفاده می شود.
مواد شیمیایی مانند کلر، برم و ازن همگی اکسید کننده های قوی هستند. از آنجا که آنها قادر به گرفتن الکترون از مواد دیگر هستند، ضدعفونی کننده های عالی هستند. عمل ضدعفونی به دلیل تغییر ترکیب شیمیایی موجودات ناخواسته ایجاد می شود. با کاهش اکسید کننده ها، توانایی آنها برای اکسیداسیون تا زمانی که مصرف شوند یا با ماده دیگری ترکیب شوند کاهش می یابد. فرآیند اکسیداسیون را می توان توسط یک ابزار ORP نظارت کرد و کاربر می تواند پایان فرآیند پاکسازی را شناسایی کند. ابزارهای بالقوه کاهش اکسیداسیون احتمالاً می توانند یک مقدار ORP جداگانه را انتخاب کنند که بر حسب میلی ولت بیان می شود، که در آن می توان سطح قابل پیش بینی ضد عفونی را بدون توجه به تغییرات تقاضای اکسیدان یا غلظت اکسیدان به دست آورد و حفظ کرد.
ابزارهای بالقوه کاهش اکسیداسیون استفاده خود را به عنوان ابزار تحلیلی در نظارت بر تغییرات در یک سیستم به جای تعیین مقدار مطلق آنها (به عنوان مثال، کنترل فرآیند و تیتراسیون) ثابت کرده اند.
استانداردها
ارزش اندازه گیری ORP از دهه 1960 به عنوان روشی برای سنجش کیفیت آب رایج بوده است. در سال 1971، سازمان بهداشت جهانی مقدار استاندارد ORP را برای گندزدایی آب آشامیدنی 650 میلی ولت تعیین کرد. این بدان معناست که وقتی حجم یک حجم آب 650/1000 (حدود 2/3) ولت باشد، ضدعفونی کننده موجود در آب به اندازه کافی فعال است تا ارگانیسم های مضر را تقریباً فوراً نابود کند.
منبع