水质检测课件

LOGO仪表水工艺仪表与控制——V1第12章1提要*第12章1pH值检测仪表2溶解氧检测仪表第12章2*pH值检测仪表1第12章3

溶液的酸碱度可用离子浓度来表示，由于氢离子浓度的绝对值很小，所以常常将溶液中的氢离子浓度，取以10为底的负对数，定义为pH值，即

式中a——氢离子浓度。pH值反映溶液的酸碱性，是衡量水质的基本标准之一。*引

言第12章4*壹

pH值检测仪表pH值检测原理在工业生产过程中常用电位测量pH值，工业pH值计由发信和检测两部分组成。0第12章

因此，下面我们先了解一下电极电位和原电池的电动势等基本概念。

发信部分是一个电化学传感器，主要组成是参比电极和指示电极。当待测溶液流经发射部分时，真电极和待测溶液形成一个化学电池，在两电极间所产生的电动势大小与待测溶液的pH值成确定的函数关系。待测溶液的pH值是通过转换成原电池的电动势直接测量的。5*壹

pH值检测仪表电极电位

依据电化学理论，当电极与溶液接触时，由于游离电荷或偶极子在其接触面上的重新排布而产生所谓的双电层现象，其结果是在电极与溶液的界面间形成一个相应的电位差，称之为电极电位。1第12章电极电位的大小可用奈斯特（Nernst）方程式表示，即式中：E——电极的电位；E0——电极的标准电位；R——气体常数（8.315J/K）；F——法拉利常数；T——溶液的热力学温度；n——电极反应中传递的电子数；a氧化态——氧化态离子的活度；a还原态——还原态离子的活度。6*壹

pH值检测仪表电极电位金属离子的电极电位的通式为1第12章非金属和气体也能在溶液中产生电极电位，如氢电极电位为结论：电极电位的值无法由实验直接测定，只能通过测定两个电极之间的电位差来相对测量，氢电极的标准为“零”，其他电极的标准电位都是以氢标准电位为基准的相对值。7*壹原电池的电动势2将锌棒插入ZnSO4溶液，将铜棒插入CuSO4溶液，两者之间用隔膜隔开将两个电极分别插入具有同名离子的溶液中，并在两种溶液中间用薄膜隔开，可构成——化学院电池

pH值检测仪表电极反应式：电极表达式：Zn|ZnSO4||CuSO4|Cu电极表达式：可见，原电池的电动势E是离子浓度的函数第12章8*壹pH值测量原理

上式表明，由两个氢电极所构成的上述原电池的电动势与待测溶液的pH值成正比。在工业测量中，通常用其他电极代替上述原电池中的氢电极，并以其中一个电极作为基准电极，士气电极电位恒定不变；而另一个电极的电极电位是被测溶液pH值得函数，通过测量该原电池的电动势，即可获知待测溶液的pH值。3

将两个氢电极分别插入两种氢离子的溶液中组成一个原电池，电动势可简化为

pH值检测仪表第12章9*壹pH值测量方法4pH值得测量方法由玻璃电极法、比色法、锑电极法等，通常在线测量中普遍使用——玻璃电极法1玻璃电极法原理：用两个电极插在被测溶液中，其中一个是指示电极，它的输出电位随被测溶液中的氢离子活度变化而变化；另一个是参比电极，其电位不变。上述两个电极在溶液中构成一个原电池，其电动势为参比电极指示电极pH仪器

pH值检测仪表第12章10*壹pH值测量方法41玻璃电极法

因此，在已知E*和D的情况下，则只要准确的测量两个电极间的电动势E，就可以测得溶液的pH值。工业在线检测pH值大都使用——复合pH电极，因为它便于安装、标定与使用。

pH值检测仪表第12章11*壹pH值测量方法42pH值测量仪表的构造与性能

根据pH测量系统的基本构成，结合pH测量仪表的适用场所、对象、条件等，pH测量仪表有移动式（携带式）和固定式（固定放置连续测定式）等形式。检测部分的构造特性是：（1）使参比电极内部液体补充次数要少；（2）尽量减少和防止电极部分的污染。对于前者，已经研制出在参比电极液体接触面液体之间电位差小而使内部液体流量少的结构。对于后者，则已制造出易于保养的轻量化的以及安装有自动电极清洗器的检测部分。

pH值检测仪表第12章12*壹pH值测量方法42pH值在线测量仪表

pH值在线测量仪表包括pH测量仪表和pH变送器。两者在功能或结构上的主要区别在于是否需要信号隔离与远传作用。

（1）工业在线对pH测量仪表的基本要求：1）计量特性：要求有高输入阻抗、低输入电流、高稳定性、低漂移、低显示误差；2）调节特性：要求有零点调节、斜率调节、温度补偿调节和等电位点调节。3）使用特性：要求有pH显示、信号隔离和电流或电压信号输出。

pH值检测仪表第12章13*壹4pH值测量方法（2）pH测量仪表的主要技术指标：1）仪表的输入阻抗：电极内阻约几百兆欧，微小电流流过指示电极就会引起显著的电压降。2）仪表输入电流：仪表输入电流是由仪表输入端电子器件的泄漏电流所产生的。3）仪表的稳定性：仪表的稳定性是一项综合性指标，温度对元件器件的影响，电源引起的波动、仪表的抗干扰性等都将影响仪表的稳定性4）仪表的测量范围及分辨率：目前使用的pH仪表测量大体为0~14pH单位，分辨率大都是0.01pH。

pH值检测仪表第12章14*第12章溶解氧检测仪表2第12章15*贰

溶解氧是指水中溶解的分子状态氧。在化学方面，溶解氧是一种氧化剂，在生物化学方面是水生生物呼吸不可缺少的成分；在活性污泥法污水处理工艺中，溶解氧测定还是保证处理工艺正常进行的主要控制参数。溶解氧测量的任务是测定溶解于液体中的气相氧的浓度或分压。0

溶解氧检测仪表本章概念第12章16*贰溶解氧测量原理

工业过程测量中，大多数采用电化学传感器来测定溶液中的溶解氧浓度。这种电化学传感器是基于极限扩散电流与待测物质组分的浓度成正比的关系来进行测量的，其基本结构实际上是一个化学电池。在该化学电池内部的传质过程中，主要是扩散在起决定性作用。

根据电化学理论，当电极表面上反应物离子的浓度与电解质溶液中其他地方的离子浓度之间存在着浓度梯度时，将有一些离子在电极与电解质溶液之间移动，以减小这一浓差梯度，这种过程即称为扩散。在这种情况下所得的电解电流将取决于由浓差梯度所引起的扩散速率，故称之为扩散电流。1

溶解氧检测仪表第12章17*贰

由费克（Fick）定律可知，在任一时刻，某种物质向单位面积电极表面扩散的速率正比于浓差梯度的大小，即1溶解氧测量原理式中：R——某物质的扩散速率；D——该物质的扩散系数；

δ——电极周围的扩散层厚度；C1——溶液主体中该物质的浓度；C2——电极与电解液界面处的该物质浓度。

溶解氧检测仪表第12章18*贰溶解氧测量原理1

溶解氧检测仪表

由于物质扩散到电极表面后被吸附，而进行电子交换反应的速度又远大于该物质向电极扩散的速度。此时可得出扩散速度的最大值Rd为第12章19*贰式中：Rε——在电极上进行电子交换反应的速率；I——扩散电流；

n——电极反应中交换的电子数；A——反应界面的面积（电极的有效面积）；F——法拉利常数（96500C·mol-1）。1溶解氧测量原理

根据法拉利定律，在电极上进行电子交换反应的速度为

溶解氧检测仪表第12章20*贰1溶解氧测量原理

当电极上的反应达到平衡时，电子交换反应的速率等于扩散速度。亦即，扩散到电极表面的该物质全部参与了电子交换反应。于是，可得出稳定状态下的极限扩散电流Id为

溶解氧检测仪表

（12-1）第12章

其中21*贰1溶解氧测量原理

溶解氧检测仪表

当k为一常数时，极限扩散电流Id与溶液中待测离子浓度C1成正比。用于测定溶解氧浓度的电化学传感器通常采用隔膜式结构，亦即用一个透气性薄膜把被测溶液同传感器内部的电极隔开。水分子不能透过该隔膜，而被测溶液中的溶解氧却可以透过该隔膜扩散到电极上去。此时的扩散电流取决于溶液中的氧分子透过隔膜的扩散速度。当温度恒定时，稳定状态下的极限扩散电流与溶液中溶解氧浓度之间存在类似于（12-1）的比例关系。因此，只要测得传感器在稳定状态下输出的电流Id,即可知待测溶液中的溶解氧浓度。第12章22*贰溶解氧测量方法2

溶解氧的测定方法，可大致分为化学分析方法和电化学方法，而溶解氧在线测量中通常采用的是隔膜电极测定法。下面结合两种常用的隔膜电极法装置介绍隔膜电极法的原理及仪表的结构和性能。1、隔膜电极普仪方式

溶解氧检测仪表A电流表0.5~0.8V板状电极（Ag/AgCl）反应电极（Pt/Au）隔膜电解质溶液（KOH/KCL）

隔膜电极谱仪方式原理如右图。用氧气透过性高的隔膜（聚乙烯玻璃纸、聚四氟乙烯）在水样溶液中隔离开电极和电解槽，电解液用氯化钾或氢氧化钾溶液，当在两电极间加上0.5～0.8V的电压时，通过隔膜的氧在电极上便发生下述反应，氧被还原，在外部电路中便有与氧浓度成比例的电极谱仪临界电流流过。第12章23*贰溶解氧测量方法2

这样，即可测得溶解氧的浓度：

溶解氧检测仪表

电极材料随着不同的仪表制造厂家而不同，板状电极多数应用银——氧化银、银——氯化银，反应电极则应用金或铂制造。隔膜材料，初期使用玻璃纸和高压聚乙烯，目前多使用聚四氟乙烯，厚度为25微米或50微米。板状电极反应电极第12章242、隔膜原电池方式*贰溶解氧测量方法2

隔膜原电池方式原理如右图所示。板状电极用价格便宜的金属制作，反应电极则用贵重金属制作。其测量原理是透过隔膜的氧在反应电极上还原，测定在两电极间与溶解氧呈比例的还原电流。

溶解氧检测仪表A电流表板状电极（Pb/Al）反应电极（Pt/Au/Ag）隔膜电解质溶液（KOH）第12章252、隔膜原电池方式*贰溶解氧测量方法2

用氢氧化钾做电解液时电极反应式为

溶解氧检测仪表板状电极反应电极

电极材料的使用，应考虑其加工性能和价格，板状电极应用铅或铝，反应电极使用金或铂，部分采用银制作。第12章261、隔膜的透过性与扩散电流*贰溶解氧测量仪表的性能3

上述隔膜极谱仪方式和隔膜原电池方式，除了是否要从外部加上电压以外，在使用上性能基本相同。

溶解氧检测仪表

由于溶解氧逐步透过薄膜扩散在电解槽内，所以，其扩散系数D与膜的透过率Pm及水样中的溶解氧浓度Cn成正比，与隔膜的厚度成反比，即式中：K´为溶解氧膜透过系数第12章27*贰溶解氧测量仪表的性能3

曼西等人的实验，给出了隔膜电极在稳定状态下产生的电流与水样溶解氧浓度的关系式为

溶解氧检测仪表式中I——稳定状态下的指示电流（mA）；n——包括电极反应产生的电子数；F——法拉利常数（96500C·mol-1）；A——作用电极的面积（cm2）；Pm——膜的透过率；C