pH检测原理与应用选型

pH检测原理与应用选型

pH值是衡量溶液酸碱性强弱的重要指标，在化学、环境监测、食品加工等领域有着广泛的应用。本文将详细介绍pH的定义、测量原理、电极结构、分类以及可能产生的测量误差，并提供相应的选型建议。

pH的定义

pH表示水溶液的酸碱性强弱程度，其范围在014之间。最简便的测定方法是使用pH试纸，而更精确的计算方法则是通过公式pH=－logC(H+)，即氢离子浓度的负对数。这种表示方法能够准确反映溶液酸碱性的强弱。需要注意的是，pH范围在014之间只适用于稀溶液，对于氢离子浓度或氢氧根离子浓度大于1mol/L的溶液，其酸碱度通常直接用浓度表示。

pH与溶液酸碱度的关系

• pH<7，溶液呈酸性；pH越小酸性越强；
• pH=7，溶液呈中性；
• pH>7，溶液呈碱性；pH越大碱性越强。

水质pH值的测定标准

《水质pH值的测定 电极法》（HJ 1147-2020）是为贯彻《中华人民共和国环境保护法》和《中华人民共和国水污染防治法》而制定的行业标准，旨在保护生态环境，保障人体健康。该标准规定了测定地表水、地下水、生活污水和工业废水中pH值的电极法。

pH测量原理

pH值的测量主要通过测量电极与参比电极之间的电位差，并利用能斯特方程计算出溶液中的氢离子浓度。玻璃电极的敏感膜与溶液中的氢离子发生交换时会产生一个电位差，而参比电极则保持稳定的电位，不随溶液中氢离子浓度的变化而变化。

pH电极结构

在1948年之前，pH测量需要使用两支电极：一支玻璃测量电极和一支参比电极。1948年发明的复合pH传感器将这两种功能结合在一起，使操作更加简易。常用的参比电极包括银/氯化银电极和饱和甘汞电极，而填充液则通常使用饱和氯化钾、饱和硝酸钾溶液或氯化钠溶液等。

pH计分类

根据使用场合的不同，pH计可分为以下几类：

• 笔式pH计：主要用于代替pH试纸的功能，具有精度低、使用方便的特点。
• 便携式pH计：主要用于现场和野外测量，要求较高的精度和完善的功能。
• 台式pH计：主要用于实验室，要求精度高、功能全，包括打印输出、数据处理等。
• 工业pH计：用于工艺流程式的连续测量，要求有测量显示功能、报警和控制功能，以及考虑安装、清洗、抗干扰等问题。

pH测量误差

1. 静电荷影响：纯水的电导率较低，当水样流动与电极表面摩擦时可产生静电荷，这些静电荷不能及时流走而在玻璃电极表面积累，从而影响测量结果。
2. 温度影响：根据pH测量原理，温度变化会影响测量结果。测量水样的pH可以表示为：pH=pHs-（E-Es）·F/（2.303RT)，其中系数F/（2.303RT)受温度的变化呈规律性变化。
3. 其他误差：

• 制造过程中的缺陷、使用过程中的老化或污染可能导致测量误差。
• 校准方法不当或使用的校准液不准确，会导致测量误差。
• 不正确的使用和维护方法也可能导致误差。

pH测量误差与选型

为了减少测量误差，需要根据具体应用场景选择合适的pH电极。以下是一些关键选型因素：

壳体材料的选择

• PC塑料外壳：耐碰撞和冲击，适用温度<80℃，在高碱溶液及部分介质中易受腐蚀。
• 玻璃外壳：适用温度范围为0-150℃，除氢氟酸溶液外一般不受腐蚀，但易碰撞损坏。

液接界的选择

• 纤维材质：一般用于塑壳电极中，其溶液渗出速度较快，不易堵塞。
• 陶瓷芯：耐腐蚀性好，液接界电势的稳定性及重现性均较好，可用于高温介质中，是应用广泛的液接界材料。
• 玻璃磨口：接界与溶液接触面积及渗出速度均较大，适用于离子强度较弱、高粘度、混浊液体或胶体溶液的测定。

pH敏感玻璃膜的选择

• 常规的敏感玻璃膜：适用于一般的水质测量。
• 高温强酸敏感玻璃膜：适用于需要测量高温强酸介质的环境。
• 低电阻敏感玻璃膜：适用于纯水的测量，因为纯水的电阻较大。

参比电极的选择

• 饱和甘汞电极：具有稳定的电极电位和良好的重现性。
• 银/氯化银电极：具有较高的稳定性和较低的电极电位，适用于一些需要较低电位测量的场合。