Medición de pH por electrodos

El electrodo  medidor de pH ofrece, con mucho, la mayor sensibilidad y rango de cualquier medición. Para aprovechar al máximo esta capacidad, se requiere una precisión increíble de mezcla, manipulación de reactivos y control no lineal y a continuación presentaremos algunas recomendaciones para conseguirlo.

Concentración de iones

En el punto neutro, la concentración de iones de hidrógeno e hidroxilo es, por definición, igual. Como referencia de medición se utilizan tablas en las que las concentraciones de iones de hidrógeno e hidroxilo cambian en un factor de 10 para cada unidad de pH, lo que corresponde a un rango bastante amplio que no es cubierto por ningún otro tipo de medición de uso común.

Además, el electrodo de pH puede responder a cambios tan pequeños como 0.01 pH, lo que significa que la medición puede rastrear cambios tan pequeños como 0.000000005 en la concentración de iones de hidrógeno a 7.0 pH. Ninguna otra medida utilizada comúnmente tiene tan alta sensibilidad y es por eso por lo que resulta el instrumento más conveniente para realizar este tipo de medición.

Rango de sensibilidad

Las capacidades de rango y sensibilidad del equipo de medición crean problemas de diseño del sistema de control asociados que pueden parecer insuperables. Es importante darse cuenta de que estos problemas se generan al intentar, en términos de control de concentración, un nivel de rendimiento en el proceso de pH que va más allá de la norma.

Para un sistema de control de ácido y base fuerte, la válvula de reactivo en el medidor de pH debe tener una capacidad de rango mayor de 1,000,000:1 para una corriente entrante que varía entre 0 y 6.0 pH y un punto de ajuste a 7.0 pH. El deslizamiento de la misma válvula de control debe ser inferior al 0.00005% para controlar dentro de 1 pH del punto de ajuste de pH 7.

Lo anterior es posible gracias a que los sistemas fuertes de ácido y base se controlan al acercarse al punto de ajuste en etapas y al uso de válvulas de control de precisión sucesivamente más pequeñas. Sin embargo, los verdaderos sistemas ácidos y básicos fuertes rara vez existen. Solo la exposición del líquido al aire dará como resultado la absorción de suficiente dióxido de carbono para agregar un ácido débil al sistema que modera los cambios extremos en la pendiente de la curva y, por ende, la ganancia del proceso.

Concentraciones

La actividad del hidrógeno es la concentración efectiva y es una medida de la capacidad del ion hidrógeno para moverse y combinarse con otros iones. Para soluciones diluidas, las concentraciones efectivas y reales son iguales y el coeficiente de actividad es uno. Para soluciones con altas concentraciones de iones, la acumulación y la presencia de otras cargas reduce el coeficiente de actividad a menos de uno y la efectividad es menor que la concentración real. También hay coeficientes de actividad para ácidos y bases que afectan el pH.

Para soluciones con menos del 90% en peso de agua o más del 5% en peso de sal, el pH se convierte en una función notable del agua y la sal además de la concentración de iones de hidrógeno. En futuras publicaciones en este blog hablaremos más sobre el tema y presentaremos básicos sobre algoritmos y relación entre temperatura y pH.

La medición y el control del pH ofrecen un grado de precisión en el control de la concentración que es de órdenes de magnitud más allá de lo que es posible con cualquier otra medición analítica. Esta increíble oportunidad tiene desafíos inherentes que pueden abordarse mediante el conocimiento de la no linealidad, los requisitos de diseño de equipos y tuberías y la tecnología de electrodos.

Consideraciones para el diseño de control de pH

Hay muchas dificultades, cualquiera de las cuales puede hacer que un sistema de control de pH funcione mal y presente numerosos fallas y para evitarlas conviene conocerlas. A continuación, presentamos algunas de las principales:

El pH de la solución real cambia a pesar de una concentración constante de iones de hidrógeno debido a cambios en las constantes de disociación con la temperatura del proceso y los coeficientes de actividad con fuerza iónica y contenido de agua.

El primer paso en el diseño de un sistema de pH es generar una curva de titulación a la temperatura del proceso con suficientes puntos de datos para cubrir el rango de operación y mostrar la curvatura dentro de la banda de control.

Para un punto de ajuste en la parte más empinada de la curva de titulación, se necesita una etapa de neutralización por cada dos unidades de pH fuera del punto de ajuste. El control preciso de avance y las válvulas precisas pueden eliminar una etapa. Existe una gran oportunidad para reducir el uso de reactivos y la inversión de capital si se mueve el punto de ajuste a una parte más plana de la curva de titulación y más cerca del pH influyente.

El uso de un mezclador estático o bomba como un sistema de pH en línea rápido puede eliminar la necesidad de un recipiente bien mezclado para la primera etapa, incluso para un punto de ajuste en la parte moderadamente empinada de una curva al emplear un filtro de señal. Para fluidos de proceso que acortan la vida útil del electrodo debido a un ataque químico, abrasión, deshidratación o recubrimiento, se recomienda usar un ensamblaje automáticamente retráctil y secuenciado para minimizar la exposición del proceso del electrodo y maximizar su acondicionamiento y calibración.

La reproducibilidad de un electrodo de medición depende de la condición de una fina capa de gel frágil que se rompe fácilmente por abrasión, deshidratación, alta temperatura y ataque químico. El uso de tres electrodos y la selección intermedia maximizarán la confiabilidad y minimizarán el mantenimiento a menos que el proceso sea tan desagradable que provoque una falla prematura del electrodo. El acercamiento al punto neutral parece una respuesta desbocada debido a la aceleración.

Diseño de sistema de control

Para diseñar adecuadamente un sistema de control de pH, debe tener una curva de titulación en las condiciones de operación para evaluar el alcance de la no linealidad. Desde la pendiente de la curva de titulación en el punto de operación y la distancia, hasta el punto de ajuste para las condiciones más extremas, puede determinar el número de etapas de neutralización, la precisión de la válvula de control, la uniformidad de mezcla, la linealización y los requisitos especiales de diseño del sistema de automatización, como la selección de la señal intermedia.

Un sistema de control de pH exitoso requiere una estrecha relación de trabajo entre ingenieros de automatización, ingenieros mecánicos, ingenieros de procesos y proveedores para selección y uso correcto de material y equipo para laboratorio en diferentes industrias.

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