많은 액체 화학 공정(산업, 제약, 제조, 식품 생산 등)에서 매우 중요한 측정은 pH입니다. 이는 액체 용액의 수소 이온 농도를 측정하는 것입니다. pH 값이 낮은 용액을 "산"이라고 하고, pH 값이 높은 용액을 "가성"이라고 합니다. 일반적인 pH 척도는 0(강산)에서 14(강가성)까지이며, 가운데의 7은 순수한 물(중성)을 나타냅니다.
pH는 다음과 같이 정의됩니다. pH의 소문자 "p"는 음의 공통(10진법) 로그를 나타내고 대문자 "H"는 수소 원소를 나타냅니다. 따라서 pH는 용액 1리터당 수소 이온(H+)의 몰 수를 로그로 측정한 것입니다. 우연히도 "p" 접두사는 로그 척도가 필요한 다른 유형의 화학 측정에도 사용되며, pCO2(이산화탄소)와 pO2(산소)가 그러한 두 가지 예입니다.
대수적 pH 척도는 다음과 같이 작동합니다. 리터당 10-12 몰의 H+ 이온을 함유한 용액의 pH는 12입니다. 리터당 10-3 몰의 H+ 이온을 함유한 용액의 pH는 3입니다. 매우 드물지만 pH가 0 미만인 산과 pH가 14 이상인 가성소다라는 것이 있습니다. 이러한 용액은 당연히 매우 농축되어 있고 반응성이 매우 강합니다.
pH 전극
pH는 특정 화학 분말의 색상 변화로 측정할 수 있지만(고등학교 화학 수업에서 익숙한 예는 "리트머스 시험지"입니다), pH의 지속적인 프로세스 모니터링 및 제어에는 보다 정교한 접근 방식이 필요합니다. 가장 일반적인 접근 방식은 용액의 수소 이온이 선택적 장벽을 통과하여 용액의 pH에 비례하는 측정 가능한 전위(전압) 차이를 생성하도록 설계된 특수 제조 전극을 사용하는 것입니다.
pH 전극의 설계 및 작동 이론은 매우 복잡한 주제로, 여기서는 간략하게만 살펴보겠습니다. 중요한 것은 이 두 전극이 용액의 pH에 정비례하는 전압을 생성한다는 것입니다. pH 7(중성)에서 전극은 두 전극 사이에 0볼트를 생성합니다. 낮은 pH(산)에서는 한 극성의 전압이 발생하고 높은 pH(가성)에서는 반대 극성의 전압이 발생합니다.
측정 전극
pH 전극의 불행한 설계 제약은 그 중 하나( 측정 전극이라고 함)가 용액에 떠다니는 다른 모든 이온에서 수소 이온을 걸러내는 데 필요한 이온 선택 장벽을 만들기 위해 특수 유리로 제작되어야 한다는 것입니다. 이 유리는 리튬 이온으로 화학적으로 도핑되어 수소 이온과 전기 화학적으로 반응하게 됩니다. 물론 유리는 정확히 "도체 " 라고 부를 만한 것이 아닙니다. 오히려 매우 좋은 절연체입니다.
두 전극 사이의 전압을 측정하려는 의도라면 이는 큰 문제가 됩니다. 한 전극 접촉부에서 유리 장벽을 거쳐 용액을 거쳐 다른 전극으로, 그리고 다시 다른 전극의 접촉부를 거쳐 돌아오는 회로 경로는 매우 높은 저항을 갖 습니다 .
기준 전극
다른 전극( 참조 전극이라고 함)은 중성(7) pH 완충 용액(일반적으로 염화칼륨)의 화학 용액으로 만들어지며, 다공성 분리기를 통해 공정 용액과 이온을 교환하여 테스트 액체에 비교적 낮은 저항 연결을 형성합니다. 처음에는 금속선을 용액에 담그기만 하면 액체에 전기적으로 연결되지 않는 이유가 무엇인지 궁금해질 수 있습니다. 이것이 작동하지 않는 이유는 금속이 이온 용액에서 반응성이 매우 높고 금속-액체 접촉 계면에서 상당한 전압을 생성할 수 있기 때문입니다.
이러한 전압이 생성되는 것을 방지하기 위해 측정 용액에 습식 화학 인터페이스를 사용하는 것이 필요한데, 이는 모든 측정 장비에서 이러한 전압이 pH를 나타내는 것으로 잘못 해석될 수 있기 때문입니다.
다음은 측정 전극의 구조에 대한 그림입니다. pH 전압이 생성되는 얇은 리튬 도핑 유리 멤브레인에 주목하세요.
다음은 기준 전극의 구조에 대한 그림입니다. 전극 하단에 표시된 다공성 접합부는 염화칼륨 완충액과 공정 액체가 서로 인터페이스하는 곳입니다.
측정 전극의 목적은 용액의 pH를 측정하는 데 사용되는 전압을 생성하는 것입니다. 이 전압은 유리 두께에 걸쳐 나타나며, 전압의 한쪽에는 은선을 놓고 다른 쪽에는 액체 용액을 놓습니다. 기준 전극의 목적은 액체 용액에 안정적이고 전압이 없는 연결을 제공하여 유리 전극의 전압을 측정하기 위한 완전한 회로를 만들 수 있도록 하는 것입니다.
기준 전극과 시험 액체의 연결은 몇 킬로옴에 불과할 수 있지만, 유리 전극의 저항은 전극 설계에 따라 10~900메가옴까지 다양할 수 있습니다! 이 회로의 모든 전류는 두 전극의 저항(및 시험 액체 자체에서 나타나는 저항)을 통과해야 하기 때문에 이러한 저항은 서로 직렬로 연결되어 있으므로 더해져 더 큰 합계가 됩니다.
일반적인 아날로그 또는 디지털 전압계는 그러한 고저항 회로에서 전압을 측정하기에는 내부 저항이 너무 낮습니다. 일반적인 pH 프로브 회로의 등가 회로도는 문제를 보여줍니다.
회로의 각 구성 요소의 높은 저항(특히 측정 전극의 유리 막)을 통과하는 매우 작은 회로 전류조차도 이러한 저항에서 비교적 상당한 전압 강하를 생성하여 미터에서 볼 수 있는 전압을 심각하게 감소시킵니다. 문제를 더 악화시키는 것은 측정 전극에서 생성되는 전압 차이가 밀리볼트 범위(이상적으로는 실온에서 pH 단위당 59.16밀리볼트)로 매우 작다는 사실입니다. 이 작업에 사용되는 미터는 매우 민감해야 하며 입력 저항이 매우 높아야 합니다.
이 측정 문제에 대한 가장 일반적인 해결책은 극도로 높은 내부 저항을 가진 증폭된 미터를 사용하여 전극 전압을 측정하여 가능한 한 회로를 통해 전류를 적게 끌어들이는 것입니다. 최신 반도체 구성 요소를 사용하면 최대 10 17 Ω의 입력 저항을 가진 전압계를 거의 어려움 없이 만들 수 있습니다. 현대 사용에서 거의 볼 수 없는 또 다른 접근 방식은 테스트 중인 회로에서 전류를 끌어들이지 않고 이 전압을 측정하기 위해 전위차 "널 밸런스" 전압 측정 설정을 사용하는 것입니다 . 기술자가 한 쌍의 pH 전극 사이의 전압 출력을 확인하려는 경우 표준 벤치탑 계량 장비만 사용하여 이를 수행하는 가장 실용적인 수단이 될 것입니다.
평소처럼, 정밀 전압 공급은 기술자가 널 검출기가 0을 등록할 때까지 조정한 다음, 공급과 병렬로 연결된 전압계를 보고 전압 판독값을 얻습니다. 검출기가 "널링"(정확히 0을 등록)되면 pH 전극 회로에 전류가 0이어야 하며, 따라서 두 전극의 저항에 전압이 떨어지지 않아 전압계 단자에서 실제 전극 전압이 발생합니다.
pH 전극의 배선 요구 사항은 열전대 배선보다 훨씬 더 엄격하여 정확하고 신뢰할 수 있는 측정을 위해 매우 깨끗한 연결과 짧은 와이어 거리(금도금 접점과 차폐 케이블이 있는 경우에도 10야드 이하)가 필요합니다. 그러나 열전대 와 마찬가지로 전극 pH 측정의 단점은 좋은 정확도와 비교적 간단한 기술적 장점으로 상쇄됩니다.
pH 측정이 명령하는 경외감과 신비로움을 불러일으키는 계측 기술은 거의 없습니다. pH 측정은 널리 오해받고 문제 해결이 어렵기 때문입니다. pH 측정의 정확한 화학에 대해 자세히 설명하지 않고도 pH 측정 시스템에 대한 몇 가지 지혜로운 말씀을 여기서 드릴 수 있습니다.
- 모든 pH 전극은 수명이 한정되어 있으며, 그 수명은 서비스의 유형과 심각도에 따라 크게 달라집니다. 어떤 응용 분야에서는 1개월의 pH 전극 수명이 긴 것으로 간주될 수 있고, 다른 응용 분야에서는 동일한 전극이 1년 이상 지속될 것으로 예상될 수 있습니다.
- 유리(측정) 전극은 pH에 비례하는 전압을 생성하는 역할을 하므로 측정 시스템이 pH의 주어진 변화에 대해 충분한 전압 변화(pH 단위당 약 59밀리볼트)를 생성하지 못하거나 시험 액체 pH의 빠른 변화에 충분히 신속하게 반응하지 못하는 경우 의심스러운 전극으로 간주됩니다.
- pH 측정 시스템이 "드리프트"되어 오프셋 오류가 발생하는 경우, 문제는 측정된 용액과 0전압 연결을 제공해야 하는 기준 전극에 있을 가능성이 높습니다.
- pH 측정은 이온 농도의 대수적 표현이기 때문에 겉보기에 간단한 0-14 pH 척도에 표현되는 프로세스 조건의 범위가 엄청나게 넓습니다. 또한 대수적 척도의 비선형적 특성으로 인해 상단에서 pH 1이 변하는 것(예: pH 12에서 13으로)은 하단에서 pH 1이 변하는 것(예: pH 2에서 3으로)과 동일한 양의 화학 활동 변화를 나타내지 않습니다. 제어 시스템 엔지니어와 기술자는 안정적인 값으로 프로세스 pH를 제어하려는 희망이 있다면 이러한 역학을 알고 있어야 합니다 .
- 다음 조건은 측정(유리) 전극에 위험합니다: 고온, 극한의 pH 수준(산성 또는 알칼리성), 액체의 높은 이온 농도, 마모, 액체의 불산(HF 산은 유리를 용해합니다!), 유리 표면에 코팅된 모든 종류의 물질.
- 측정된 액체의 온도 변화는 주어진 pH 수준(이상적으로 pH 단위당 59mV)에 대한 측정 전극의 반응과 액체의 실제 pH에 모두 영향을 미칩니다. 온도 측정 장치를 액체에 삽입하고 해당 장치의 신호를 사용하여 pH 측정에 대한 온도의 영향을 보상할 수 있지만, 이는 측정 전극의 mV/pH 반응만 보상할 뿐, 공정 액체의 실제 pH 변화는 보상하지 않습니다!
pH 측정 분야에서는 여전히 발전이 이루어지고 있으며, 그 중 일부는 pH 전극의 기존 한계를 극복하는 데 큰 희망을 줍니다. 그러한 기술 중 하나는 실제 전압계 회로로 전압을 측정하는 대신 전계 효과 트랜지스터 라는 장치를 사용하여 이온 투과성 막에서 생성된 전압을 정전기적으로 측정합니다. 이 기술은 자체적인 한계를 가지고 있지만 적어도 선구적인 개념이며 나중에 더 실용적일 수 있습니다.
검토:
- pH는 액체 내 수소 이온 활동을 나타낸 것입니다. 이는 액체 1리터당 수소 이온 수(몰)의 음의 로그입니다. 따라서 1리터의 액체에 10-11 몰의 수소 이온이 있으면 pH는 11입니다. 1리터의 액체에 10-5.3 몰의 수소 이온이 있으면 pH는 5.3입니다.
- 기본 pH 척도는 0(강산)에서 7(중성, 순수)까지, 14(강부식성)까지입니다. pH 수치가 0 미만이고 14 이상인 화학 용액은 가능하지만 드뭅니다.
- pH는 액체 용액에 담긴 두 개의 특수 전극 사이에서 생성되는 전압을 측정하여 측정할 수 있습니다.
- 특수 유리로 만들어진 한 전극은 측정 전극이라고 합니다. 이 전극의 역할은 pH에 비례하는 작은 전압을 생성하는 것입니다(이상적으로는 pH 단위당 59.16 mV).
- 다른 전극( 참조 전극이라고 함)은 측정된 액체와 안정적이고 중성인 pH 완충 용액(일반적으로 염화칼륨) 사이의 다공성 접합부를 사용하여 액체에 대한 제로 전압 전기 연결을 생성합니다. 이는 전체 회로에 대한 연속성 지점을 제공하여 측정 전극의 유리 두께에 걸쳐 생성된 전압을 외부 전압계로 측정할 수 있습니다.
- 측정 전극의 유리막은 저항이 매우 높기 때문에 전압을 측정하려면 내부 저항이 매우 높은 전압계나 널 밸런스 전압계를 사용해야 합니다.