THIẾT BỊ VÀ HÓA CHẤT MÔI TRƯỜNG NGÀNH NƯỚC VÀ NƯỚC THẢI

Ngày 25 tháng 02 năm 2013

Tìm hiểu về những khó khăn trong đo đạc điện thế oxy hóa khử (ORP)

Trích dịch từ bài viết của Dr. Derek Walker, Hach Company và Dr. Axel W. Bier, Hach-Lange, Application Specialist.


Lý thuyết
Điện thế oxy hóa khử (ORP hay Oxidation Reduction Potential) là đo khả năng của một hệ thống chất lỏng nhận hoặc cho điện tích (e-) từ các phản ứng hóa học. Khi một hệ thống có khuynh hướng nhận điện tích, hệ thống sẽ có đặc tính là oxy hóa. Khi chúng có khuynh hướng cho điện tích, hệ thống sẽ có đặc tính là khử. Điện thế oxy hóa khử của một hệ thống có thể thay đổi tùy theo sự hiện diện của các thành phần mới hoặc khi nồng độ của các thành phần đang có trong hệ thống thay đổi.

Các giá trị ORP được sử dụng nhiều như giá trị pH để xác định chất lượng nước. Giống như giá trị pH là dùng chỉ thị cho biết trạng thái tương đối của một hệ thống là cho hoặc nhận ion hydro, giá trị ORP cũng giúp xác định tình trạng tương đối của hệ thống là có tính thu nhận hay mất đi các điện tích. Giá trị ORP ảnh hưởng bởi tác nhân oxy hóa và khử nhưng không phải chỉ là các axit hay bazo như trong ảnh hưởng của phép đo pH.

Từ một quan điểm xử lý nước, việc đo đạc ORP thường được xử dụng để điều khiển sự khử trùng bằng clorin hoặc clorin dioxit trong tháp làm mát, nước hồ bơi, hệ thống cấp nước ăn uống và các ứng dụng phân tích nước. Ví dụ, các nghiên cứu cho thấy tuổi thọ của các sinh vật trong nước phụ thuộc mạnh mẽ vào giá trị ORP. Trong nước thải, giá trị ORP được sử dụng thường xuyên để kiểm soát các quá trình xử lý có sử dụng vi sinh để loại bỏ các chất ô nhiễm.


Sensor ORP (redox)
Hoạt động của sensor ORP tương tự với một sensor pH chuẩn. Đó là một hệ thống gồm hai điện cực đo điện thế sinh ra bởi các thành phần oxy hóa và khử trong chất lỏng. Điện cực ORP hoạt động như chất nhận điện tích hay chất cho điện tích, tùy thuộc vào dung dịch cần  thí nghiệm. Một điện cực tham chiếu cung cấp một điện thế không đổi để so sánh. Tiếp xúc điện tích được thực hiện nhờ một dung dịch bão hòa muối KCl bên trong. Bạch kim thường được sử dụng làm cảm biến chỉ thị và điện thế được đo lại so sánh với điện thế của điện cực tham chiếu, thường là Ag/AgCl. Các kim loại quý khác cũng có thể được sử dụng làm điện cực chỉ thị như vàng hay bạc.



Các vấn đề cần lưu ý trong phép đo ORP (redox) 
Mặc dù hệ thống tham chiếu và thiết kế điện cực tương tự như với điện cực đo pH truyền thống, nhưng phép đo ORP không giống như vậy. Trong khi điện cực pH nhạy với nồng độ ion hydro có trong dung dịch còn sensor ORP cho phản hồi dựa theo tổng các phản ứng oxy hóa khử xảy ra trong một mẫu; điện thế sinh ra là kết quả của tổng các ion và phân tử tham gia vào phản ứng oxy hóa khử. Sensor ORP không phải là điện cực chọn lọc ion nào đó hay chỉ nhạy với một thành phần hóa học. Ngoài ra, bản thân thiết kế và điều kiện của sensor có thể ảnh hưởng giá trị đo đạc hoặc sự phản hồi được cung cấp bởi điện cực. Các điều kiện sau đây có thể ảnh hưởng đến sự đo đạc (mV) từ điện cực:

Điện thế tham chiếu vs điện cực hydro chuẩn (SHE). Điện thế của điện cực tham chiếu so với SHE có thể khác nhau bởi các loại điện cực khác nhau. Thông thường sự khác biệt này có thể được xác định nếu biết được loại và nồng độ mol của chất điện ly tham chiếu và nhiệt độ đo đạc. Ví dụ, đầu đo Hach IntelliCALTM ORP với điện cực tham khảo 3M KCl-Ag/AgCl có điên thế 210 mV ở 25°C so với SHE. Các giá trị khác, xem bảng bên dưới. Khi so sánh giá trị từ các nhiệt độ khác nhau, sự khác biệt trong hệ thống tham chiếu và điện thế tham chiếu cần phải được xem xét.


Bề mặt cảm biến bạch kim. Hầu hết các điện cực được chọn để sử dụng trong phân tích nước là bạch kim. Điện thế oxy hóa khử nên được đo khi hoạt độ điện tích của một mẫu và bề mặt cảm biến đạt đến trạng thái cân bằng. Sự cân bằng này phụ thuộc lớn vào vật liệu và bề mặt của điện cực và ma trận mẫu. Do đó, bề mặt của bạch kim đóng một vai trò quan trọng trong sự phản hồi của điện cực. Một bề mặt thô nhám hoặc không bằng phẳng sẽ hấp phụ nhiều hơn oxy và hình thành lớp oxy hóa trên bề mặt bạch kim làm ảnh hưởng đến sự phản hồi của điện cực. Cảm biến bạch kim có trên các điện cực IntelliCAL của Hach được đánh bóng nhẵn để loại trừ sự biến đổi này. Ngay cả với cảm biến mới, rất khó để xác định tính tinh khiết và tình trạng của bề mặt bạch kim trên các loại điện cực khác nhau và giữa các nhà sản xuất khác nhau. Điều này có thể góp thêm vào sự biến thiên trong sự phản hồi của điện cực. Hach khuyến khích thực hiện vệ sinh và bảo dưỡng cho sensor ORP thường xuyên để giảm thiểu những khác biệt này.

Trạng thái oxy hóa hay sự thụ động hóa của cảm biến bạch kim. Như trao đổi ở trên, hiện tượng hình thành lớp oxi đơn phân tử trên bề mặt cảm biến rất thường xảy ra, nhất là khi đo thường xuyên các dung dịch oxy hóa. Sự oxy hóa ở bề mặt này cùng với tuổi thọ của điện cực sẽ ảnh hưởng đến sự phản hồi của điện cực đo. Việc bảo dưỡng điện cực đúng cách là quan trọng để giảm thiểu các ảnh huởng này và cần kiểm tra thường xuyên hiệu suất hoạt động của điện cực bằng dung dịch chuẩn đã biết điện thế mV. Trong mục xử lý sự cố của tài liệu hướng dẫn sử dụng điện cực IntelliCAL ORP có cung cấp các thông tin hướng dẫn các bước thực hiện bảo dưỡng đúng cách để tăng cường độ phản hồi của điện cực và loại trừ sự biến thiên gây ra do sự oxy hóa với vật liệu của sensor.

Chất gây nhiễu trong ma trận mẫu. Các phương pháp xét nghiệm chuẩn nước và nước thải (SM 2580B., 2005) ghi chú rằng các chất gây nhiễu có thể làm nhiễm bẩn bề mặt điện cực, cầu muối hay chất điện ly bên trong và có thể làm trôi giá trị đọc, phản hồi kém và đọc điện thế không đúng. Chất gây nhiễu có thể đến từ các chất hữu cơ, các sulphua và bromua và làm giảm tuổi thọ của điện cực. Việc vệ sinh đúng cách, châm mới chất điện ly định kì và thực hiện bảo dưỡng điện cực theo khuyến cáo của nhà sản xuất sẽ giúp giảm tối đa các nguy cơ làm nhiễm bẩn điện cực.

Vì một trong các điều kiện đề cập ở trên, cho nên các điện cực đo ORP có vẻ như không cho được kết quả đo đạc giống nhau trong các mẫu tương tự nhau. Các yếu tố ở trên có thể ảnh hưởng đến độ phản hồi của điện cực và điện thế đo được (mV) của sensor. Sự khác biệt có thể thấy được khi đo đạc trong phòng thí nghiệm hay lấy mẫu trong nhà máy chỉ vài mV hoặc trên 50mV. Loại mẫu và ứng dụng xử lý nước cũng có thể ảnh hưởng đến độ biến thiên của điện cực và thời gian phản hồi.
Để đánh giá và đảm bảo hiệu suất hoạt động của điện cực, dung dịch chuẩn ORP được sử dụng là dung dịch ZoBell hoặc Light để kiểm tra độ chính xác giá trị đọc.

Tóm lại
Phép đo ORP là một phép đo phức tạp và không thể so sánh với phép đo pH. Trạng thái oxy hóa và hóa học bề mặt trên cảm biến bạch kim có ảnh hưởng đáng kể đến độ phản hồi trong toàn bộ tuổi thọ của các điện cực ORP. Những yếu tố này cũng có thể làm cho phép đo khó khăn khi so sánh giá trị đo từ những loại điện cực khác nhau hay nhà sản xuất khác nhau. Vì lý do này, điều quan trọng là phải hiểu những ảnh hưởng lên phép đo và cách bảo dưỡng đúng cách và quy trình xử lý sự cố cũng như kiểm tra định kì độ phản hồi của điện cực bằng dung dịch chuẩn ORP.

Không có nhận xét nào: