Wyznaczanie własności

fizykochemicznych

cieczy newtonowskich

Pomiary pH

Stężenie jonów wodorowych lub wodorotlenowych roztworu jest istotnym
parametrem jakościowym i ilościowym informującym o przebiegu wielu
procesów technologicznych. W celu określenia stężenia jonów wodorowych
stosuje się wskaźnik pH







H

C

pH

log

gdzie: C

H+

- stężenie jonów wodorowych [mol/l]

Schemat skali pH

W pomiarach pH wykorzystuje się zależność potencjału elektrody
pomiarowej od pH badanego roztworu.
Zależność ta określona jest wzorem

0

0

0

log

log

1

ln

E

pH

E

E

C

e

nF

RT

E

C

nF

RT

E

x

N

x

H

x

H















gdzie:

E – potencjał elektrody pomiarowej zanurzonej w

roztworze

R – stała gazowa
F – stała Faradaya
n – wartościowość jonów
C

H+

- wartość stężenia jonów wodorowych [mol/l] w

badanym

roztworze

E

0

– potencjał normalny elektrody

Schemat ogniwa pomiarowego do wyznaczania pH, gdzie: 1 – elektroda
pomiarowa,
2 – elektroda odniesienia, 3 – klucz elektrolityczny, 4 – roztwór
badany

Potencjał elektrody pomiarowej

)

(

3

1

4

3

2

1

e

x

N

x

pH

pH

E

E

E

E

E

E

E

E

















Różnica potencjałów między elektrodą pomiarową i odniesienia

)

(

3

1

e

x

N

k

x

k

pH

pH

E

E

E

E

E

E

E















Budowa elektrod do wyznaczania pH

a) szklanej, b) kalomelowej

Elektroda szklana:
1 – membrana szklana
2 – roztwór wewnętrzny
3 – rurka
4 – elektroda wyprowadzająca

Elektroda kalomelowa:
1 – drut platynowy
2 – rtęć
3 – pasta kalomelowa
4 – roztwór KCL
5 – klucz elektrolityczny

Schemat zastępczy ogniwa pomiarowego:

E

1

– potencjał elektrody wyprowadzającej, E

2

– potencjał między

roztworem wewnętrznym elektrody szklanej a membraną, E

3

–

potencjał asymetrii membrany szklanej, E

4

– potencjał między

membraną a badanym roztworem, E

5

– potencjał elektrody

odniesienia, E

6

– potencjał klucza elektrolitycznego, R

p

– rezystancja

elektrody pomiarowej, R

0

– rezystancja elektrody porównawczej, R

kl

–

rezystancja klucza elektrolitycznego

Charakterystyka
ogniwa pomiarowego:
t

1

< t

2

< t

3

Zależność wartości pH od temperatury
dla kilku roztworów wzorcowych:
1 – 1,68 pH; 2 – 4,6 pH; 3 – 9,22 pH;
4 – 12,63 pH

Przykład błędu alkalicznego
(wynika-jącego z obecności jonów
Na, Li, K, Ca) dla elektrody ze
szkła sodowego dla 25

o

C (l.ciągła)

i 50

o

C (l.przerywana)

Przyrząd ten powinien spełniać następujące wymagania:
- rozdzielczość 1-10mV (w zależności od przeznaczenia pH-metru
, przy

zakresie 0 - 1400 mV)

- wysoka rezystancja wejściowa – R

we

> 10

11

 (z uwagi na dużą

rezystancję elektrody szklanej)

- regulowana czułość (do kompensacji zmian czułości elektrody
pomiar.)
- zmiana punktu zerowego (umożliwia współpracę pH-metru z
różnymi
zestawami elektrod i pozwala na kompensację potencjału
asymetrii)
- kompensacja wpływu temperatury na parametry ogniwa
pomiarowego
- odporność na zakłócenia zewnętrzne

Różnica potencjałów mierzona jest pH-metrem czyli
miliwoltomierzem
wyskalowanym w jednostkach pH.

Uproszczony schemat
strukturalny pH-metru

Uziemienie dopływu i odpływu
dla ochrony elektrod przed
wpływem prądów błądzących

Zespół elektrod przemysłowych
do pomiaru pH: a) do
wbudowania,
b) do zanurzania

Pomiary gęstości płynów

Gęstość



jest to stosunek masy

m

do
objętości

V

ciała jednorodnego (lub

niejednorodnego np. ziarnistego)

V

m





Gęstość masy można również
wyrazić siłą
ciążenia G określając (przy
założeniu
normalnego przyspieszenia
ziemskiego)
ciężar właściwy



jako

V

G





Do pomiaru gęstości cieczy stosuje się najczęściej pośredni
pomiar ciężaru właściwego poprzez:

a) pomiar ciśnienia hydrostatycznego słupa cieczy
b) pomiar siły wyporu ciała zanurzonego w cieczy
c) ważenie odmierzonej objętości cieczy

Metody polegające na pomiarze ciężaru właściwego często
realizuje się jako porównawcze co pozwala na wyeliminowanie
wpływu temperatury.

Bezpośrednią wartość gęstości można też wyznaczyć np. poprzez

- pomiar pochłaniania promieniowania izotopowego
- pomiar częstości drgań

Przykłady metod pomiaru gęstości cieczy

a) pomiar pneumatyczny bezpośredni, b) pomiar
pneumatyczny porównawczy, c) pomiar hydrauliczny
porównawczy

Pomiar gęstości poprzez wyznaczanie ciśnienia hydrostatycznego

Pomiar gęstości poprzez pomiar siły wyporu
ciała zanurzonego w cieczy

a) pływak obciążony łańcuchem, b) układ pneumatyczny z
równowagą sił,
c) waga różnicowa,

1 – uzwojenie zasilające przetwornik indukcyjnościowy transformatorowy,

2 – uzwojenie wtórne, 3 - dyszka

Pomiar gęstości przez ważenie

a) ważenie cieczy zawartej w U-rurce z zastosowaniem równoważenia
pneumatycznego, b) ważenie różnicowe,

1 – U-rurka z przepływającą cieczą badaną, 2 – giętkie połączenie,
3 – pneumatyczny układ równoważenia sił, 4 – naczynie z cieczą badaną,
5 – naczynie z cieczą porównawczą, 6 – układ dźwigniowy do równoważenia sił

k

f

f









1

1

0

f

0

- częstotliwość

drgań
cylindra dla
gęstości
odniesienia

k

- stała

Metoda bezpośrednia wyznaczania gęstości poprzez pomiar
częstotliwości drgań cienkościennego cylindra stalowego
zanurzonego w cieczy
1 – generator, 2 – cewka pobudzająca do drgań, 3 – cewka
sterująca,
4 – wzmacniacz i układ kształtujący, 5 – układ liczący

Pomiar gęstości gazu
(pod wysokim
ciśnieniem)
gęstościomierzem z
drgającymi widełkami:
1 – generator,
2 – obudowa (rurociąg),
3 – cewki wzbudzające,
4 – cewki
sterujące

Zależność częstotliwości drgań widełek od gęstości

a) względna zmiana częstotliwości, b) zmiana bezwzględna,

c) różnica częstotliwości porównawczej i widełek

Częstotliwość widełek

f



modulowana częstotliwością porównawczą

f

p

daje w wyniku





f

f

f

f

f

f

p

p









2

1

Gęstościomierz z

porównawczym pomiarem

częstotliwości

1 – modulator, 2 – generator
częstotliwości wzorcowej, 3 – filtr
dolnoprzepustowy, 4 – miernik
częstotliwości

f

1

należy odfiltrować i dobrać

f

p

=

f

 min

wówczas

f

2

zależy

liniowo od



Musi być przy tym spełniony warunek

max

min

min

max











f

f

f

f

p

p

min

max

min

min

min

max















f

f

f

p

czyli

a więc dla dowolnej wartości



w granicach



min

...



max



















c

f

f

f

min

max

min

max

2

gdzie c = const

Pomiary lepkości płynów

Lepkość jest przyczyną tarcia wewnętrznego płynów.
Lepkość



dla płynów niutonowskich spełnia zależność

dx

dw







gdzie:



- styczne naprężenie ścinające, działające między dwoma

płaszczyznami równoległymi do kierunku ruchu
dw

/

dx - gradient prędkości w kierunku

x

prostopadłym do

płaszczyzn

Płyny niutonowskie to ciecze i gazy jednorodne o niewielkich
cząsteczkach. Lepkość takich płynów nie zależy od gradientu
prędkości

Charakterystyka cieczy
niutonowskich i nie-
niutonowskich:
1

-

ciecz niutonowska, 2

-

guma do

żucia,
3

-

ter, 4

-

majonez, 5

-

papka

papiernicza,
6 - krochmal

Do pomiaru lepkości



wiskozymetrem kapilarnym wykorzystuje się

zjawisko spadku ciśnienia

p

płynu przy przepływie laminarnym

przez mały przekrój okrągły

o

średnicy

r

na

długości

L

przy

objętościowym

natężeniu przepływu



.

4

2

1

8

r

L

p

p











Spadki ciśnienia w
kapilarze

Laboratoryjny wiskozymetr
kapilarny
1,2 – zbiorniczki, 3,4 - znaczniki

Wiskozymetry przemysłowe

Schematy przemysłowych wiskozymetrów kapilarnych: a) z

popmą, b) z regulatorem; 1 – pompa, 2 – kapilara, 3 –

przetwornik różnicy ciśnień, 4 – reulator v = const

Schematy wiskozymetrów z wirującym cylindrem;

1 – silnik synchroniczny, 2 – przekładnia, 3 – przetwornik do pomiaru

momentu, 4 – sprzęgło magnetyczne, 5 – cylinder wirujący, 6 -

termostat

Schemat działania
wiskozymetru wibracyjnego;
1 – wibrujący języczek,
2 – wibrator
magnetostrykcyjny,
3 – cewka wyjściowa,
4,5 – sygnały,
D – dyskryminator amplitudy

Pomiar mętności cieczy

W wodzie i ściekach występują różne nierozpuszczalne substancje
o cząstkach różnej wielkości. Ciecz z cząstkami 1-100nm nazywa
się układem koloidalnym, a dla cząstek powyżej 100nm –
zawiesiną. Obecność cząstek nierozpuszczalnych objawia się w
postaci zmniejszenia przezroczystości (mętnością) cieczy.

Metoda nefelometryczna pomiaru
mętności

Schemat konstrukcyjny
mętnościomierza

Wyznaczanie potencjału redoks

Stopień utlenienia pierwiastka zmienia się podczas reakcji
utleniania i redukcji (w ramach których następuje przeniesienie
elektronów).
Jeżeli cząsteczka (lub atom) oddaje elektrony, to znaczy, że
ulega UTLENIANIU i że sama jest reduktorem. Jeżeli zaś
przyjmuje elektrony, to ulega REDUKCJI i jest utleniaczem.
Reakcje te są ze sobą sprzężone (elektron przyjęty musi być
przedtem uwolniony) i stąd wynika nazwa „red-ox” (reduction-
oxidation).
 
Miarą zdolności utleniających lub redukujących jest układu
jonów jest zawartych w roztworze jest jego potencjał redoks.
 
Wg definicji potencjał redoks danego układu jest
potencjałem jaki wykazuje elektroda z metalu
szlachetnego (np. z platyny) zanurzona w roztworze
zawierającym ten układ w odniesieniu do elektrody
wodorowej.

Schemat laboratoryjnego zestawu

pomiarowego

do wyznaczania potencjału redoks

Sekwencja procesów redoks w układach mikrobiologicznych

Przykład przebiegu zmian potencjału redoks, stężenia
utleniacza (TR) i fosforu w procesie oczyszczania ścieków.