電子式工業(yè)酸度計(jì)及配套系統(tǒng)適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

電子式工業(yè)酸度計(jì)及配套系統(tǒng)適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析
【摘要】本文介紹了電子式工業(yè)酸度計(jì)工作原理及其在室內(nèi)和現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)的方法。以金屬電極和玻璃電極為例，采用不同的清洗方 式，得出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)詳細(xì)分析了影響pH監(jiān)測的主要因素，提出合理的在不同環(huán)境條件下酸度計(jì)及其配套系統(tǒng)的使用方案。相序表| 萬用表| 功率計(jì)| 示波器| 電阻測試儀| 電阻計(jì)| 電表| 鉗表| 高斯計(jì)| 電磁場測試儀| 電源供應(yīng)器| 電能質(zhì)量分析儀| 多功能測試儀| 電容表| 電力分析儀| 諧波分析儀| 發(fā)生器| 多用表| 驗(yàn)電筆|

1 概述 pH值作為一個(gè)重要的控制參數(shù)，在油田污水處理過程 中，直接影響水質(zhì)的達(dá)標(biāo)程度。針對pH值測量過程中暴露 出來的問題，通過室內(nèi)和現(xiàn)場的對比實(shí)驗(yàn)，對酸度計(jì)及其配 套系統(tǒng)在電極的型號(hào)、清洗方式、安裝形式，水質(zhì)等主要環(huán) 節(jié)進(jìn)行了分析，最后我們提出了最優(yōu)的組合來滿足油田污水 處理測控系統(tǒng)的要求。我們在大量調(diào)研和以前已經(jīng)使用過的 系統(tǒng)的基礎(chǔ)匕決定選用的電極是玻璃電極和金屬電極。由于 玻璃電極價(jià)格低，測量精度高，所以選用玻璃電極作為測量 電極。金屬銻電極具有使用壽命長，免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，且能適 用于溫度較高(如<55℃)的復(fù)雜環(huán)境，但測試精度較低， 測試范圍窄，主要研究考慮采用何種清洗方式能解決電極容 易結(jié)垢以及被油污染等問題。而且還沒有發(fā)現(xiàn)在油田污水類 似環(huán)境中應(yīng)用的報(bào)道。因此，我們研究的主要目的是：金屬 電極能否消除結(jié)垢、油污染等影響測試的不利因素。

2 實(shí)驗(yàn)方案及測試原理
2．1 priG-242工業(yè)酸度計(jì) prig·242工業(yè)酸度計(jì)(自研)與相應(yīng)的酸度發(fā)送器配 套，用于連續(xù)測量工業(yè)流程中水溶液的酸度(pH值)。 prig電子工業(yè)酸度計(jì)是基于化學(xué)分析中的電化學(xué)分析原理 完成對溶液pH值的測量， 由pH玻璃電極(pH傳感器) 和參比電極組成的化學(xué)原電池，其電位E與溶液中的pH值 符合能斯特公式。
2．2 電極選型及測量原理
2．2．1 銻電極 銻電極是一種氧化還原電極，可以通過測量銻·三氧化 二銻之間的電位差來測量溶液的PH值，要能連續(xù)地測量溶 液的pH值，應(yīng)隨時(shí)對與被測溶液接觸的銻電極表面進(jìn)行清 洗，清洗污垢和氧化物，以保持銻電極的新鮮表面，滿足純 銻表面與被測溶液接觸，從而再形成一層新Sb203的薄 32 EIC V0I．10 2003 N0．3 面，如此周而復(fù)始，以保證溶液pH的測量精度及可靠性。
2．2．2 玻璃電極 pH玻璃電極主要由以下幾部分組成：pH敏感膜，內(nèi) 參比電極系統(tǒng)，電極支桿，電極帽，電極引線。內(nèi)參比電極 系統(tǒng)包括Ag-AgC1電極和內(nèi)參比溶液，它的作用就是把膜 電位引出與甘汞電極形成電動(dòng)勢，以此來測量溶液的pH 值。
2．3 電極渭洗l力式 在線pH測量經(jīng)常遇到電極污染和電極表面結(jié)垢的問 題。在油田污水處理過程中，污水中含有大量的鈣鹽、原 油、懸浮固體顆粒、膠狀物、化學(xué)試劑等，經(jīng)常因電極被污 染或結(jié)垢使PH計(jì)的靈敏度和測量精度降低，甚至失效，而 造成整個(gè)控制系統(tǒng)失靈，嚴(yán)重地影響了水質(zhì)的達(dá)標(biāo)。為了減 少維護(hù)工作量，使在線測量正常進(jìn)行，除了合理地選擇取樣 點(diǎn)位置和過濾裝置外，還必須選擇合適的清洗方法。實(shí)驗(yàn)選 用的清洗方式有：超聲清洗、機(jī)械刮板清洗、葉輪清洗以及 溶液噴射清洗等。

3 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)
3．1 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)方案 (1)實(shí)驗(yàn)溶液 實(shí)驗(yàn)時(shí)分別選用以下幾種溶液：① pH=6．86標(biāo)準(zhǔn)緩沖 溶液； ② pH=9．18標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液； ⑧ 含不同濃度Ca 離子的10％ 的NaCI溶液： ④ 含不同濃度S 的10％NaC1 溶液；⑤ 中原油田采油二廠濮二聯(lián)合站含油污水。 (2)實(shí)驗(yàn)溫度 根據(jù)現(xiàn)場使用特點(diǎn)， 實(shí)驗(yàn)溫度范圍選擇從室溫到7O ℃，油田污水是從聯(lián)合站三相分離器出來的，—般水溫都在 室溫以上，所以沒有在低溫方面予以太多的考慮。若檢測對 象是低溫，則對傳感器更有利，主要是高溫對酸度計(jì)使用影 響很大。(3)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?觀察金屬電極和玻璃電極的測試精度對溫度的適應(yīng)能力 以及含油量、濃度S 、Ca2+等對測試精度的影響程度。
3．2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 筆者在文獻(xiàn)【2】中詳細(xì)描述了用恒溫水浴鍋控制在不同 溫度下對玻璃電極和金屬電極進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和結(jié)果分析，結(jié)果 表明，玻璃電極比金屬電極測試精度要高，在50℃以下， 玻璃電陂測試誤差在0．1PH以下，隨著溫度升高，誤差逐漸 增大，當(dāng)介質(zhì)溫度超過50℃后測試數(shù)據(jù)有明顯的跳動(dòng)現(xiàn) 象，而且浸泡時(shí)間加長后，由于玻璃電極內(nèi)溶液有漏失，導(dǎo) 表1不同含； 致放大系數(shù)變化，由此引起測量誤差。此外，玻璃電極在高 溫環(huán)境中壽命很短，金屬電極雖測試精度稍低(50℃以下 絕對誤差約0．2pH，60℃以下誤差0．3pH)，在環(huán)境溫度較高 情況下，盡管金屬電極稍有信號(hào)跳動(dòng)現(xiàn)象，但仍可以正常工 作，在介質(zhì)溫度超過70℃后，誤差較大，達(dá)0．52rIH。 3．2．1 含油量對測量結(jié)果的影響 為了實(shí)驗(yàn)含油量對測試結(jié)果的影響，用恒溫水浴鍋將pH =9．18標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液控制在50±2℃，加入不同原油后，分 析原油含量后用玻璃電極和金屬電極，測試pH值，結(jié)果見 表1。 NO 含油量mg／L PH0 誤差 相對誤差 PH1 誤差 相對誤差 PH2 誤差 相對誤差 1 0 9．20 0．02 0．22％ 9．14 0．04 0．44％ 6_85 0．01 0．11％ 2 19 9．23 0．05 0．54％ 9．21 0．03 0-33％ 6．92 0．06 0．65％ 3 42 9．19 0．01 0．11％ 9．10 0．09 0．98％ 6．87 0．01 0．11％ 4 130 9．09 0．09 0．98％ 9．28 0．10 1．O9％ 6．99 0．13 1．42％ 5 26o 9．47 0．29 3．16％ 9．23 0．15 1．63％ 7．18 0．32 3．49％ 6 590 9．65 0．47 5．12％ 9-35 0．27 2．94％ 7．23 0-37 4．03％ 說明：溫度為50±2℃ ，介質(zhì)： 9．18pH緩沖溶液，pH0是用上海某廠生產(chǎn)的分析用酸度計(jì)；pH1是帶葉輪清洗裝置的玻璃電極測試 的PH值；pH2是帶電刮片清洗裝置的金屬電極測試的pH值。 從表1中可以看出，高含油對測量結(jié)果是有一定影響 的，尤其是對電極探頭的污染。如果不加裝清洗裝置當(dāng)含油 超過13omg／1后，測量誤差明顯增大，如果能保證清洗裝置 的正常運(yùn)行，含油的高低對pH測量結(jié)果沒有明顯的影響。
3．2．2 Ca2 離 理論上Ca2+、 s2-~-t對電極是有影響的，因此，我們 按照油田污水中這兩種離子的含量范圍，在pH值為9．05pH 的10％NaCI溶液和二廠濮二聯(lián)含油污水加入不同濃度的 ca s ，分別用分析酸度計(jì)，葉輪式玻璃電極和金屬電極 測量pH值，結(jié)果見表2和表3。 表2 Ca C 啥量Mg／l 0 500 10()o 1500 2O0o 2500 30()o PH0 9．05 9．09 9．0r7 9．06 9．0r7 9．10 9．12 PH1 9．0r7 9．04 9．06 9．0r7 9．08 9．O6 9．01 PH2 9．12 9．17 9．09 9．21 9．17 9．09 9．14 說明：測試溫度：室溫(約14℃) PH0、PH1、PH2意義相 同，介質(zhì)1o％NaCl。 表3 S 。 s2-~-t (mgf 0 10 20 30 40 50 100 PH0 9．06 9．08 9．12 9．11 9．17 9．29 9．45 PH1 9．08 9．12 9．14 9．17 9-32 9．41 9．56 PH2 9．13 9．12 9．14 9．09 9．15 9．42 9．67 說明：測試溫度：室溫(約14℃) PH0、PH1、PH2意義相 同，介質(zhì)為二廠來水。 從表2和表3可以看出，在Ca2+濃度小于3000mg／1溶 歡迎訂閱歡迎撰稿歡迎發(fā)布產(chǎn)品廣告信息 液中，Ca2+濃度對測量結(jié)果影響不明顯，而S鋪?zhàn)拥挠绊?是明顯的。當(dāng)含量超過5omgn時(shí)測量誤差明顯增大。尤其 是測量時(shí)間比較長時(shí)，電極表面發(fā)黑。主要是加秉 中 的二價(jià)陽離子反應(yīng)， 堵塞電極孔道，造成電極中毒，變 黑，不能繼續(xù)使用。 由于離子的影響是一個(gè)滯后和積累的過程，即隨著時(shí)間 的延長，影響將越來越大，因此，Ca 時(shí)玻璃電極還有待 深入研究。s_鏞子的影響是明顯的，隨著時(shí)間的延長，影 響越來越大，電極壽命將會(huì)縮短。

4 現(xiàn)場實(shí)驗(yàn) 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，研制的玻璃電極和金屬電陂以及各 自配套的輔助裝置都能達(dá)到比較理想的結(jié)果。為了進(jìn)—步考 察在現(xiàn)場實(shí)際情況下的性能，我們分別在中原油田二廠濮二 聯(lián)和六廠馬廠聯(lián)安裝實(shí)驗(yàn)用酸度計(jì)及配套裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這 兩個(gè)站分別代表加藥點(diǎn)在收油前和收油后兩種形式，現(xiàn)場實(shí) 驗(yàn)綜合評(píng)價(jià)水溫、水中離子含量等多種因素對電極的影響。
4．1 現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)方案 (1)中原油田濮二聯(lián)合站／污水站 在混合罐出口同時(shí)安裝了復(fù)合電極(反沖洗)，玻璃電 極(葉輪清洗)和金屬電極(電機(jī)刮片清洗)三套pH監(jiān)測 裝置，以此來比較電極及清洗裝置的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 (2)中原油田馬廠聯(lián)合站／污水站 在原pill監(jiān)測點(diǎn)安裝了兩套pH值監(jiān)測裝置(都使用 玻璃電極)，分別采用超聲波和葉輪清洗裝置做對比實(shí)驗(yàn)，以此來觀察同種條件下兩種清洗方式的優(yōu)劣。 l5天后，觀察電極表面：帶葉輪清洗裝置的玻璃電極 表面光亮無油垢；帶超聲清洗的玻璃電極表面開始有一層薄 薄的垢。6o天后，觀察電極表面：帶葉輪清洗裝置的玻璃 電極表面光亮無明顯垢；帶超聲清洗的玻璃電極表面有一層 厚垢。5個(gè)月后，觀察電極表面：帶葉輪清洗裝置的玻璃電 極表面形成一層明顯可見的垢，帶超聲清洗的玻璃電極已停 止監(jiān)測。
4．2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析 經(jīng)過半年的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，取得了大量的數(shù)據(jù)(因數(shù)據(jù)量 大，此文未列)，分別在濮二聯(lián)用4種不同酸度計(jì)(標(biāo)準(zhǔn)分 析用酸度計(jì)和玻璃電極、金屬電極和復(fù)合電極酸度計(jì))電極 所測的pH值數(shù)據(jù)，和在馬廠聯(lián)用3個(gè)酸度計(jì)(標(biāo)準(zhǔn)分析用 酸度計(jì)和兩套分別帶超聲清洗和葉輪清洗工業(yè)酸度計(jì))所測 得的數(shù)據(jù)。 濮二聯(lián)現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)結(jié)果同室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合，玻璃電 極和復(fù)合電極測試精度比金屬電極高，最大誤差分別為 0．15pH和0A0pH，最大相對誤差為1．63％ 和1．09％；金屬電 極最大測量誤差為0．22pH，最大相對誤差為2．40％ 。因?yàn)殄?二聯(lián)來水溫度高(55℃～6o℃)，所以玻璃電極和復(fù)合電 極壽命較短。復(fù)合電極安裝使用約一個(gè)月后就出現(xiàn)了問題， 而帶葉輪清洗裝置的玻璃電極壽命稍長些，為66天，而金 屬電極在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，除有一次是因?yàn)殡姍C(jī)刮片屬人為 儀器儀表用戶 損壞外，其余時(shí)間工作都比較正常。濮二聯(lián)現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)說明， 在高溫環(huán)境中復(fù)合電極是最嬌氣的，其次是玻璃電極，最好 的是金屬電極。雖然復(fù)合電極也是玻璃電極，但是，由于清 洗方式不同，導(dǎo)致二者壽命有所不同。 馬廠聯(lián)現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)表明，安裝初期，超聲波清洗方式效果 很好，甚至好于葉輪清洗方式，如實(shí)驗(yàn)第—個(gè)月內(nèi)，用超聲 清洗方式的最大誤差為0．14pH，最大相對誤差為2％；用葉輪 清洗方式的最大誤差為0．19pH，最大相對誤差為3％；隨著時(shí) 間延長。超聲清洗效果下降，到第三個(gè)月就失去清洗效果， 電極表面有一層灰白色的結(jié)垢，測量誤差增大，最大誤差達(dá) 到1．02pH，相對誤差為14．4％；此時(shí)玻璃電極靈敏度明顯下 降，即使介質(zhì)pH有所變化，所測的數(shù)據(jù)也變化不大， (電 極經(jīng)過清洗后仍能繼續(xù)使用)；帶葉輪清洗裝置的玻璃電極 實(shí)驗(yàn)到第5個(gè)月后表面開始結(jié)垢，最大誤差達(dá)到O．48pH，最 大相對誤差為6％，且反應(yīng)較慢。 5 結(jié)論 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)說明了一種電極的測量精度和穩(wěn)定 性。但是評(píng)價(jià)一種電極的好壞，要考慮的因素很多，如精 度、可靠性、穩(wěn)定性、壽命長短、價(jià)格以及維護(hù)是否方便 等。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對各種電極以及清洗方式的綜合評(píng)價(jià)見 表4和表5。 表4各種電極實(shí)驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)表 電極類型 適合溫度℃ 平均誤差 均差 平均偏差 平均壽命 電極成本(元／天) 穩(wěn)定性 維護(hù) 玻璃電極 5—55 0．0l 0．0o64 0．058 120天 0．50 好 簡單 復(fù)合電極 5．55 0．0l 0．0o97 0．075 120天 1．50 好 較簡單 金屬電極 一75 0．10 0．0l00 0．076 360天 0．70 較好 免維護(hù) 表5各種清洗方式實(shí)驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià) 清洗方式 適用范圍 安裝結(jié)構(gòu) 日常維護(hù) 綜合成本 平均壽命 對測量的影響 備 注 葉輪清洗 玻璃電極，復(fù)合電極 結(jié)構(gòu)簡單易拆卸 簡單 低 1笠 無影響 葉片一年更換 超聲清洗 所有電極 安裝復(fù)雜 免維護(hù) 較高 5笠 影響不大 高壓噴流 玻璃電極，復(fù)合電極 復(fù)雜 較復(fù)雜 高 0．5年 清洗時(shí)測量中斷 電磁閥易損壞 電刮板 金屬電極 較復(fù)雜 免維護(hù) 較高 5笠 無影響 刮板8個(gè)月更換 根據(jù)分析，得出以下結(jié)論：玻璃電極適用于溫度較低的 于溫度較低的環(huán)境中；電機(jī)刮片清洗(金屬電極)能適用于 環(huán)境，精度高，價(jià)格低，使用壽命在低溫下((50℃)約 高含油和結(jié)垢環(huán)境下污水的pH值監(jiān)測；葉輪清洗裝置比較 O．5年，高溫下(5O～6o℃)壽命約l～2個(gè)月：復(fù)合電 適合中原油田實(shí)際情況，能夠阻止玻璃電極上垢的形成。在 極測試精度高，但價(jià)格高，使用壽命同玻璃電極，也只適用 幾種清洗方式中表現(xiàn)出較高的優(yōu)勢。