pH

Overflatevann og kyst

De fleste organismer er følsomme for endringer i pH og har begrensede områder de kan leve i, så overvåking av pH er en viktig indikator på den generelle helsen til en vannforekomst. Løseligheten til de fleste kjemikalier er pH-avhengig og bestemmer tilgjengeligheten av disse kjemikaliene for levende organismer.

pH kan også indikere tilstedeværelse av forurensning. Å spore endringer i pH kan bidra til å identifisere kjemikalier som kommer inn i vannforekomster gjennom landbruksavrenning, behandlet avløpsvann, gruveavrenning eller industrielt avløp. Lav pH kan også peke på sur nedbør; surt overflatevann kan gi grunnlag for overvåking av luftforurensning, eller testing av jorda for å finne ut om regn har ført kjemikalier inn i nærliggende vannforekomster etter å ha passert forurensede landmasser.

pH er relevant for studier og påvisning av skadelig algeoppblomstring. Ferskvann kan være lett surt (med en pH så lav som 6) avhengig av konsentrasjonen av oppløst karbondioksid (CO₂). Karbondioksidet kombineres med vann for å danne en liten mengde karbonsyre (H₂CO₃), og denne prosessen senker pH. Omvendt kan forbruk av overflødig CO₂ øke pH i vannet. Ettersom oppblomstringen vokser, forbruker alger mer og mer CO₂. Derfor kan en rask økning i pH indikere dannelsen av skadelig algeoppblomstring.

pH er viktig å vurdere i forbindelse med ammoniakk og ammonium – for vurdering av miljøhelse og også for kommersiell akvakultur. pH-verdier under 5 i naturlige vannforekomster er generelt for sure for de fleste vannlevende organismer. Ferskvannsfisk lever best i pH-området 6 til 9. pH påvirker ammoniakk/ammonium-likevekten i vann. Ved en pH på 6,5 er nesten all ammoniakk i form av ammonium, men når pH blir mer basisk blir ammonium til skadelig ammoniakk. Fisk kan tåle en moderat mengde ammonium, men selv en liten mengde ammoniakk er skadelig for helsen. Den dødelige dosen av ammoniakk for ørret er for eksempel bare 0,2 mg/L. Det er viktig at utendørs akvakulturvirksomhet – enten de er etablert i dammer, innsjøer, havner eller kystnære miljøer – overvåker pH nøye for å sikre at små endringer i ammoniakk ikke utsletter dyrene.

pH er også viktig å overvåke i vannforekomster i rekreasjonsområder med hensyn til folkehelsen. Mens mennesker kan tolerere et bredere spekter av pH-nivåer sammenlignet med mange andre organismer, kan pH utenfor området 4-11 forårsake hud- og øyeirritasjon.

På global skala viser pH i kystfarvann tegn på økende havforsuring. pH-verdien i hav over hele verden har holdt seg relativt stabil i årtusener, men siden den industrielle revolusjonen har sjøvann blitt surere ettersom det absorberer karbondioksid fra atmosfæren. NOAA anslår en nåværende gjennomsnittlig hav-pH på 8,1 - en 30 prosent økning i surhet de siste 200 årene. Forskere spår et fall til 7,8 i løpet av de neste 100 årene hvis dagens karbonutslipp fortsetter. Mens mange organismer kan tolerere en pH så lav som 6, bremser og forhindrer surt vann dannelsen av CaCO₃. Havets surhet vil by på problemer for kalsiumkarbonatdannende organismer som koraller og bløtdyr - og mulig andre organismer også hvis forsuringen fortsetter med dagens hastighet. En slik endring vil føre til en innvirkning på vannlevende organismer uten sidestykke. Det er viktig å fortsette å overvåke havets surhet for å forstå hvordan det globale skiftet påvirker havene våre.

Grunnvann

Matrisen grunnvannet strømmer gjennom kan påvirke pH, så overvåking av pH i grunnvann kan gi en indikator på den kjemiske sammensetningen av formasjoner som omgir en brønn, og derfor hvilke stoffer som strømmer inn i akviferen.

Akkurat som overflatevannforekomster er grunnvann utsatt for påvirkning fra sur nedbør og forurensninger fra industriell virksomhet, fordi regn og avrenning som renner gjennom overflatevann også kan sive ned i jord og grunnvann. pH-nivåer i grunnvann kan peke på hvilke stoffer som påvirker pH og om disse kjemikaliene er naturlig forekommende eller fra menneskelig aktivitet.

I tillegg er overvåking av pH under boring eller brønnutvikling et nyttig tiltak for å vurdere forurensning. En endring fra standard pH-nivåer kan være et tegn på at et stoff lekker ut i brønnen. Hvis grunnvannet blir basisk under brønnutvikling, kan det tyde på tilstedeværelsen av sement.

Vann og avløpsvann
Fordi pH påvirker løseligheten og tilgjengeligheten av kjemikalier i vann, kan overvåking av pH under vann- og avløpsvannsbehandling gi informasjon til beslutningstaking rundt prosessjusteringer.

pH spiller en viktig rolle i fjerning av forurensning. For eksempel er klor mer effektivt i desinfeksjonsprosess når vannet er i det nøytrale pH-området på 6,5 til 7,5. Mange prosesser for fjerning av patogen er pH-avhengige, og mange forskrifter angående standarder for desinfeksjon inkluderer krav til pH. Overvåking av pH i kildevann i drikkevannsanlegg hjelper til med å bestemme den mest effektive tilnærmingen til å behandle innkommende vann i anlegget deres.

Å sikre spesifikke pH-nivåer i ferdig vann er avgjørende for effektiv korrosjonskontroll. Surt drikkevann kan tære på rør og apparater. Mens en pH mellom 6,5 til 8,5 defineres som sunt drikkevann, sikrer en pH mellom 7,2 og 7,6 for ferdigvann optimal korrosjonskontroll. Utenfor dette området kan pH bidra til utlekking av bly fra messingbeslag og oppløsning i distribusjonsinfrastruktur. Det kan også forårsake dannelse av blykarbonatbelegg.

pH påvirker også effektiviteten av filtrering. Naturlig organisk materiale, flyktige organiske forbindelser (VOC) og syntetiske organiske forbindelser (SOC) er alle påvirket av pH. Disse reaksjonene kan gjøre filtre mer eller mindre effektive avhengig av typen filtreringsmateriale som brukes.

Å være nøye med pH er avgjørende for effektiv kjemisk dosering. Som nevnt ovenfor, påvirker pH løseligheten og tilgjengeligheten av kjemikalier for spesifikke reaksjoner og prosesser. Endring av surhet kan hemme behandlingsprosesser, så det er viktig å måle pH ved kjemiske doseringspunkter for å sikre at den bidrar på en riktig måte til den ønskede kjemiske prosessen.

Spesielt viktig å huske på er den logaritmiske karakteren til pH-skalaen. Fordi hvert tall representerer en endring i pH til en faktor på ti, kan selv små endringer i pH ha dramatiske effekter på effektiviteten av kjemisk dosering. Det er derfor viktig å rengjøre, kalibrere og vedlikeholde pH-sensorer i henhold til produsentens instruksjoner for å unngå kostbar overdosering eller underdosering som resultat av unøyaktige målinger.

Noen ganger kan sure eller alkaliske stoffer tilsettes for å påvirke pH under behandlingsprosessen. For eksempel kan visse ioneforbindelser, som jernklorid, være nødvendige for fosfatfjerning, men øke surheten til vann - en reaksjon som må korrigeres senere i prosessen.

pH har også innvirkning på biokjemiske prosesser. Det kan påvirke aktiviteten til mikroorganismer, en viktig faktor for vann- og avløps-behandling som involverer bakterier, som nitrifikasjon. Optimal pH for nitrifikasjon er mellom 8 og 9. Fri ammoniakk (NH₃) og fri salpetersyre (HNO₂) bremser nitrifikasjonsprosessen ved å forstyrre nitrifiserende bakterier. Nitrifikasjon reduserer nivået av bikarbonater og øker karbonsyre; dette fører til et fall i pH. Hvis pH synker under prosessen, avtar også ammoniakkoksidasjonen. Lufting bidrar til å dempe denne endringen ved å fjerne karbondioksid fra tanken. Enhver behandlingsprosess som involverer bakteriell aktivitet, kan påvirkes av disse kjemiske reaksjonene på lignende måte.

Kolorimetriske indikatorer (fargeindikatorer)

Enkelte kjemikalier vil endre farge basert på surheten eller alkaliteten til en løsning. Kolorimetriske indikatorer er papirstrimler behandlet med en av disse kjemikaliene. Når det plasseres i testløsningen, vil papiret endre farge basert på løsningens pH. Et diagram levert av produsenten indikerer hvilken pH-verdi hver farge representerer.
Kolorimetriske indikatorer er en rask og effektiv måte å bestemme pH på. De er enkle å bruke og allment tilgjengelig for publikum, for alt fra pH i jord i hager til eksperimenter i naturfagsklasserom. Kolorimetriske indikatorer gir imidlertid bare en verdi for ett tidspunkt og er ikke egnet for applikasjoner der kontinuerlige pH-målinger er nødvendig.

Elektroder

pH-sensorer er ion-selektive elektroder (ISE), noe som betyr at de måler hydrogenionkonsentrasjon som en differanse i det elektriske potensialet mellom en pH-følsom elektrode og en referanseelektrode, med forholdet mellom konsentrasjon og potensial gitt av Nernst-ligningen. De fleste pH-sensorer inneholder både pH-elektroden og referanseelektroden i en enkelt enhet.

I pH-sensoren består elektroden i pH-halvcellen av en glasspære som kun er gjennomtrengbar  for hydrogenioner, noe som gir sensoren ioneselektivitet (og dermed gjør den til en ioneselektiv elektrode, eller ISE). Løsningen inne i pæren har en konstant ionekonsentrasjon. Derfor utvikles en potensialforskjell over glasset på grunn av konsentrasjonsforskjellen av hydrogenioner på hver side av pæren. For å måle dette potensialet må en liten mengde strøm passere gjennom, så glasset må være gjennomtrengbar for det valgte ionet.

Referanseelektroden, eller referanseforbindelsen, gir en stabil verdi for sammenligning med pH-elektroden. Referanseelektroden består av en sølvkloridbelagt sølvtråd som ligger i en referanseløsning. I motsetning til pH-elektroden inneholder imidlertid ikke referansesystemet en ioneselektiv glasspære. I stedet har den en porøs del som tillater migrering av referanseløsningen til analyttløsningen, hvor løsningen blir målt. Dette er nødvendig for å sikre elektrisk kontinuitet i målesystemet. Når den holdes på riktige nivåer, opprettholder den interne referanseløsningen et konstant elektrisk potensial uavhengig av endringer i pH utenfor sensoren.

pH-sensoren gir en spenning av forskjellen i elektrisk potensial skapt av de to elektrodesystemene i sensoren. Nernst-ligningen gir oss ionekonsentrasjonen (Q) fra den målte spenningsforskjellen.

Fordi glasspæren er selektivt permeabel for hydrogenioner, og vi kjenner potensialet som referanseelektroden har, kan vi direkte relatere potensialforskjellen til hydrogenionkonsentrasjonen.

Ettersom temperatur er nødvendig for Nernst-ligningen, er det målte potensialet temperaturavhengig, så nøyaktig pH-måling krever nesten alltid nøyaktig temperaturmåling i tillegg.

Selv om konfigurasjonene er forskjellige, bruker både bærbare pH-sensorer og laboratoriesensorer disse grunnleggende prinsippene. ISE-er kan også refereres til som elektrokjemiske eller potensiometriske sensorer fordi målingene er basert på elektrisk potensial.
Selv om metoden for å komme frem til en resultat av pH-måling er den samme, kan pH-elektroder variere i design for å gjøre dem mer egnet til forskjellige bruksområder.

Det første designvalget er om elektroden har et enkelt eller dobbelt referansekryss. Referanseforbindelsen må være porøs for å tillate kontakt med analyttløsningen; pH-sensorer kan ikke fungere nøyaktig med mindre denne kontakten opprettholdes. Dette betyr imidlertid at referanseløsningen sakte men sikkert lekker ut av sensoren. Når referanseløsningen blir lav, kan det elektriske potensialet som skapes av referansesystemet endres, og sensoren kan begynne å drifte.

Sensorer med et enkelt referansekryss har mindre referanseløsning og krever derfor etterfylling eller utskifting oftere. Fordelen med dette designet er imidlertid sensorens responstid. Et enkelt referansekryss gir tettere kontakt mellom referanseelektroden og løsningen utenfor sensoren. Dette gjør at sensoren kan stabilisere seg raskere og gi avlesninger raskere enn sensorer med dobbelt referansekryss.

Sensorer med dobbel referanseforbindelse er bedre egnet for overvåking i industrielle applikasjoner og andre tøffe miljøer. Referansekrysset må være porøst, men denne utformingen tillater at forurensninger kommer inn i referanseløsningen. Hvis forurensninger når referanseelektroden, kan den bli skadet. Et dobbeltkryss beskytter referanseelektroden ved å forlenge avstanden disse forurensningene må vandre for å nå den, og forlenger derfor sensorens levetid. Et dobbelt referansekryss inneholder også mer referanseløsning, så det tar lengre tid før referanseløsningen i disse sensorene blir fortynnet. Dette gjør at referanseløsningen opprettholder en stabil konsentrasjon lenger enn i sensorer for enkeltreferanseforbindelser for en samlet lengre levetid.

pH-elektroder inneholder også en annen designforskjell: hvorvidt referanseløsningen er etterfyllbar eller ikke. Noen pH-sensorer har en åpning for å helle ny referanseløsning inn i systemet, slik at hele sensoren ikke trenger å byttes.