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在線氟離子計的工作原理是什么

來源:上海玄天環(huán)??萍加邢薰?nbsp;  2025年07月22日 11:36  

在線氟離子計的工作原理基于離子選擇電極法(ISE),核心是通過氟離子選擇電極與參比電極組成的電化學系統(tǒng),將溶液中氟離子(F?)的濃度轉化為可測量的電信號,再通過計算得到氟離子濃度。具體過程可分為以下幾個關鍵步驟:

1. 核心組件:氟離子選擇電極與參比電極

在線氟離子計的檢測單元由兩個關鍵電極組成:

氟離子選擇電極(工作電極):其核心是一層對氟離子具有高度選擇性響應的敏感膜,通常由氟化鑭(LaF?)單晶膜制成(摻雜少量 EuF?或 CaF?以增加導電性)。這層膜只允許氟離子(F?)通過并產生特異性響應,對其他離子(如 Cl?、Br?等)幾乎無響應。

參比電極:提供一個穩(wěn)定不變的基準電位,作為測量的 “參考點”。常用的參比電極有飽和甘汞電極(SCE)或銀 - 氯化銀電極(Ag/AgCl),其電位不受溶液中氟離子濃度影響,僅由自身性質和溫度決定。


2. 電化學信號的產生:膜電位與原電池

當氟離子選擇電極和參比電極同時浸入待測溶液時,會形成一個原電池:

氟離子選擇電極的敏感膜(LaF?)與溶液接觸時,膜表面的 F?與溶液中的 F?會發(fā)生交換,在膜兩側形成電位差(膜電位)。膜電位的大小與溶液中氟離子的活度(濃度的一種修正值,近似于濃度)直接相關。

參比電極提供穩(wěn)定的參比電位,因此原電池的總電動勢(E)等于氟離子選擇電極的電位與參比電極電位之差。


3. 濃度與電位的關系:能斯特方程

膜電位與氟離子活度的關系遵循能斯特方程,原電池的電動勢與氟離子濃度的對數(shù)呈線性關系—— 氟離子濃度越高,電動勢越低(負相關)。通過測量電動勢,即可反推出氟離子濃度。


4. 干擾因素與消除:TISAB的作用

實際測量中,溶液的pH值、溫度、共存離子(如 Al3?、Fe3?等)會干擾測量:

pH值影響:酸性條件下,F(xiàn)?會與 H?結合成 HF 或 HF??(非離子態(tài)),無法被電極響應;堿性過強(pH>8),OH?會與LaF?膜反應(LaF? + 3OH? → La (OH)? + 3F?),釋放 F?導致測量偏高。因此需控制pH 在5~6之間(上海玄天FT-7000型在線氟離子計PH范圍可擴展為5-8之間)。

共存離子干擾:Al3?、Fe3?等會與 F?形成穩(wěn)定絡合物(如 AlF?3?),降低游離 F?濃度,導致測量偏低。

為消除干擾,在線氟離子計可以會向樣品中加入總離子強度調節(jié)緩沖液(TISAB):

包含檸檬酸鈉等絡合劑,掩蔽 Al3?、Fe3?等干擾離子;

含 NaCl 等強電解質,固定溶液離子強度(使活度≈濃度);

含緩沖劑(如 HAc-NaAc),控制pH在5.0~5.5。


5. 在線測量的流程

樣品預處理:待測溶液(如廢水、工藝液)經(jīng)過濾去除顆粒物(避免堵塞電極),并通過恒溫裝置控制溫度以減少溫度對電位的影響(上海玄天FT-7000型在線氟離子計具有自動溫補功能可以實時消除溫度對電位的影響)。

電極響應:預處理后的溶液與氟離子選擇電極、參比電極接觸,形成原電池,產生與氟離子濃度相關的電動勢。

信號轉換與計算:傳感器將電動勢(mV信號)傳輸至主機,主機通過內置的能斯特方程校準曲線(經(jīng)標準溶液校準),將mV值換算為氟離子濃度(mg/L或mol/L)。

溫度補償:儀器內置溫度傳感器,實時監(jiān)測溶液溫度,自動修正能斯特方程中的溫度系數(shù),確保不同溫度下測量準確。

數(shù)據(jù)輸出:濃度值實時顯示、存儲,或通過 4~20mA、RS485等接口傳輸至 PLC、DCS 系統(tǒng),用于工藝控制或報警。


總結

在線氟離子計的核心是利用氟離子選擇電極對F?的特異性響應,通過測量電極與參比電極間的電動勢,結合能斯特方程計算濃度,并通過TISAB消除干擾、溫度補償保證精度,最終實現(xiàn)對氟離子濃度的實時、連續(xù)監(jiān)測。這一原理使其能在復雜工業(yè)環(huán)境中穩(wěn)定工作,滿足工藝控制和環(huán)保監(jiān)測的需求。

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