AUTOMATYZACJA POMIARU PH I STĘŻENIA JONÓW NIEORGANICZNYCH W PROCESIE PRZY UŻYCIU SOND I ANALIZATORÓW

Każdego dnia na całym świecie wykonywanych jest tysiące pomiarów pH oraz oznaczeń kationów i anionów w przeróżnych matrycach. Często cała procedura sprowadza się to do tego samego schematu: ręczny pobór próbki, transfer do laboratorium, analiza oraz przesłanie wyników do osób odpowiedzialnych za proces. Wiążą się z tym pewnego rodzaju wady, w tym zwiększone wydatki czasowe. Natomiast zakłady przemysłowe zwykle wymagają złożonych technik analitycznych i sprzętu w celu uzyskania bardzo dokładnych wyników, które są wykorzystywane do optymalizacji i kontroli procesu. Co w przypadku, kiedy potrzebna jest analiza w czasie rzeczywistym, aby uzyskać informacje procesowe najwyższej jakości? W jaki sposób przenieść analizę z laboratorium do procesu (tj. przeprowadzać analizę w warunkach procesowych), a jednocześnie uzyskiwać dokładne wyniki i wysoką precyzję. Kluczem jest doskonalenie procesu za pomocą technologii analizy procesowej (PAT) i zastosowanie np. czujników procesowych oraz analizatorów, które umożliwiają, ciągły monitoring oraz sterowanie procesem na miejscu.

Analiza pH jest prawdopodobnie jedną z najczęściej stosowanych analiz na świecie. Odgrywa kluczową rolę we wszystkich dziedzinach chemii, farmacji, biotechnologii oraz żywności i napojów. Wszystkie te branże wymagają zastosowania odpowiednich czujników, które pełnią ważną funkcję w produkcji. Pomiar napięcia za pomocą elektrod czułych na zmianę stężenia jonów wodorowych jest starą, ale nadal obecną praktyką stosowaną codziennie w laboratoriach na całym świecie, ale mającą duże ograniczenia. Główną przeszkodą w pełnej optymalizacji procesowej jest to, że pomiar odbywa się z dala od procesu, a wynik uzyskiwany jest z pewnym opóźnieniem. Natomiast pomiar pH inline, tj. oznaczanie wartości pH bezpośrednio w procesie, pozwala tę „barierę" ominąć. Umożliwia on monitorowanie procesu w czasie rzeczywistym bez uprzedniego ręcznego pobierania próbki. Poprawia to wydajność i jakość produktu, oszczędza czas i koszty oraz zwiększa bezpieczeństwo procesu. Rysunek 1 pokazuje, w jaki sposób proces produkcyjny może być monitorowany i kontrolowany na miejscu przy linii produkcyjnej (atline), z automatycznym próbkowaniem (online) lub bezpośrednio w samym centrum procesu (inline). Możliwość łączenia procesów produkcyjnych i związanych z nimi analiz jakościowych i ilościowych pozwala na uzyskanie wyższych wydajności, wyeliminowanie produktów niezgodnych ze specyfikacją oraz zwolnienie produktu gotowego w czasie rzeczywistym nie czekając na wyniki laboratoryjne.

 

Rysunek 1. Kategorie analizy: inline, online, atline i offline.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Kiedy próbki są dostarczane z punktu poboru do laboratorium w celu analizy, mogą ulegać zmianie w czasie z powodu, np. zmiany temperatury otoczenia, absorpcji CO2 z atmosfery w roztworze, różnic ciśnień lub (braku) przepływu. Dzięki technologii pomiarowej inline i online aktualne wartości parametrów procesowych są niemalże bezpośrednio dostępne na sterowni (DCS). To połączenie umożliwia przede wszystkim niezawodną kontrolę nad procesem, a błędy „ludzkie" , które powodują opóźnienia w pomiarach można w znacznym stopniu wykluczyć. Metrohm Process Analytics oferuje sondy procesowe pH - ProTrode pH sensors (Rysunek 2), które idealnie pasują do wszystkich zastosowań przemysłowych, gdzie wymagane są niezawodne i dokładne pomiary pH na linii produkcyjnej.

 

Rysunek 2. Uniwersalna elektroda pH ProTrode firmy Metrohm Process Analytics dla zróżnicowanych matryc.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Elektrody pH ProTrode są wszechstronne, oto kilka ich cech:

• unikalna membrana odpowiednia do próbek o różnym przepływie – spiek ceramiczny bądź diafragma typu kołnierz- umożliwia bardzo precyzyjne i powtarzalne pomiary w zróżnicowanych warunkach procesowych,
• dostosowywane długości do warunków procesowych (120 mm, 225 mm, 325 mm, 360 mm, 425 mm) – odpowiednie do różnorodnej armatury przemysłowej (np. zbiorniki, reaktory, rurociągi),
• specjalny system referencyjny – zintegrowany system referencyjny jeszcze bardziej ułatwia pomiar pH i zapobiega przedostawaniu się jonów srebra z elektrody do próbki badanej.

W przypadku kiedy niemożliwe jest zainstalowanie sondy procesowej w linii, bądź też wyniki pomiarów z różnych przyczyn są niezadowalające Metrohm Process Analytics stworzył w pełni zautomatyzowany analizator procesowy do pomiarów pH. temperatura, zmiany ciśnienia i potencjalne efekty strumieniowe nie mają wpływu na pomiar. Stan elektrody jest stale monitorowany, a kalibracja i czyszczenie odbywa się automatycznie. Skutkuje to mniejszą konserwacją, dłuższą żywotnością elektrody pH i bardziej niezawodnymi pomiarami. Potencjalne zagrożenia i obawy dotyczące bezpieczeństwa punktu w procesie, gdzie sonda procesowa byłaby umieszczona są wyeliminowane, ponieważ elektroda pH jest umiejscowiona w naczyniu pomiarowym analizatora. Nie trzeba jej także wyjmować w celu np. czyszczenia czy kalibracji, ponieważ wszystko odbywa się automatycznie. Nigdy też nie trzeba się martwić o wyschnięcie membrany w przypadku braku próbki, ponieważ elektroda jest zawsze zanurzona w wodzie poskończonym cyklu. Rysunek 3 przedstawia analizator procesowy 2026 pH Analyzer do pomiaru pH.

 

 

Rysunek 3. Analizator procesowy 2026 pH Analyzer.

 

 

Analizator procesowy 2026 w wersji pH jest elastycznym urządzeniem, który w prosty sposób można przeprogramować na aparat do oznaczania jonów nieorganicznych. Po zamontowaniu biurety i doborze odpowiedniej elektrody pomiarowej stanie się on przyrządem do miareczkowania bądź pomiarów jonoselektywnych. Mnogość aplikacji, które może wykorzystywać analizator pozwala na znaczną poprawę procesu przemysłowego i mniejsze koszty. Do najbardziej popularnych aplikacji należy analiza zawartości chlorków, fluorków, cyjanków, azotanów, amoniaku, sodu, twardość oraz zasadowości i kwasowości. Analizator ma możliwość podłączenia dwóch strumieni próbki oraz ustawienia programu czyszczącego. Pozwala on na uzyskanie, dokładnych i precyzyjnych wyników pomiarów oraz wyeliminowanie efektów matrycowych i interferencji za sprawą naczynia reakcyjnego, w którym można wykonać wstępne przygotowanie próbki

 

W niedalekiej przyszłości automatyzacja będzie niezbędnym narzędziem do dokładnej i szybkiej kontroli jakości procesów produkcyjnych w zakładach przemysłowych. Postęp cywilizacyjny jest na tyle szybki, że funkcjonowanie bez sond i analizatorów procesowych niebawem stanie się praktycznie niemożliwe. Bieżąca kontrola kluczowych parametrów procesowych takich jak pH czy jony nieorganiczne, jest niezbędna aby osiągać pożądane wydajności i jednocześnie sprawnie eliminować zakłócenia procesowe. Oszczędność czasu i minimalizacja „błędów ludzkich" ma bezpośrednie przełożenie na korzyści finansowe i to w dużej mierze spowoduje, że analizatory procesowe coraz częściej będą zastępować metody laboratoryjne. Przyszłością so inteligentne platformy analityczne, które są zarazem wszechstronne i elastyczne, pozwalające na kompleksowe opomiaropwanie zakłądów produkcyjnych (Rysunek 4.)

 

Rysunek 4. Platforma analityczna 2060 Metrohm Process Analytics