Oxidačně-redukční potenciál neboli redox potenciál (ORP) odráží množství oxidačního činidla ve vodě. Všimněte si, že nejde o míru koncentrace samotného oxidačního činidla, ale používá se jako spolehlivý a univerzální indikátor oxidačního potenciálu vody v místě měření. Oxidačními činidly jsou kyslík, chlór, peroxidy, ozón a další látky.
Jednotkou měření redoxního potenciálu jsou milivolty. Plný rozsah měření je -2000 až +2000 mV. Většina ORP měřidel pracuje v rozsahu -1200 až +1200 mV, což je v oblasti úpravy vody dostatečné. Hodnoty nad 0 mV označují energii dostupnou pro oxidaci molekuly nebo její navázání na atom kyslíku.
V přírodě je redoxní potenciál měřítkem toho, do jaké míry jsou jezera a řeky schopny samočistit a rozkládat různé produkty, znečišťující látky a odumřelé části rostlin a živočichů. Když jsou potenciální hodnoty vysoké, je ve vodě přebytek kyslíku. To znamená, že aerobní bakterie, které rozkládají odumřelou tkáň a nečistoty, pracují efektivněji. Obecně platí, že vyšší potenciální hodnoty indikují zdravé vodní útvary. Avšak i zdravá jezera a řeky v blízkosti dna a sedimentů dna mají nižší koncentrace kyslíku a tím i hodnoty ORP. Může za to velké množství bakterií, které intenzivně rozkládají organickou hmotu a spotřebovávají hodně kyslíku. Kyslík totiž rychle mizí v bahně na dně (často 1-2 cm hluboko) a klesá i ORP. Záznam oxidačně-redukčního potenciálu poskytuje kromě měření koncentrace rozpuštěného kyslíku úplnější informace o kvalitě vody a stupni znečištění. Kromě toho existují další prvky, které stejně jako kyslík přispívají ke zvýšení ORP.
Biologický význam redoxního potenciálu vody
Redoxní potenciál přírodních vodních ploch do značné míry závisí na koncentraci kyslíku rozpuštěného ve vodě a také na množství dalších prvků, které jsou funkčně podobné kyslíku. Jednoduše řečeno, kyslík a další prvky, které zvyšují ORP, pomáhají odstraňovat nežádoucí kontaminanty a organické látky ve vodě. Když je oxidačně-redukční potenciál nízký, koncentrace kyslíku jsou nízké, toxicita určitých kovů a kontaminantů se zvyšuje a většinu mrtvých, hnijících látek nelze recyklovat. Je zřejmé, že znečištěné prostředí je škodlivé pro ryby a hmyz. Ve zdravém prostředí se hodnota ORP pohybuje v rozmezí 300-500 mV.
Ozón jako dezinfekční prostředek
Ozon ve vodě reaguje se znečištěním a mikroorganismy nebo se přeměňuje zpět na kyslík. Pokud se ozón setká s mikroorganismem dříve, než zoxiduje kontaminant, zabije patogen, a proto působí jako dezinfekční prostředek. U jiných chemikálií, jako je chlór, je situace složitější a méně předvídatelná. Tyto chemikálie reagují s mikroorganismy mnohem pomaleji než ozón a pravděpodobněji oxidují kontaminanty. Kromě toho je účinnost mnoha oxidačních činidel ovlivněna pH prostředí.
Použití chlóru k dezinfekci závisí na pH prostředí. Tradiční monitorovací systémy měří potenciál v částech na milion pomocí titrace nebo testovacích proužků. Tyto metody však musí být kombinovány s měřením pH a kyseliny chlorné (HClO). Hodnota pH je důležitou proměnnou, protože testovací proužky detekují kyselý HClO a ionty (OCl-) stejně. Při pH 7.5 je poměr nedisociované kyseliny HClO a iontů (OCl-) ekvivalentní (50:50). Snížení pH vede ke zvýšení HClO a redox potenciálu, což ukazuje na oxidační potenciál. Nedávné studie v komerčních a modelových systémech posklizňové vody ukázaly, že je-li to nutné, lze k určení potenciálu usmrcovat bakterie použít kritérium ORP. Jinými slovy, ORP 700 mV při pH 6.5 má stejný dezinfekční potenciál jako ORP 700 mV při pH 8.5. I když k dosažení stejné hodnoty ORP při pH 8.5 je zapotřebí mnohem více chlornanu. Je to dáno tím, že podíl kyseliny chlorné (HClO) je pouze 15 % z celkového volného chloru. Měření volného chlóru (ppm) při dvou daných hodnotách pH (při konstantní koncentraci chlornanu) ukáže stejné výsledky, což dává falešný dojem o vysokém dezinfekčním potenciálu při pH 8.5.
Jsou-li ve vodě přítomna oxidační činidla (ORP pozitivní), za předpokladu dostatečného času a plochy kontaktu budou reagovat s některými látkami nebo se rozpadnou. Vyšší koncentrace těchto činidel samozřejmě vede k aktivnější oxidaci a účinnější dezinfekci. Předvídání výsledku dezinfekce závisí na rovnoměrném promíchání vody a teploty, protože molekuly interagují rychleji v teplém prostředí. Existují další faktory, jako je typ okysličovadla, průtok, světelný režim atd.
Výhodou ozonu je jeho přeměna na formu volného radikálu a kyslíku. Tento volný radikál má úžasný dezinfekční potenciál. Rozklad ozonu na kyslík a radikál se urychluje zprostředkováním energie UV záření, případně přidáním peroxidu vodíku do roztoku.
V komunálních vodách je redoxní potenciál 200-300 mV. Tato voda byla dezinfikována, ale její dezinfekční potenciál je nízký. Hodnota 650 mV vody v čistírně odpadních vod naznačuje, že bude zničen jakýkoli oxidovatelný předmět. Cílem dezinfekce je dosáhnout reakčního bodu, kdy je upravená voda bezpečná pro spotřebu rostlinami, lidmi i zvířaty.
Ozonizace vody v akvakultuře
Většina komerčních modelů vytváří ozón pod vlivem korónového výboje nebo ultrafialového světla. V prvním případě korónový výboj generuje vysokoenergetické pole mezi dvěma kovovými deskami, kterými prochází suchý vzduch, čímž vzniká ozón. Ultrafialové záření (140-190 nm) se používá k rozkladu molekul kyslíku a tvorbě ozonu. Záření je levnější než korónový výboj, ale méně účinné.
Pro úspěšnost dezinfekce je velmi důležité provedení reaktoru a kontaktní komory ozonátoru. Typy reaktorů jsou různé, například bublinkový atomizér, turbínová kontaktní komora, injektor, hluboké U-trubkové reaktory, statické atomizérové mísiče.
Důležitá je účinnost přenosu ozonu, konstrukce bez úniku ozonu a materiál ozonizátoru odolný proti oxidaci.
Materiály musí být vůči tomuto plynu inertní. Nedoporučuje se dlouhodobé používání některých plastů, jako je PVC a polykarbonáty a pozinkovaná ocel.
Nerezová ocel je vhodná jako materiál pro kontaktní komoru a potrubí. Baterie jsou vyrobeny z nerezové oceli s teflonovými membránami.
Způsoby ošetření ozonizací
Ozon se používá nepřetržitě, sériově, jednotlivě. Ve většině případů je volba režimu určena strategiemi krmení kultivačního systému. Tři až čtyři hodiny po krmení ryb dosahuje koncentrace amonia a rozpuštěných organických látek maxima. Pokud jsou ryby krmeny vícekrát denně, ozonizace se spouští po každém krmení. Pokud je krmení prováděno kontinuálně, kvalita vody se neustále zhoršuje a ozon musí být podáván nepřetržitě. Jednorázová ozonizace se používá pro plánované snížení kontaminantů v systému spojené s mírným napájením nebo pro úpravu sladké vody přiváděné do systému.
Upřednostňuje se kontinuální vstřikování ozonu, protože kvalita vody zůstává stabilní.
Koncentrace potřebného ozonu se vypočítává na základě rychlostí dávkování. Obvykle se pro snížení organického znečištění doporučuje přidat 10-15 g plynu na 1 kg krmiva.
Na druhou stranu dezinfekce vody vyžaduje vyšší koncentrace ozónu s přihlédnutím k jeho kontaminaci organickými látkami. Ve špinavé vodě stačí k účinnému snížení bakteriální zátěže zbytková koncentrace O3 0.01-0.1 mg/l po dobu 15 sekund. V prostředí s vysokou organickou zátěží by se však zbytková koncentrace a/nebo doba kontaktu s plynem měla zvýšit. Pro dezinfekci doprovázenou oxidací organických látek vyžadují přírodní vody (mořské, brakické a sladké) obvykle zbytkovou koncentraci 0.1-0.2 mg/l a dobu kontaktu 1-5 minut.
Optimální dávky O3 pro dezinfekci jsou variabilní a představují souhrn jeho nákladů na oxidaci organických látek, koloidních částic, dusičnanů a samotnou dezinfekci. V podmínkách RAS jsou náklady na ozonizaci pro úplnou dezinfekci zpravidla příliš vysoké. Určitého snížení zátěže patogeny a zlepšení kvality vody lze však dosáhnout mírným používáním ozonu.
Dezinfekce přiváděné vody a odpadních vod je praktičtější než ošetřování celého systému. Ozonizace vodního zdroje v kombinaci s karanténními opatřeními pro příchozí sadební materiál výrazně snižuje riziko infekce.
Umístění aplikace
Ozon v reziduální koncentraci 0.01-0.1 mg/l je toxický pro většinu sladkovodních a mořských organismů. Místo jeho aplikace musí být vybráno pečlivě. Existuje několik lokalit RAS, kde se ozon zavádí:
— Místo přívodu kyslíku. Tradičně se ozón zavádí do systému okysličovadlem za biofiltrem, ale před kultivační nádrží. Vzhledem k blízkosti bazénu představuje tato metoda střední riziko otravy ryb zbytkovým ozónem. Sníží se tím, že se plyn několik minut zadrží v kontaktní komoře. Výhodou metody je dezinfekce a redukce dusitanů.
— Umístěte před biofiltr. Ozon je zaveden před biofiltr. Tato metoda je pro ryby relativně bezpečná. Jakékoli zbytkové koncentrace plynu nejprve projdou biofiltrem a použijí se k oxidaci biofilmů. Filtr se tak stává účinným nárazníkem před rybími bazény. Příliš vysoká koncentrace zbytkového ozonu však sníží rychlost nitrifikace. Výhodou takové ozonizace je zvýšení koncentrace kyslíku v biofiltru, což je zvláště důležité u ponořeného biofiltru napájeného deštěm. Na druhé straně se v zavlažovaném zařízení všechny formy kyslíku vypařují do atmosféry.
— Úprava přitékající vody. Pro RAS využívající povrchové vody je toto opatření povinné.
– Čištění odpadních vod. Provádí se k ochraně životního prostředí před infekcemi a znečištěním. Účinnější je odpadní vody akumulovat v nádobách a následně je ozonizovat.
Nedoporučuje se:
— Upravte vodu do fáze hrubého mechanického čištění. To vede ke zbytečné spotřebě ozónu.
— Ošetřete kulturní bazény. Nebezpečné pro ryby.
Ozonizace brakické a mořské vody vede ke vzniku vedlejších produktů. Ozon reaguje s chlórem a bromem a vytváří stabilní oxidy, které jsou toxické pro vodní organismy. Použití ozonizátoru v námořním systému je obvykle omezeno na ošetření v lázních oddělených od hlavního toku. Aktivní uhlí účinně odstraňuje zbytkový ozón z mořské vody.
Měření koncentrace ozonu v RAS
Přímé měření ozonu ve vodě se obvykle provádí pomocí kolorimetrické metody nebo spektrofotometrie. Tyto metody jsou však příliš hrubé na to, aby detekovaly nízké zbytkové koncentrace ozonu, které jsou pro ryby smrtelné a nejsou vhodné pro nepřetržité monitorování. Tradičně se pro tyto účely používají ORP senzory. Neměří přímo hladinu plynu, ale zaznamenávají celkovou kapacitu roztoku oxidovat elektrodu (mV). Tímto způsobem je možné kontrolovat hladinu oxidantů a tím nepřímo kontrolovat hladinu ozonu. Pro sladkovodní RAS je bezpečná hodnota redox potenciálu 300 mV.
Mnoho ozonizátorů je připojeno k senzorům a automaticky zastaví dodávku ozonu. Jakmile jeho hladina překročí přípustné meze. Stojí za zmínku, že ORP senzory provádějí měření během několika minut, takže koncentraci ozonu lze přibližně kontrolovat. Paralelně s měřením ozonu je nutné sledovat další parametry, zejména dusitany.
Rizika ozonizace vody
Ozon je velmi účinné okysličovadlo. To vytváří velká rizika pro systémy RAS:
— Pokles dusitanů při jejich oxidaci ozonem a přeměna na dusičnany vede k nedostatku dusitanů v biofiltru. Počet nitrifikačních bakterií klesá. Jakmile je dodávka ozonu zastavena, může dojít ke zvýšení hladiny dusitanů.
— Vysoké zbytkové koncentrace ozonu představují riziko pro ryby, které způsobují vážné poškození tkání a úmrtnost.
— Vysoká koncentrace zbytkového ozonu představuje riziko pro bakteriální film biofiltru. Funkce filtru je narušena, což vede ke zvýšení amonia a dusitanů. To ovlivňuje ryby, snižuje rychlost růstu a zhoršuje zdraví.
Pro odstranění zbytkového ozónu se doporučuje instalovat deozonizátory. Nejjednodušší provedení obsahuje komoru, ve které se zadržuje voda a odpařuje se ozón. Ve skrápěcích filtrech se tento plyn také aktivně odpařuje.
Pro člověka je bezpečná koncentrace ozonu ve vzduchu 0.05-0.1 mg/l po dobu 8 hodin, 0.3 mg/l po dobu 10 minut.
Elektrody pro záznam redox potenciálu
ORP elektrody jsou analytické senzory pro měření redox potenciálu. Jsou součástí měřiče ORP.
Redoxní reakce jsou typem chemické reakce, při které dochází k přenosu elektronů z jednoho atomu na druhý. Oxidovaný atom ztrácí elektrony, zatímco redukovaný atom elektrony získává. Redoxní reakce je doprovázena výměnou elektronů. Oxidace zahrnuje ztrátu elektronů, takže řešení je pozitivní. Redukce je doprovázena akvizicí elektronů, takže roztok má záporný náboj. Aby reakce proběhla, musí být přítomni oba účastníci. Rychlost reakce probíhající na elektrodě ORP metru přímo souvisí s hustotou výměnného proudu, která je odvozena z koncentrace roztoku, redoxního systému a elektrody. Rychlost klesá, když je redox potenciál vzorku podobný redox potenciálu na elektrodě ORP metru. Nadměrný výměnný proud je navíc problémem i při testování silných oxidačních a redukčních činidel. To lze vyřešit opláchnutím elektrod před měřením.
Měřič ORP nelze použít jako přímý indikátor zbytkového oxidantu nebo redukčního činidla, protože systém vykazuje výkyvy vlivem pH a teploty. Zařízení však lze uvést do souladu s měřeným médiem záznamem potenciálu v klidném stavu. Dormantního stavu se dosahuje měřením pH a dalšími testy. Tímto způsobem lze dosáhnout vysokého stupně korelace mezi odečty ORP měřičů a stavem systému.
Když je měřicí elektroda v kontaktu s oxidačními nebo redukčními činidly, elektrony se neustále pohybují směrem k jejímu povrchu nebo od něj a vytvářejí nepatrné napětí. Měřicí elektroda je vyrobena z platiny, zlata nebo grafitu. Referenční elektroda je připojena k solnému vodnému roztoku s daným potenciálem poloviny článku 0.0 mV. Tato elektroda je vyrobena z chloridu stříbrného nebo rozpuštěného chloridu rtuťnatého (kalomelová elektroda), které poskytují stabilní a spolehlivý výkon. Elektrody ORP zaznamenávají napětí v obvodu sestávajícím ze dvou elektrod. Toto napětí lze měřit pomocí milivoltmetru nebo rozhraní pH metru. Kladné hodnoty indikují přítomnost oxidačního činidla, zatímco záporné hodnoty indikují přítomnost redukčního činidla.
Registrace ORP by se měla provádět ve více bodech spíše než v pevném bodě. Ve skutečném systému jsou senzory zřídka instalovány v pevném bodě. Rozdíly v hodnotách senzoru v závislosti na tom, zda se pohybuje nebo stojí, mohou přesáhnout 25 mV, zejména u přenosných zařízení. Velikost testovaného povrchu také ovlivňuje kolísání odečtu: nejlepší snímače mají větší odečítací plochu. Je dobrou praxí standardizovat měření a nastavit prahové hodnoty okénka čtení, které zajistí uspokojivé snížení koncentrací bakterií. U přenosných zařízení se doporučuje ponořit senzor na 30 sekund do tekoucí vody. Pokud má voda silný proud, odebere se vzorek do čisté sklenice (dvakrát předem propláchnuté destilovanou vodou). Jemně míchejte obsah sklenice senzorem po dobu 30 sekund a poté 30 sekund měřte.
Redoxní potenciál (redox potenciál) je mírou aktivity elektronů v látce (v tomto případě ve vodě). Oxidace je proces ztráty elektronů, zatímco redukce je proces získávání elektronů. Celková síla této výměny elektronů mezi látkami ve vodě přímo ovlivňuje úroveň ORP. Tento parametr vyjádřeno v milivoltech (mV) a měřeno ORP metrem. Záporné hodnoty označují redukční vlastnosti vody a kladné hodnoty označují oxidační vlastnosti.
ORP se používá jako měřítko stupně oxidace vody v bazénech, v systémech čištění vod a odpadních vod. Potenciál redukce oxidace je někdy označován jako míra účinnosti dezinfekčního prostředku ve vodě; Čím vyšší je oxidační potenciál, tím je dezinfekční prostředek účinnější.
ORP může být hodnotným měřením, pokud uživatel zná konkrétní složku ve vzorku, která je primárně zodpovědná za získaný odečet. Například přebytek chlóru v odpadní vodě bude mít za následek vysokou kladnou hodnotu ORP, zatímco přítomnost sirovodíku bude mít za následek vysokou zápornou hodnotu.
Protože ORP závisí na teplotě, musí být zaznamenávána při každém měření, aby bylo možné získané hodnoty porovnat. Kromě teploty závisí měření ORP často na pH analyzovaného roztoku. Například chlór v kapalinách existuje jako kyselina chlorná (HOCl) a v závislosti na pH může HOCl produkovat více či méně volného chlóru. Při nižších hodnotách pH vzniká více chlóru.
Význam měření ORP
ORP závisí na jakékoli látce vyměňující elektrony. Studie ukázaly, že životnost bakterií ve vodě silně závisí na hodnotě redox potenciálu.
Organismy, které rozkládají nežádoucí látky ve vodě, potřebují rozpuštěný kyslík. Čím nižší je tedy hladina ORP, čím méně kyslíku nebo podobných oxidačních látek, tím více je vodní zdroj znečištěný.
Naopak vyšší hodnota ORP bude znamenat více dezinfikované vody. Pitná voda bude řádně dezinfikována na úrovni cca 650 mV na stupnici ORP, zatímco voda v bazénu bude mít vyšší hladinu (vzhledem k přítomnosti chlóru působícího jako oxidační činidlo) 700 až 750 mV.
To znamená, že Je důležité mít základní znalosti o úrovních ORP ve vodě pro jakýkoli účel. Ve většině aplikací je indikátor ORP zařazen do seznamu parametrů analýzy vody, protože ukazuje stupeň čistoty vody v závislosti na jejích oxidačních a redukčních vlastnostech. Příliš vysoké a příliš nízké hodnoty ORP mohou ukazovat na přesycení vody některými látkami, takže je nevhodná ke konzumaci. Například vysoké hodnoty ORP indikují nasycení vody chloridy a železitými ionty. Nízké hodnoty ORP mohou být způsobeny kontaminací vody sulfidy a produkty rozkladu organických látek. Pravidelnou analýzou úrovní ORP můžete sledovat účinnost dezinfekčního prostředku a podle toho upravit plán úpravy vody.
Stanovení ORP
Měření ORP vody zahrnuje tři jednoduché kroky:
- Kalibrace: odeberte kalibrační roztok se známým ORP v mV. Ponořte senzor do kalibračního roztoku. Jakmile jsou hodnoty ORP stanoveny, spusťte příkaz kalibrace. Více informací o kalibraci měřiče ORP naleznete v článku.
- Měření: Ponořte elektrodu ORP do vody a měřič ORP zobrazí hodnotu mV.
- Opakujte kalibraci: při každé změně analyzovaného vzorku.
Měřící přístroje
Základem měřiče, stejně jako u pH metrů, je elektroda – čidlo nutné k měření schopnosti vody přenášet elektrony. ORP elektroda funguje podobně jako pH senzor, ale místo měření vodíkových iontů měří aktivitu elektronů. Elektroda přenáší výsledek do ORP měřiče/kontroléru.
ORP senzory pracují na principu měření elektrického potenciálu (napětí) mezi dvěma elektrodami v kontaktu s vodou. Jedna elektroda se nazývá indikační elektroda a je obvykle vyrobena z platiny. Druhá elektroda se nazývá referenční elektroda; obvykle se vyrábí ze stříbra a chloridu stříbrného (Ag/AgCl). Tato elektroda obsahuje plnicí roztok obsahující chlorid draselný (KCl). Elektrony v analyzovaném roztoku interagují s oběma elektrodami a vytvářejí mezi nimi napětí, které je měřeno ORP metrem.
Pokud znečišťující složky ve vodě oxidují, pak redoxní elektroda působí jako dárce; na redukční činidla působí elektroda jako akceptor.
Přestože konstrukce elektrody a referenční systém jsou podobné tradiční pH elektrodě, měření ORP nelze označit za podobná. Zatímco pH elektroda je selektivní pro koncentraci vodíkových iontů v roztoku, ORP senzor poskytuje odezvu podle součtu redoxních reakcí probíhajících ve vzorku; těch. redox potenciál je složený parametr všech iontů a molekul zapojených do redoxní reakce. Senzor ORP je neselektivní elektroda a není specifická pro žádný prvek nebo chemikálii.
ORP měřiče a elektrody Hach
Podle charakteru použití se ORP měřiče dělí na laboratorní, přenosné a kapesní. Výběr senzoru závisí na analyzovaném vzorku a četnosti měření. Pro standardní měření použijte laboratorní elektrody; Pro nepřetržité monitorování v náročnějších prostředích zvolte průmyslové.
Důležitým faktorem je také přesnost měření. Například elektrody od výrobce Hach Lange mají chybu měření pouze ±0,02 mV. Více informací o měřicích přístrojích a senzorech Hach ORP naleznete na níže uvedených odkazech:
- Kapesní ORP měřiče PocketPro
- Přenosný ORP měřič řady HQ
- Laboratorní ORP měřič
- Laboratorní kombinovaná ORP elektroda
- Laboratorní plnitelná ORP elektroda
- Polní ORP elektroda
- Průmyslová ORP elektroda
Výhodou stacionárních a přenosných měřičů Hach Lange je kromě přesnosti měření schopnost měřit nejen ORP, ale paralelně i takové parametry kvality vody jako: pH, vodivost, rozpuštěný kyslík, koncentrace amonia, chloridových iontů atd. možnosti pro víceparametrové měřiče naleznete na odkazu ->
Přesnost odečtů je ovlivněna řadou faktorů, mezi ty hlavní patří kalibrace a správné čištění elektrody. Více se dozvíte v tomto článku o kalibraci a čištění senzorů ORP.
AquaAnalytics® je oficiálním zástupcem společnosti Hach v Rusku a zemích SNS. Pro více informací a rady, který ORP měřič je vhodný právě pro vaši aplikaci, nás kontaktujte způsobem, který vám vyhovuje.
Zastoupení v Rusku: +7 (495) 201-53-02 info@aquaanalytics.ru
Zastoupení v Uzbekistánu: +998 (90) 174-57-84 info@aquaanalytics-tekhnika.ru
