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pH/ORP復合式電極的工作原理與結構解析

更新時間:2025-10-22      點擊次數:4
  PH/ORP復合式電極是水質監測、生化反應及工業過程控制中的核心傳感器,通過單支電極同時測量溶液的酸堿度(pH)與氧化還原活性(ORP),其工作原理與精密結構設計密不可分。
 
  一、核心工作原理:
 
  1.pH測量原理:基于氫離子(H?)選擇性響應的能斯特方程。電極敏感膜(通常為玻璃膜,含Na?O-SiO?-CaO成分)與溶液接觸時,膜內外表面因H?濃度差異形成電位差(膜電位),其大小符合能斯特公式:E=E?+(2.303RT/F)×lg[H?](25℃時簡化為E=E?-0.0591pH)。其中,E?為標準電位,R為氣體常數,T為絕對溫度,F為法拉第常數。參比電極(如Ag/AgCl電極)提供穩定的參比電位(通常為0.197V 25℃),與玻璃膜電位組成原電池,通過測量電動勢差值計算pH值。
 
  2.ORP測量原理:反映溶液中氧化劑與還原劑的相對濃度,通過測量溶液與參比電極間的氧化還原電位差實現。ORP電極通常采用鉑金(Pt)或金(Au)惰性金屬作為感應元件,當其與溶液接觸時,溶液中的氧化還原物質(如Fe³?/Fe²?、O?/H?O)在鉑表面發生電子轉移,形成與氧化還原電位相關的電勢差(E=E?+(RT/nF)×ln(氧化態/還原態))。復合電極將ORP電位與pH電位通過電路分離,分別輸出信號。

 


 
  二、精密結構解析:
 
  復合式電極采用“雙功能集成”結構,通常由以下核心部件組成:
 
  1.pH敏感玻璃膜:位于電極頂端,為半球形或平頭結構(根據測量需求選擇),厚度約0.1mm。其表面經過特殊處理(如拋光或涂層),確保對H?的高選擇性(僅響應H?,忽略其他陽離子干擾),同時具備機械強度(耐磨損)。玻璃膜內部填充內參比溶液(通常為0.1mol/L HCl或3.3mol/L KCl,含固定H?濃度),通過Ag/AgCl內參比電極與玻璃膜形成穩定的pH測量回路。
 
  2.ORP感應元件:多為直徑1-3mm的鉑金圓盤(或金片),嵌入電極側面或頂端(與pH膜間隔絕緣)。鉑表面光滑且化學惰性,不會參與氧化還原反應,僅作為電子傳遞媒介,捕捉溶液中氧化還原物質的電子轉移信號。
 
  3.參比系統:包括外參比電極(通常為Ag/AgCl電極)與鹽橋(多孔陶瓷或纖維材質)。外參比電極浸泡在外參比溶液(3.3mol/L KCl凝膠或液體)中,通過鹽橋與被測溶液形成離子通路(允許K?、Cl?擴散平衡電位,阻止溶液直接混合)。鹽橋的微孔結構(孔徑1-10μm)既保證離子交換速率,又防止溶液污染參比電極。
 
  4.電極桿與連接頭:電極桿(通常為玻璃或塑料材質)用于支撐內部組件,外部為耐腐蝕材料(如PPS塑料);連接頭(如BNC或DIN接口)將電極信號傳輸至pH/ORP計,內部包含導線(pH信號線、ORP信號線、參比電極線)與絕緣層(避免信號干擾)。部分復合電極集成溫度傳感器(如PT100),用于自動溫度補償(因pH與ORP均受溫度影響)。
 
  三、協同工作優勢:單支電極同時輸出pH與ORP信號,避免了分體式電極的安裝誤差(如兩點距離偏差),簡化了測量流程(無需頻繁更換電極),尤其適合需要同步監測酸堿度與氧化還原活性的場景(如污水處理曝氣池、生物反應器)。通過精密的結構設計與電化學原理的結合,pH/ORP復合式電極成為環境監測與工業控制中關鍵的“智能感官”。
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