2.2.1. Nguyên lý đo của cảm biến pH
Điện cực thủy tinh bao gồm hai điện cực, một điện cực màng thủy tinh (glass electrode) và một điện cực chuẩn (reference electrode), cả hai điện cực đƣợc nhúng vào dung dịch cần đo pH.Sự khác biệt của pH bên trong và bên ngoài màng thủy tinh tạo ra một suất điện động. Dung dịch bên trong của điện cực thủy tinh tiếp xúc với điện cực chuẩn thƣờng đƣợc chọn là KCl 3M có pH = 7 khơng đổi.Nhƣ vậy, suất điện động tạo ra ở điện cực màng thủy tinh liên hệ trực tiếp với giá trị pH của dung dịch cần đo.
Hình 21: Nguyên lý đo pH bằng điện cực thủy tinh [27]
Điện cực pH đƣợc cấu tạo bởi hai loại thủy tinh.Thân điện cực đƣợc làm bằng loại thủy tinh không dẫn điện, đầu điện cực thƣờng có dạng hình cầu và cấu tạo bởi thủy tinh gồm các oxit silica, lithium, canxi và các nguyên tố khác cho phép ion Lithium (𝐿𝑖+) xuyên qua.Cấu trúc của điện cực thủy tinh cho phép ion Lithium (𝐿𝑖+) trao đổi với ion Hidro (𝐻+) trong chất lỏng tạo thành lớp thủy hợp.Một điện
ngoài. Độ lớn của điện thế này phụ thuộc vào giá trị pH của dung dịch. Độ khác nhau của điện thế tạo ra bởi lớp bên ngoài và lớp thủy hợp bên trong điện cực có thể đo bằng điện cực bạc (Ag)/bạc chloride (AgCl).
Công thức Nernst [9]
Suất điện động của điện cực thủy tinh thay đổi theo thang loragit tùy theo nồng độ ion Hidro (𝐻+) đƣợc xác định bởi công thức Nersnt:
E = 𝐸0+ 0.059log[𝐻+] hay E = 𝐸0− 0.059pH (10)
Trong đó: E là điện thế đo đƣợc (Volts); 𝐸0 là điện thế chuẩn (Volts); 𝐻+ là nồng độ ion Hidro (mol/L).
Giá trị “0.059” là hằng số Nernst, thay đổi theo nhiệt độ. Ở 25℃ hằng số Nernst là 0.059 và ở 80℃ là 0.070.
Trong luận văn này, điện cực thủy tinh Hana 1110B đƣợc sử dụng để đo pH của dung dịch, đây là điện cực sử dụng Ag/AgCl làm điện cực chuẩn, dung dịch chuẩn là gel và không cần đổ thêm.
2.2.2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống đo pH
Hệ thống đo pH đƣợc thiết kế trong luận văn này hoạt động dựa trên nguyên lý hoạt động của điện cực pH.
Điện cực Hanna 1110B là điện cực pH chế tạo theo cấu trúc của điện cực kết hợp hay còn gọi là điện cực kép, bao gồm điện cực màng thủy tinh và điện cực chuẩn nhƣ đã đƣợc trình bày chi tiết ở phần 2.2.1 và phần 1.4.2, điện cực kết hợp có cấu tạo nhƣ Hình 7.
Dựa trên cơng thức Nernst, ta có hàm chuyển đổi của điện cực pH là: [33] pH(X) = pH(S) + 𝐸𝑆−𝐸𝑋 𝐹
𝑅𝑇𝑙𝑛 10 (11) Trong đó pH(X) là pH của dung dịch cần đo (X); pH(S) là pH của dung dịch chuẩn (dung dịch bên trong điện cực và ph = 7); 𝐸𝑆 là điện thế của điện cực chuẩn;
𝐸𝑋 là điện thế của điện cực đo giá trị pH; F là hằng số Faraday và F = 9.6485309×
104𝐶𝑚𝑜𝑙−1; R là hằng số khí lý tƣởng và R = 8.314510𝐽𝐾−1𝑚𝑜𝑙−1; T (K) là nhiệt độ tính theo thang Kelvin.
Hình 22: Điện cực pH [33]
Một chú ý quan trọng cần xét đến đó là độ nhạy của cảm biến pH phụ thuộc vào nhiệt độ.Dựa vào hàm chuyển đổi của điện cực pH ta có độ nhạy của cảm biến phụ thuộc tuyến tính vào nhiệt độ, và đƣợc tính theo cơng thức sau: [33]
S = 𝑅𝑇𝑙𝑛 10𝐹 = 0.000198𝑇 (V/pH) (12)
Hình 23 và hình 24 cho thấy pH của dung dịch tăng thì điện thế sản sinh ra và đƣợc đo bởi điện cực pH giảm theo đồ thị tuyến tính.
Hình 23: Hàm chuyển đổi của điện cực pH [33].Hình 24: Thang pH và giá trị điện thế [33].