Без кейворду

Використання вимірювачів “TDS” (загальний вміст розчинених речовин) для аналізу чистоти прісної води набуло широкого поширення в останні роки. Багато акваріумістів використовують їх для того, щоб визначити, чи правильно працюють системи очищення водопровідної води, такі як зворотний осмос (RO) або зворотний осмос/деіонізація (RO/DI), або чи потрібно замінити деіонізуючі смоли.

Використання таких пристроїв, однак, не обходиться без ускладнень. Всупереч тому, що може випливати з назви, наприклад, ці пристрої не вимірюють всі розчинені тверді речовини. Існує також багато різних одиниць виміру, що використовуються з TDS-метрами. Хоча всі вони позначаються як ppm (частин на мільйон), вони все ще відрізняються, так само як градуси Цельсія відрізняються від градусів Фаренгейта.

У цій статті описано, як працюють ці лічильники, що вони виявляють і не виявляють, і що означають одиниці виміру. Він також дає кілька порад про те, як їх найкраще використовувати.

Як працює TDS-метр

Вимірювачі TDS – це, по суті, вимірювачі провідності. Вони працюють шляхом подачі напруги між двома або більше електродами. Позитивно заряджені іони (наприклад, натрій, Na +; кальцій, Ca ++; магній, Mg ++; іон водню, H +; і т.д.) будуть рухатися до негативно зарядженого електрода, а негативно заряджені іони (наприклад, хлорид, Cl -; сульфат, SO 4 -; бікарбонат, HCO 3 -; і т.д.) будуть рухатися до позитивно зарядженого електрода (малюнок 1). Оскільки ці іони заряджені і рухаються, вони утворюють електричний струм. Потім вимірювач відстежує, скільки струму проходить між електродами, як показник кількості іонів у розчині. Детальну статтю від виробника висококласних вимірювачів про теорію вимірювання провідності можна знайти тут.

Малюнок 1. Схема електрода провідності, що показує негативно заряджені аніони (синій), що рухаються до позитивно зарядженого електрода, позитивно заряджені катіони (червоний), що рухаються до негативно зарядженого електрода, і нейтральні молекули (жовтий), що не рухаються взагалі.

Що насправді виявляє TDS-метр?

Оскільки TDS-метри часто використовуються для перевірки “чистоти” води, важливо розуміти, що вони не виявляють. Як замасковані кондуктометри, TDS-метри виявляють тільки рухомі заряджені іони. Вони не виявлять жодних нейтральних (незаряджених) сполук. До таких сполук відносяться цукор, алкоголь, багато органічних речовин (включаючи багато пестицидів та їх залишки), а також об’єднані форми діоксиду кремнію, аміак і вуглекислий газ. Ці лічильники також не виявляють макроскопічні частинки, оскільки вони занадто великі, щоб рухатися в електричних полях. Тому, якщо ви бачите “іржаву” на вигляд воду з частинок оксиду заліза, це не буде виміряно. Так само, як і все інше, що робить воду каламутною. Бактерії та віруси також не будуть виявлені.

Отже, термін “загальний вміст розчинених твердих речовин” насправді є досить неправильним. “Загальна кількість заряджених іонів”, ймовірно, є набагато кращим терміном для того, що він вимірює. На щастя, вимірювання загальної кількості заряджених іонів є досить хорошим для багатьох акваріумних цілей.

На додаток до кількості присутніх іонів, виміряна провідність розчину також є функцією того, які іони насправді присутні. У таблиці 1 показана відносна провідність, яка забезпечується, коли у воді присутня рівна кількість різних іонів. Існують відмінності між провідністю різних іонів, і цей факт стає важливим при обговоренні одиниць, які використовуються для провідності в наступних розділах.

Іони з більш високими зарядами, як правило, мають більш високу провідність, оскільки вони не тільки несуть більший заряд, але й сильніше реагують на електричне поле. Хорошими прикладами цього є сульфат (SO 4 –) і кальцій (Ca ++ ), які мають більш високу провідність, ніж натрій (Na + ) або хлорид (Cl – ). Інший ефект полягає в тому, що більші іони, як правило, мають більший “опір” при русі через воду, і, таким чином, мають нижчу провідність. У таких порівняннях потрібно враховувати міцно зв’язані молекули води, які також тягнуться за собою, тому не можна просто дивитися на молекулярну масу або іонні радіуси. Цей опір, зумовлений розміром гідратованого іона, є, наприклад, причиною того, що літій (Li+) набагато менш провідний, ніж натрій, який, у свою чергу, менш провідний, ніж калій (K+).

Катіони:
Відносна провідність:
Аніони:
Відносна провідність:

“Чи можу я просто використовувати мультиметр для вимірювання провідності?”

Ні. Кілька факторів унеможливлюють точне вимірювання провідності за допомогою стандартного мультиметра. Розмір і форма електродів мають велике значення, але більш важливим є те, що відбувається на цих електродах. Якщо на морську воду подати постійний струм, то при попаданні іонів на електроди відбуваються численні реакції. Деякі іони осідають на електродах, деякі можуть виділятися у вигляді газів, а самі електроди можуть розчинятися. Ці та інші ефекти служать для зміни природи розчину на електроді, впливаючи на вимірювану провідність.

Так як же датчики провідності обходять цю проблему? Вони використовують змінний струм, а не постійний. Використовуючи поля, які коливаються дуже швидко, не відбувається загального руху іонів до того чи іншого електрода. Іони рухаються в один бік протягом крихітної частки секунди, а потім повертаються в інший бік протягом другої половини циклу. В цілому, розчин і електроди залишаються незмінними, а провідність точно вимірюється. Сучасні кондуктометри використовують складні форми хвиль змінного струму для мінімізації додаткових ускладнень, таких як ємність, яка може заважати простим вимірюванням провідності.

На практиці комерційні зонди провідності мають або два, або чотири електроди, причому версія з чотирма електродами є більш стійкою до забруднення та інших впливів, які можуть спричинити погіршення результатів вимірювання. Електроди виготовляються з нереактивних матеріалів, таких як епоксидна смола/графіт, скло/платина або нержавіюча сталь. Вибір залежить, в першу чергу, від природи розчину, що тестується, але майже будь-який комерційний прилад підійде для водопровідної води.

Чи впливає температура на вимірювання TDS?

Останнє ускладнення полягає в тому, що провідність іонів у воді залежить від температури. Існує ряд факторів, які викликають цей ефект, але одним з основних є те, що іони, природно, рухаються швидше, коли вони стають теплішими. Коли однакова кількість іонів рухається швидше, видима провідність збільшується. Взаємозв’язок між провідністю і температурою складний і залежить від розчину, який тестується.

Чиста вода реагує на температуру досить лінійно, її провідність зростає на 4,55% на кожен градус за Цельсієм (2,5% на градус за Фаренгейтом). Розчини хлориду натрію мають меншу зміну, близько 2,12% на градус за Цельсієм. Водопровідна та інші природні води містять багато різних іонів, і такі системи іноді нелінійно реагують на зміну температури, але, як правило, не в такій мірі, як чиста вода.

З цієї причини майже всі кондуктометри одночасно вимірюють провідність і температуру. Потім внутрішня електроніка враховує температуру і, як правило, надає значення, яке “коригується” до того, якою була б провідність при стандартній температурі (25°C). Деякі використовують фіксовану поправку (наприклад, один виробник використовує 2,1% на градус Цельсія, інший – 1,9% на градус Цельсія). Більш дорогі прилади часто дозволяють користувачеві вибрати температурний коефіцієнт (я б використовував близько 2-3% на градус за Цельсієм для водопровідної води). Інші навіть дозволяють використовувати нелінійні поправки. Якщо Ваш лічильник дозволяє це, я б обрав цей варіант, оскільки це, швидше за все, фіксована поправка, яка оптимізована для систем з прісною водою (часто називається nLF). Деякі дуже вдосконалені лічильники також дозволяють нелінійну корекцію для надчистої води. Якщо ваш лічильник використовує будь-яку з цих нелінійних поправок, це буде чітко зазначено в інструкції, що додається до нього.

Коротше кажучи, оскільки кондуктометри зазвичай вносять поправку на зміну температури, провідність зразка води може бути виміряна незалежно від температури зразка.

Що означають одиниці “ppm”?

Одиниці вимірювання, які використовують TDS-метри, ще більш заплутані, ніж назва TDS. Кондуктометри (в тому числі TDS-метри) завжди працюють, спочатку вимірюючи провідність. Провідність в розчинах завжди має одиниці, які відносяться до опору. Часто такими одиницями є м См/см (мікросіменс на сантиметр), але для розчинів з більш високою провідністю зазвичай використовується мСм/см (мілісіменс на сантиметр) (наприклад, звичайна морська вода має провідність близько 53 мСм/см). Для порівняння, провідність абсолютно чистої води становить 0,055 м См/см.

[Примітка: Часто чистоту дуже чистої води представляють в одиницях опору, або Момах (мегаомах). В такому випадку абсолютно чиста вода має опір 18 МОм, що складає всього лише 1/провідності в м См/см. Також, для цікавості, найвища відома провідність водного розчину – це провідність 31% азотної кислоти, яка становить 865 мСм/см]].

На жаль, TDS-метри, як правило, не надають результат в однозначних одиницях провідності. Вони внутрішньо перетворюють вимірювання провідності в інші одиниці: частини на мільйон або проміле. Частини на мільйон – це те ж саме, що і мг/кг. Таким чином, ці прилади якимось чином перетворюють одиницю провідності в одиницю, засновану на вазі. Проблема полягає в тому, що різні користувачі та різні прилади можуть по-різному визначати це перетворення.

Якщо ви виберете вимірювач, який зчитує в мСм/см, то всі занепокоєння щодо одиниць проміле, які описані нижче, можуть бути усунені. Кондуктометр Pinpoint Conductivity є таким приладом (Рисунок 2). Деякі прилади дозволяють відображати обидві одиниці, хоча вони, як правило, дорожчі, наприклад, Oakton Con 200 (рис. 3).

Рисунок 2. Кондуктометр Pinpoint.

Рисунок 3 . Кондуктометр Oakton Con 200.

Справжні TDS-метри (які дають результат тільки в одиницях TDS, такі як Oakton TDS Tester, показаний на рисунку 4) зазвичай перетворюють показання провідності в концентрацію солі в проміле, яка дасть таку ж виміряну провідність. Наприклад, він може бути налаштований на видачу на виході концентрації хлориду натрію (NaCl), яка дасть таку саму провідність. Таким чином, якщо прилад виявив 447 м S/см, він може відобразити це як 215,5 ppm, оскільки це концентрація хлориду натрію, яка дає таку ж саму провідність.

Малюнок 4. Тестер TDS Oakton.

На жаль, не існує єдиного точного перетворення між провідністю і ppm NaCl, оскільки провідність розчину хлориду натрію не є лінійною з концентрацією (тобто 20 ppm NaCl трохи менш провідний, ніж вдвічі менше, ніж 10 ppm NaCl, причини цього виходять за рамки цієї статті, але в певному сенсі, чим більше іонів в розчині, тим більше вони заважають один одному з точки зору відчуття напруги, і з точки зору руху у відповідь на нього). Тим не менш, для значень в діапазоні, що сприймається більшістю TDS-метрів, груба конвертація полягає в тому, що 1 ppm NaCl = 2,1 м S/см.

Тепер починається найцікавіше. Проблема з такими приладами, принаймні, коли вони не ретельно відкалібровані, полягає в тому, що незрозуміло, чи йдеться про проміле еквівалентів хлориду натрію, чи про щось інше. Хлорид калію (KCl) насправді використовується як стандарт частіше, ніж хлорид натрію. Крім того, дослідники часто використовують щось під назвою 442, що є сумішшю сульфату натрію (40%), бікарбонату натрію (40%) і хлориду натрію (20%). Суміш 442 призначена для імітації іонів, які часто присутні в природних системах прісної води.

Всі ці системи мають дещо різні співвідношення між концентрацією (в проміле) та провідністю (в м См/см). У таблиці 2 показано цей взаємозв’язок для деяких комерційних стандартів провідності, виготовлених компанією Oakton. Для багатьох акваріумних цілей може не мати великого значення, чи відповідає дійсне значення 10 ppm NaCl або 10 ppm 442, але існує 30-70% різниця у виміряній провідності і, отже, у загальній кількості присутніх іонів. Отже, два акваріумісти, які використовують різні лічильники (які можуть використовувати різні стандарти), можуть отримати суттєво різні результати на одній і тій же воді. Звичайно, якщо ви відкалібруєте лічильник самостійно (якщо це можливо, не всі лічильники можна відкалібрувати), замість того, щоб прийняти заводське калібрування, то ви усунете цю проблему, оскільки ви точно знаєте, з чим ви калібрували.

Source: reefkeeping.com