Без кейворда

В последние годы широкое распространение получило использование измерителей TDS (общего количества растворенных твердых веществ) для анализа чистоты пресной воды. Многие аквариумисты используют их для определения правильности работы систем очистки водопроводной воды, таких как обратный осмос (RO) или обратный осмос/деионизация (RO/DI), или необходимости замены деионизирующих смол.

Использование таких устройств, однако, не обходится без осложнений. Например, вопреки названию, эти приборы измеряют не все растворенные твердые вещества. Кроме того, существует множество различных единиц измерения, используемых в TDS-метрах. Хотя все они обозначаются как ppm (части на миллион), они все равно отличаются друг от друга, так же как градусы Цельсия отличаются от градусов Фаренгейта.

В этой статье описано, как работают эти измерители, что они обнаруживают и не обнаруживают, и что означают единицы измерения. В ней также даются некоторые советы о том, как лучше их использовать.

Принцип работы TDS-метра

TDS-метры в действительности являются измерителями электропроводности. Они работают путем подачи напряжения между двумя или более электродами. Положительно заряженные ионы (например, натрий, Na + ; кальций, Ca ++ ; магний, Mg ++ ; ион водорода, H + ; и т.д.) будут двигаться к отрицательно заряженному электроду, а отрицательно заряженные ионы (например, хлорид, Cl – ; сульфат, SO 4 – ; бикарбонат, HCO 3 – ; и т.д.) будут двигаться к положительно заряженному электроду (рис. 1). Поскольку эти ионы заряжены и движутся, они образуют электрический ток. Измерительный прибор отслеживает силу тока, проходящего между электродами, как показатель количества ионов в растворе. Подробную статью от производителя высококлассных измерительных приборов о теории измерения электропроводности можно найти здесь.

Рисунок 1 . Схема электрода проводимости, на которой показаны отрицательно заряженные анионы (синий), движущиеся к положительно заряженному электроду, положительно заряженные катионы (красный), движущиеся к отрицательно заряженному электроду, и нейтральные молекулы (желтый), не движущиеся вообще.

Что на самом деле определяет TDS-метр?

Поскольку TDS-метры часто используются для проверки “чистоты” воды, важно понимать, что они не определяют. Будучи замаскированными измерителями электропроводности, TDS-метры обнаруживают только подвижные заряженные ионы. Они не обнаруживают никаких нейтральных (незаряженных) соединений. К таким соединениям относятся сахар, спирт, многие органические вещества (включая многие пестициды и их остатки), а также объединенные формы кремнезема, аммиака и углекислого газа. Эти измерители также не обнаруживают макроскопические частицы, поскольку они слишком велики, чтобы двигаться в приложенном электрическом поле. Поэтому, если вы увидите “ржавую” на вид воду из-за частиц оксида железа, это не будет измерено. Не будет измерено и все остальное, что делает воду мутной. Бактерии и вирусы также не будут обнаружены.

Следовательно, термин “общее количество растворенных твердых веществ” – это не совсем точное определение. Термин “общее количество заряженных ионов”, вероятно, гораздо лучше подходит для того, что он измеряет. К счастью, измерение общего количества заряженных ионов достаточно хорошо подходит для многих аквариумных целей.

Помимо количества присутствующих ионов, измеренная электропроводность раствора зависит от того, какие ионы в нем присутствуют. В таблице 1 показана относительная проводимость, которая обеспечивается при наличии в воде равного количества различных ионов. Существуют различия между проводимостью различных ионов, и этот факт становится важным при обсуждении единиц, которые используются для измерения проводимости в последующих разделах.

Ионы с большим зарядом имеют более высокую проводимость, поскольку они не только несут больший заряд, но и сильнее реагируют на электрическое поле. Хорошими примерами этого являются сульфат (SO 4 — ) и кальций (Ca ++ ), которые имеют более высокую проводимость, чем натрий (Na + ) или хлорид (Cl – ). Другой эффект заключается в том, что более крупные ионы имеют тенденцию иметь большее “сопротивление” при движении через воду и, таким образом, имеют более низкую проводимость. При таких сравнениях необходимо учитывать плотно связанные молекулы воды, которые также увлекаются за собой, поэтому нельзя просто смотреть на молекулярный вес или ионный радиус. Это сопротивление из-за размера гидратированного иона является, например, причиной того, что литий (Li+ ) гораздо менее электропроводен, чем натрий, который, в свою очередь, менее электропроводен, чем калий (K+ ).

Катионы:
Относительная проводимость:
Анионы:
Относительная проводимость:

“Могу ли я просто использовать мультиметр для измерения проводимости?”

Нет. Несколько факторов делают невозможным точное измерение проводимости с помощью стандартного мультиметра. Размер и форма электродов имеют значение, но еще важнее то, что происходит на этих электродах. При подаче постоянного тока в морскую воду происходит множество реакций, когда ионы попадают на электроды. Некоторые ионы будут осаждаться на электродах, некоторые могут выделяться в виде газов, а сами электроды могут растворяться. Эти и другие эффекты изменяют природу раствора на электроде, влияя на измеряемую проводимость.

Как же зонды электропроводности обходят эту проблему? Они используют переменный ток, а не постоянный. При использовании полей, которые колеблются очень быстро, не происходит общего движения ионов к одному электроду или другому. Ионы движутся в одну сторону в течение крошечной доли секунды, а затем возвращаются в другую сторону в течение второй половины цикла. В целом, раствор и электроды остаются неизменными, и проводимость измеряется точно. Современные измерители проводимости используют сложные формы волны переменного тока, чтобы свести к минимуму дополнительные осложнения, такие как емкость, которая может помешать простым измерениям проводимости.

На практике коммерческие зонды проводимости имеют либо два, либо четыре электрода, причем четырехэлектродная версия более устойчива к загрязнению и другим эффектам, которые могут привести к ухудшению результатов измерения. Электроды изготавливаются из нереактивных материалов, таких как эпоксидная смола/графит, стекло/платина или нержавеющая сталь. Выбор зависит в первую очередь от характера тестируемого раствора, но практически любой коммерческий прибор подходит для водопроводной воды.

Влияет ли температура на измерение TDS?

Последняя сложность заключается в том, что проводимость ионов в воде зависит от температуры. Существует ряд факторов, вызывающих этот эффект, но один из них заключается в том, что ионы, естественно, быстрее перемещаются по мере нагревания. Когда одинаковое количество ионов движется быстрее, видимая проводимость увеличивается. Взаимосвязь между проводимостью и температурой сложна и зависит от исследуемого раствора.

Чистая вода довольно линейно реагирует на температуру: ее проводимость увеличивается на 4,55% на каждый градус Цельсия (2,5% на градус Фаренгейта). У растворов хлорида натрия изменения меньше – около 2,12% на градус Цельсия. В водопроводной и других природных водах содержится много различных ионов, и такие системы иногда нелинейно реагируют на изменение температуры, но обычно не в такой степени, как чистая вода.

По этой причине почти все кондуктометры одновременно измеряют проводимость и температуру. Затем внутренняя электроника учитывает температуру и обычно выдает значение, “скорректированное” с учетом того, какой была бы проводимость при стандартной температуре (25°C). Некоторые приборы используют фиксированную поправку (например, один производитель использует 2,1% на градус Цельсия, другой – 1,9% на градус Цельсия). Более дорогие приборы часто позволяют пользователю выбрать температурный коэффициент (я бы использовал около 2-3% на градус Цельсия для водопроводной воды). Другие даже позволяют использовать нелинейные поправки. Если ваш счетчик позволяет это сделать, я бы выбрал этот вариант, так как, скорее всего, это фиксированная поправка, оптимизированная для систем с пресной водой (часто называется nLF). Некоторые очень продвинутые измерительные приборы также позволяют использовать нелинейную коррекцию для сверхчистой воды. Если ваш измеритель использует одну из этих нелинейных коррекций, это будет четко указано в прилагаемом руководстве.

Короче говоря, поскольку кондуктометры обычно корректируют изменения температуры, проводимость образца воды может быть измерена независимо от температуры образца.

Что означают единицы измерения “промилле”?

Единицы измерения, которые используют TDS-метры, еще более запутаны, чем название TDS. Кондуктометры (включая TDS-метры) всегда работают, сначала измеряя проводимость. Проводимость в растворах всегда имеет единицы, относящиеся к сопротивлению. Часто эти единицы – мС/см (микросименсы на сантиметр), но для растворов с более высокой проводимостью обычно используются мС/см (миллисименсы на сантиметр) (например, нормальная морская вода имеет проводимость около 53 мС/см). Для сравнения, проводимость абсолютно чистой воды составляет 0,055 мС/см.

[Часто чистоту очень чистой воды представляют в единицах сопротивления, или Момах (мегаоммах). В таком случае абсолютно чистая вода имеет сопротивление 18 МОм, что составляет всего 1/проводимость в м С/см. Также, для любопытства, самая высокая известная проводимость водного раствора – у 31% азотной кислоты, 865 мСм/см]].

К сожалению, TDS-метры обычно не выдают результат в однозначных единицах электропроводности. Они преобразуют результаты измерения проводимости в другие единицы: части на миллион или ppm. Части на миллион – это то же самое, что мг/кг. Таким образом, эти устройства каким-то образом преобразуют единицу проводимости в единицу, основанную на весе. Проблема в том, что разные пользователи и разные устройства могут по-разному определять это преобразование.

Если вы выберете прибор, который считывает показания в мСм/см, то все проблемы, связанные с единицами измерения промилле, которые описаны ниже, могут быть устранены. Таким прибором является кондуктометр Pinpoint (рис. 2). Некоторые приборы позволяют отображать обе единицы измерения, хотя они обычно дороже, например, Oakton Con 200 (Рисунок 3).

Рисунок 2 . Измеритель проводимости Pinpoint.

Рисунок 3 . Измеритель электропроводности Oakton Con 200.

Настоящие TDS-метры (которые выдают показания только в единицах TDS, например, Oakton TDS Tester, показанный на рисунке 4) обычно преобразуют показания электропроводности в промилле концентрации какой-либо соли, которая даст такую же измеренную электропроводность. Например, прибор может быть настроен на выдачу в качестве выходного значения концентрации хлорида натрия (NaCl), которая обеспечит такую же проводимость. Таким образом, если прибор обнаружил 447 м С/см, он может вывести на дисплей значение 215,5 ppm, поскольку именно такая концентрация хлорида натрия обеспечивает такую же проводимость.

Рисунок 4 . Тестер TDS компании Oakton.

К сожалению, не существует единого точного преобразования между проводимостью и промилле NaCl, поскольку проводимость раствора хлорида натрия не является линейной в зависимости от концентрации (то есть, 20 промилле NaCl немного менее проводимы, чем вдвое больше 10 промилле NaCl, причины чего выходят за рамки этой статьи, но в некотором смысле, чем больше ионов в растворе, тем больше они мешают друг другу в плане восприятия напряжения и в плане движения в ответ на него). Тем не менее, для значений в диапазоне, измеряемом большинством TDS-метров, грубым преобразованием является то, что 1 ppm NaCl = 2,1 м S/см.

Теперь начинается настоящее веселье. Проблема с такими приборами, по крайней мере, если они тщательно не откалиброваны, заключается в том, что неясно, идет ли речь о ppm эквивалентов хлорида натрия или о чем-то другом. На самом деле хлорид калия (KCl) используется в качестве стандарта чаще, чем хлорид натрия. Кроме того, исследователи часто используют нечто под названием 442, что представляет собой смесь сульфата натрия (40%), бикарбоната натрия (40%) и хлорида натрия (20%). Смесь 442 разработана таким образом, чтобы имитировать ионы, часто присутствующие в природных пресноводных системах.

Все эти системы имеют немного разные соотношения между концентрацией (в промилле) и проводимостью (в м С/см). В таблице 2 приведены эти соотношения для некоторых коммерческих стандартов электропроводности, производимых компанией Oakton. Для многих аквариумных целей может не иметь большого значения, соответствует ли истинное значение 10 ppm NaCl или 10 ppm 442, но существует 30-70% разница в измеренной проводимости и, следовательно, в общем количестве присутствующих ионов. Следовательно, два аквариумиста, использующие разные измерительные приборы (которые могут использовать разные стандарты), могут получить существенно разные результаты на одной и той же воде. Конечно, если вы сами откалибруете измеритель (если это возможно, не все измерители можно откалибровать), а не примете заводскую калибровку, то вы устраните эту проблему, так как будете точно знать, что вы откалибровали.

Source: reefkeeping.com