Chơng 6
Đo một số chỉ tiêu công nghệ

Trong công nghiệp luyện kim nhiều trờng hợp phải đo một số chỉ tiêu công
nghệ nh độ pH, nồng độ chất điện ly, tỷ trọng, độ ẩm, mức chất lu Trong
chơng này trình bày nguyên tắc đo và thiết bị đo cơ bản dùng để đo một số chỉ tiêu
công nghệ thờng gặp.
6.1. Đo nồng độ ion H
+

6.1.1. Nguyên lý đo
ở điều kiện bình thờng, nớc phân ly không đáng kể, phơng trình phân ly:

[]
[ ] [ ]
+
+ OHHHOH

Hằng số phân ly:

[ ][ ]
[]
HOH
OH.H
K
+
=

Đối với nớc nguyên chất K = 10
-14
.

Do
và
[]
1HOH
[ ] [ ]
+
= OHH
nên
[ ]
7
10H
+
=
.
Độ pH của nớc nguyên chất:

[ ]
7HlgpH ==
+

Dung dịch có độ pH = 7 là dung dịch trung tính, pH > 7 là dung dịch có tính kiềm,
pH < 7 là dung dịch có tính axít.
Nguyên lý đo nồng độ H
+
dựa trên cơ sở: nếu nhúng một thanh kim loại vào
dung dịch muối sẽ sinh ra một hiệu thế gọi là thế điện cực:

cln
nF
RT

Cln
nF
RT
E =
(6.1)
Trong đó:
F- hằng số farađây ( F = 16.500 [C]).
C - nồng độ ion trong kim loại.
c - nồng độ ion trong dung dịch muối.
n - hóa trị của kim loại.
Thông thờng nồng độ ion trong kim loại hầu nh không đổi, công thức (6.1)
có thể viết:

-85-

cln
nF
RT
EE
0
=
(6.2)
Từ công công thức (6.2) nhận thấy: thế điện cực phụ thuộc bản chất kim loại,
nhiệt độ và nồng độ ion trong dung dịch. Nếu biết thế điện cực ta có thể xác định
đợc nồng độ ion trong dung dịch. Tuy nhiên, trong thực tế không thể đo trực tiếp
thế điện cực, do vậy để đo nồng độ [H
+
] ngời ta đo hiệu điện thế giữa cực đo nhúng
trong dung dịch cần đo và cực so sánh nhúng trong dung dịch đã biết trớc nồng độ.
6.1.2. Thiết bị đo

a) Điện cực
Bộ phận cơ bản của thiết bị đo nồng độ [H
+
] là các điện cực gồm điện cực so
sánh và điện cực đo.
Để làm điện cực so sánh thờng dùng điện cực calomen (hình 6.1a), gồm dây
platin (1), nút (2), bình thủy tinh (3), lớp thủy ngân kim loại Hg (4), lớp calomen
Hg
2
Cl
2
(5), lớp bông (6), dung dịch KCl (7) và nút (8), (9). Lớp bề mặt phản ứng của
điện cực là bề mặt tiếp xúc Hg - Hg
2
Cl
2
.




4
2
1
3
3

3
4
5

6
7
9
8
2
1
2

5


1

c)
b)
a)

Hình 6.1 Sơ đồ cấu tạo điện cực đo [H
+
]
a) Điện cực so sánh b) Điện cực đo c) Điện cực màng thủy tinh


Hằng số phân ly:

[ ] [ ]
[]
22
22
ClHg

Cl.Hg
K
++
=


-86-
Do
[
ổn định và
]
22
ClHg
[ ]

Cl
đợc giữ không đổi nhờ sự bổ sung từ dung
dịch KCl nên điện thế điện cực luôn cố định.
Điện cực đo thờng sử dụng điện cực kim loại (platin, vàng, bạc, thủy ngân).
Chúng có cấu tạo (hình 6.1b) gồm một que kim loại (1) đặt trong một ống thủy tinh
hoặc polime bảo vệ (2), phần dới của que (gọi là phần nhạy cảm) không bị che
chắn để có thể tiếp xúc với dung dịch. Điện cực đợc nối điện ra ngoài bằng cáp
điện (3).
Khi đo pH ngời ta thờng dùng điện cực đo màng thủy tinh (hình 6.1c). Cấu
tạo của điện cực gồm: dây bạch kim (1), nút (2), bình thủy tinh có đáy mỏng hình
cầu (3), dung dịch KCl (4), lớp bọc AgCl (5). Phần tử nhạy cảm của điện cực là
màng thủy tinh mỏng hình cầu chế tạo từ thủy tinh đặc biệt có tính dẫn điện yếu, khi
đặt trong dung dịch chứa [H
+
], điện thế trên mặt phân cách phụ thuộc vào hoạt độ

của các ion [H
+
]:

+
+=
H
'
0
aln
F
RT
EE

b) Sơ đồ hệ thống đo
Tùy theo yêu cầu sử dụng ngời ta dùng sơ đồ đo khác nhau.
Trong sơ đồ hình 6.2, sử dụng dụng cụ đo thứ cấp là milivôn kế, gồm bình
chứa dung dịch cần đo (1), điện cực so sánh (2) điện cực đo (3), bộ khuếch đại (4),
milivôn kế (5), điện trở bù nhiệt độ R
t
. Hiệu điện thế giữa cực đo và điện cực so
sánh qua bộ khuếch đại đợc đa trực tiếp vào đồng hồ đo.

R
1
R
4
R
t
2

1
3

5





Hình 6.2 Sơ đồ hệ thống đo [H+] dùng milivôn kế
1) Dung dịch cần đo 2) Điện cực so sánh 3) Điện cực đo
4) Bộ khuếch đại 5) Milivôn kế 6) Điện trở bù



-87-
Để bù ảnh hởng của nhiệt độ ngời ta lắp vào mạch đo điện trở bù R
t
. Do thế
điện cực của điện cực đo có điện trở lớn (cỡ hàng chục M) nên dụng cụ đo thứ cấp
phải có điện trở vào lớn.
Trong sơ đồ hình 6.3, sử dụng hệ thống đo tự động. Hệ thống đo gồm bể chứa
dung dịch cần đo [H
+
] (1), điện cực đo (2), điện cực so sánh (3), khuếch đại (4),
động cơ xoay chiều (5) và hai cầu cân bằng (6), (7). Khi đo, hiệu điện thế giữa điện
cực đo và điện cực so sánh tạo ra tín hiệu sai lệch V, qua bộ khuếch đại (4) làm
quay động cơ (5), con chạy biến trở R liên độmg với động cơ quay theo cho đến khi
sai lệch điện áp bằng 0 thì động cơ ngừng quay. Điện trở R
t

dùng để bù ảnh hởng
của nhiệt độ.


2
1
3
R
R
1
R
2
R
t
R
5
7
R
4
R
5
R
3
5




6


V
4







Hình 6.3 Hệ thống đo [H
+
] tự động
1) Dung dịch cần đo 2) Điện cực đo 3) Điện cực so sánh 4) Khuếch đại
5) Động cơ xoay chiều 6&7) Cầu cân bằng



6.2. Đo nồng độ chất điện ly
6.2.1. Nguyên lý đo
Đo nồng độ chất điện ly dựa trên nguyên lý đo độ dẫn điện của dung dịch
chứa chất điện ly. Độ dẫn điện của một chất điện ly phụ thuộc:

-88-
+ Bản chất, độ phân ly và nồng độ chất điện ly.
+ Nhiệt độ của dung dịch.
Độ dẫn điện điện riêng của một chất trong dung dịch xác định theo công thức:

(.cm)
à= ..
-1

(6.3)
Trong đó:
à - nồng độ đơng lợng của dung dịch.
- mức độ điện ly.
- độ dẫn điện đơng lợng của dung dịch.
Quan hệ giữa nồng độ đơng lợng (à) và áp suất thấm thấu (p) có dạng:

6
10.
p


=à
(6.4)
Trong đó là trọng lợng đơng lợng của chất hòa tan.
Từ (6.3) và (6.4) ta có:

6
10..
p.




=
(6.5)
Độ dẫn điện cũng phụ thuộc vào nhiệt độ, quan hệ phụ thuộc có dạng:

( )
[]

00t
tt1. +=

Trong đó:

t
,
0
- là độ dẫn điện của chất điện ly ở nhiệt độ t và t
0
.
- hệ số phụ thuộc bản chất dung dịch và nhiệt độ, trong khoảng 0 - 30
o
C, giá
trị của nh sau:
Dung dịch axit: = 0,017.
Dung dịch kiềm: = 0,019.
Dung dịch muối: = 0,023.
Nh vậy ở một nhiệt độ nhất định, độ dẫn điện của dung dịch chỉ phụ thuộc
nồng độ dung dịch
. Đo độ dẫn điện của dung dịch ta có thể xác định đợc
nồng độ chất điện ly trong dung dịch.
()
cf=
6.2.2. Thiết bị đo
Sơ đồ hệ thống đo nồng độ chất điện ly trình bày trên hình (6.4).

-89-
Trong sơ đồ, để tránh hiện tợng điện phân dùng nguồn cấp là nguồn xoay
chiều, điện trở R

4
dùng để hạn chế dòng qua dung dịch, R
t
là điện trở bù ảnh hởng
của nhiệt độ. Tín hiệu đo là dòng xoay chiều lấy từ cầu cân bằng (3) qua bộ chỉnh
lu (4) tới điện thế kế (5).












4
2
1
R
t
R
4
R
3
R
2


5
R
1
3
Hình 6.4 Sơ đồ hệ thống đo nồng độ chất điện ly
1) Dung dịch cần đo 2) Bản cực 3) Cầu điện trở
4) Bộ chỉnh lu 5) Điện thế kế
6.3. Đo tỉ trọng
6.3.1. Phơng pháp đo theo áp suất
Phơng pháp đo tỉ trọng thông qua đo áp suất dựa trên cơ sở:

H.p =

Trong đó:
p - áp suất tại điểm đo.
H - chiều cao cột chất lỏng.
Khi cố định H thì p phụ thuộc tỉ trọng .
Sơ đồ hệ thống đo trình bày trên hình 6.5.
Nguyên lý hoạt động: khí nén đi qua các buồng lọc (4) vào hai ống dẫn đặt
trong dung dịch cần đo tỉ trọng (4) và thoát ra ngoài. Do miệng ống bên trái và bên
phải đặt lệch nhau một khoảng H
0
nên áp suất khí ở hai nhánh chênh lệch một
lợng:


0
H.p =
Do H
o

cố định nên hiệu áp p chỉ phụ thuộc tỉ trọng () của dung dịch.

-90-
Để đo hiệu áp dùng áp kế chữ U (3) và áp kế vành khuyên (1). Bộ biến đổi
điện (2) dùng để truyền kết quả đi xa.

p=H
1
2
3
4
5
H
0







Khí nén


4








Hình 6.5 Sơ đồ hệ thống đo tỉ trọng theo áp suất
1) áp kế vành khuyên 2) Bộ biến đổi điện 3) áp kế chữ U
4) Bộ lọc 5) Dung dịch cần đo tỉ trọng


6.3.2. Phơng pháp dùng đồng vị phóng xạ
Phơng pháp đo tỉ trọng bằng đồng vị phóng xạ dựa trên cơ sở: Tia của chất
đồng vị phóng xạ Co
60
đi qua một môi trờng thì bị môi trờng đó hấp thụ, lợng
bức xạ bị hấp thụ phụ thuộc bản chất môi trờng và chiều dày mà tia đi qua. Trong
môi trờng là dung dịch nếu có chứa những ion kim loại nặng hoặc vonfram thì kết
quả đo sẽ bị ảnh hởng. Phơng pháp này thờng dùng đo mật độ vật liệu dạng bùn.
Sơ đồ hệ thống đo trình bày trên hình 6.6.
Nguyên lý hoạt động: Luồng bức xạ đi từ nguồn phát (1) qua môi trờng đo (2)
bị môi trờng hấp thụ một phần, phần còn lại đến bộ thu (3). Tơng tự luồng xạ đi

-91-