Redoxmeter (ORP-meter)

Redoxreacties Redoxreacties bestaan altijd uit twee halfreacties: een oxidatiereactie en een reductiereactie. In de oxidatiehalfreactie staat de reductor (Engels: reductant of reducing agent) elektronen af. In de reductiehalfreactie neemt de oxidator (oxidant of oxidising agent) elektronen op. Een voorbeeld De begrippen reductie, oxidatie, reductor en oxidator kunnen verwarrend zijn. Daarom hier eerst een voorbeeld van een bekende redoxreactie: het roesten van staal (ijzer) wanneer het aan het oppervlak in contact komt met water en zuurstof. In water met een pH < 7 (zuur) ziet deze reactie er als volgt uit: 2Fe + O2 + 4H+ → 2Fe2+ + 2H2O De twee redoxhalfreacties hierbij zijn: Oxidatie: ijzer (de reductor) oxideert en staat elektronen af: Fe → Fe2+ + 2e− Reductie: zuurstof (de oxidator) neemt elektronen op en reduceert met waterstofionen tot water: O2 + 4e- + 4H+ → 2H2O (IJzer(II)ionen reageren daarna met nog meer zuurstof om ijzeroxide Fe2O3 te vormen. Dat is in dit voorbeeld niet verder uitgewerkt.) Oxidatie-reductiepotentiaal (ORP) De oxidatie-reductiepotentiaal (ORP) van het water is een eigenschap die afhangt van de verschillende reductoren en oxidatoren die in het water zijn opgelost. De ORP bepaalt de verhouding tussen geoxideerde en gereduceerde vormen van een stof in het water. De oxidatie-reductiepotentiaal wordt uitgedrukt in volt (V) of millivolt (mV) ten opzichte van een standaard reductiereactie van waterstof (2H+ + 2 e− → H2), die per definitie een potentiaal heeft van 0 millivolt. Is de ORP in het water hoog, dan neemt het gemakkelijk elektronen op (oxidatie). Is de ORP in het water laag, dan staat het gemakkelijk elektronen af. (Drinkwater met een lage ORP-waarde wordt daarom ook wel antioxidant water genoemd.) Waarom ORP meten? De ORP-waarde zegt veel over de waterkwaliteit, vooral over de bacteriële activiteit in het water. Bij veel bacteriële activiteit en de bijbehorende stofwisseling daalt de ORP. Een heel hoge ORP is juist schadelijk voor bacteriën in water. Een hoge ORP is bijvoorbeeld te realiseren door een sterke oxidator zoals chloor aan het water toe te voegen. Bij een ORP van 650 tot 700 mV groeien er nagenoeg geen bacteriën meer, dit is dan ook een streefwaarde voor zwemwater. Een ORP-meting kan uitwijzen of genoeg chloor aan zwemwater is toegevoegd. Ruw afvalwater heeft een negatieve ORP, tussen -50 en -400 mV. Afvalwater vormt dus een reducerend milieu, anders gezegd: staat gemakkelijk elektronen af. Tijdens het zuiveringsproces op de rwzi vinden nitrificatie (omzetting van ammonium naar nitriet en nitraat door bacteriën) en denitrificatie (omzetting van nitraat naar stikstofgas) plaats. Door te beluchten wordt zuurstof (ook een sterke oxidator) aan het water toegevoegd en daarmee stijgt de ORP. Figuur A laat zien dat de nitrificatie plaatsvindt met een ORP tussen 100 en 350 mV. De daaropvolgende denitrificatie vindt plaats met de afwezigheid van zuurstof en een ORP rond 0 mV. De gemonitorde ORP-waarde is dus een belangrijke sturingsparameter voor de behandeling van afvalwater, in het bijzonder voor het optimaliseren van het nitrificatie- en denitrificatieproces. Figuur A Processen in afvalwater bij verschillende ORP-waarden Vergroot afbeelding ORP meten Een ORP-meting is een relatief eenvoudige potentiaalmeting. ORP-meters bevatten een testelektrode van bijvoorbeeld platina en een referentie-elektrode, met daartussen een (milli)voltmeter: De platina meetelektrode staat in direct contact met het water met de te meten oxidatie-reductiepotentiaal. De referentie-elektrode is meestal een zilver/zilverchloride-elektrode, net zoals de referentie-elektroden voor ionselectieve elektroden (ISE) zoals pH-sensoren. Deze referentie-elektrode levert een zeer stabiele referentiepotentiaal van 222,4 mV. De referentie-elektrode moet u in het te bemeten water onderdompelen om de stroomkring te sluiten. Hiervoor bevat de referentie-elektrode een poreuze plug, die langzaam kalium- en chloride-ionen doorlaat naar de te bemeten vloeistof. De millivoltmeter meet het verschil tussen de vloeistofpotentiaal en de referentiepotentiaal. Dit verschil plus 222,4 mV is de ORP-waarde. Praktische aandachtspunten Door het relatief eenvoudige meetprincipe is de ORP goed in het veld te meten. De ORP is dan ook een geschikte sturingsparameter voor actieve sturing (RTC) in zuiveringsprocessen. In tegenstelling tot pH-meters en ionselectieve concentratiemetingen zijn de gemeten potentiaalverschillen groot, in de orde van enkele honderden mV. Een ORP-meter is dus minder gevoelig voor kleine afwijkingen in de referentiepotentiaal. De poreuze plug van de referentie-elektrode bepaalt in hoge mate de levensduur ervan, omdat de kaliumchlorideoplossing door deze plug langzaam uit het instrument verdwijnt. De ORP hangt af van de concentraties van alle reductoren en oxidatoren in het water, waaronder ook H+ en OH--ionen. Veel H+-ionen in oplossing (een lage pH) doen de ORP stijgen. De pH heeft dus invloed op de ORP. Een ORP-meting gaat daarom vaak gepaard met een pH-meting. Ook de temperatuur kan invloed hebben op de ORP van een vloeistof. De manier waarop is afhankelijk van de chemische samenstelling van het water. Er is geen standaardformule om de invloed van de temperatuur te bepalen.