Besaran pH menyatakan derajat keasaman dari air yang dilarutkan oleh sesuatu (beberapa) zat. Artinya apakah larutan tersebut lebih bersifat sebagai asam atau sebagai basa. Seperti diketahui, Air mempunyai rumus kimia H
2O
yangmana dalam larutan dapat diuraikan atas ion- H+ dan OH
- menurut penulisan berikut.
à H2O
H
+ +
OH-
Perbandingan antara banyaknya ion H+ dan ion OH- dalam larutan menentukan apakah larutan bersifat sebagai asam atau sebagai basa.
- Jika H+ dan ion OH- tersebut sama banyaknya, dinyatakan bahwa larutan bersifat Netral.
- Tetapi jika ion H+ yang lebih banyak, larutan bersifat asam.
- Sedangkan jika jumlah ion ion OH- lebih besar (atau ion H+ lebih sedikit), larutan bersifat basa.
Dengan demikian banyaknya ion H+ di dalam rarutan (atau lebih singkat : konsentrasi ion H+) menentukan apakah larutan bersifat asam atau bersifat basa. Inilah yang dijadikan dasar untuk menggunakan besaran pH.
Pada kenyataan, bilangan pH tidak langsung sama design konsentrasi ion H+. Ini disebabkan harga konsentrasi mempunyai angka yang tidak sederhana. Untuk dapat melihat hal itu, Kita perhatikan kembali penguraian H2O atas ion H+ dan OH- seperti yang ditulis dalam persamaan reaksi kimia diatas. Penguraian (disosiasi) ini ditandai oleh konstanta disosiasi yang besarnya, KH2O = [H+]. [OH-] …. (K= konstanta)
dengan [H+] dan [OH-] masing masing adalah konsentrasi ion bersangkutan dalam mole (atau gram molekul) perliter. Artinya, ion H+ dan OH- tidak terbentuk dalam jumlah yang tidak tertentu di dalam air, tetapi dalam jumlah yang sesuai dengan yang dirumuskan oleh konstanta disosiasi. Harga KH2O tergantung dari temperatur, seperti yang ditunjukkan oleh tabel 8.2.1 dibawah ini.
harga konstanta disosiasi air.
kita perhatikan keadaan pada 25 0C yaitu pada temperatur kamar. Apabila larutan bersifat netral, maka kosentrasi ion H+ sama dengan konsentrasi ion OH- yaitu :
[H+] = [OH-] = 1.00 x 10 -7
Jika [H+] lebih besar dari pada 1.00 x 10 -7 maka larutan bersifat asam. Keadaan ini terjadi sejumlah asam (misalnya H2SO4) yang terlarut :
H2SO4 ------à 2 H+ + SO42-
Sedangkan jika [H+] lebih kecil dari pada 1.00 x 10 -7 larutan bersifat basa.
Sekarang difenisikan besaran pH sebagai harga negatif dari logaritma konsentrasi Ion H+ dalam rarutan,, atau :
Denagan definisi tersebut , maka pada temperatur 25 C larutan yang bersifat netral mempunyai :
pH = - log (1.00 x 10 -7 ) = 7
Dalam larutan yang bersifat asam, misalnya dengan [H+] = 10 x 10 -7 = 10 -6 terdapat OH = - log (1 x 10 -6 ) = 6 yang lebih kecil dari pada 7. Sedang dalam larutan yang bersifat basa, misalnya [H+] = 0.1 x 10-7 = 1 x 10-8 , terdapat harga pH = -log (1 x 10 -8 ) = 8 yaitu lebih besar dari pada 7. Dengan demikian :
Larutan bersifat netral pH = 7
Larutan bersifat asam pH < 7
Larutan bersifat basa pH > 7
Pada suhu 75 0 C (temperatur kamar) , pH mempunyai rentang harga antara 0 sampai 14. Harga pH = 0 menunjukkan asam ( sangat ) kuat dan pH = 14 berarti basa (sangat) kuat lihat Tabel 9.2.2 menunjukkan daerah harga ph beserta beberapa contoh larutannya.
menunjukkan daerah harga pH beserta contoh larutannya.
|
|
|
|
|
|
|
Asam sulfat (5% sulfuric asid).
|
PRINSIP PENGUKURAN pH METER.
Pengukuran pH dapat dilakukan dengan mengamati perubahan warna kertas lakmus yang dicelupkan kedalam lalutan yang ingin diselidiki. Cara ini sangat mudah, namun tidak memberikan hasil kuantitatif ( harga pH yang eksak) serta tidak menghasilkan signal listrik / elektronik yang acapkali diperlukan untuk pencatatan secara automatik atau pengontrolan proses.
Pada prinsipnya, tidaklah sukar untuk menghasilkan sinyal listrik / elektronik dari pengukuran pH karena pH berkaitan dengan kosentrasi ion H+ di dalam larutan, sedangkan ion tidak lain adalah atom yang bermuatan listrik. Pada prinsipnya pula, pengukuran dapat dilakukan dengan mencelupkan dua elektroda ke dalam larutan tersebut. Satu elektroda khusus untuk menangkap ion positif (yaitu H+ ) dan elektroda yang lain untuk ion negatif , Tergantung pada kosentrasi ion dalam larutan, pada kedua elektroda akan terkumpul sejumlah ion sehingga timbul tegangan listrik antara kedua elektroda tersebut. Tegangan inilah yang menyatakan pH larutan.
Namun dalam kenyataannya, elektroda tersebut ( khususnya yang menerima ion H+ ) harus mempunyai tahanan yang sangat tinggi. Tahanan sangat tinggi berarti sedikit sekali mengalirkan arus. Sifat ini diperlukan supaya ion yang ditangkap dari larutan sedikit jumlahnya. Sebab jika banyak ion yang diambil dari larutan, konsentrasinya menjadi berkurang sehingga pengukuran pH tidak menunjukkan keadaan yang sebenarnya ( keadaan sebelum elektroda dicelupkan).
Gambar-8.2.1 Prinsip pengukuran pH.
Berdasarkan persyaratan tersebut, pH meter menggunakan dua elektroda. Yang pertama dan sangat penting adalah elektroda khusus dari jenis :
- Eloektroda Membran gelas
Sedangkan rangkaian elektronik untuk mengukur tegangan yang ditimbulkan oleh kedua elektroda harus mempunyai tahanan masukan ( tahanan input ) yang sangat tinggi.
ELEKTRODA Ph (Sensing Electrode)
Seperti telah disinggung di atas, instrumen pH meter mempunyai sepasang elektroda yaitu sebuah elektroda untuk merasakan adanya ion H+ ( disebut sensing electrode ) yang berupa elektroda membran gelas ( glass membrane electrode ), dan sebuah elektroda referens atau elektroda acuan ( reference electrode ). Berikut ini kedua elektroda tersebut akan dibicarakan.
Gambar-8.2.2 a) Gelas membran electrode (Sensing Electrode), b) Refference electrode.
Elektroda membran gelas terdiri atas sebuah tabung gelas yang mempunyai membran gelas yang sangat halus pada ujungnya., lihat gambar 8.2.2 (a). Tabung gelas ini diisi sebagian dengan larutan penyangga ( buffer ) yang mengandung ion - ion khlorida. Selanjutnya di dalam tabung gelas terdapat seutas kawat perak yang ujungnya dilapis dengan perak khlorida. Kawat ini tercelup ke dalam larutan penyangga tersebut.
Elektroda akan berfungsi apabila terjadi hidrasi pada permukaan luar dan dalam dari membran gelas. Hidrasi terjadi karena penyerapan air dari larutan oleh membran gelas, baik dari larutan penyangga maupun dari larutan yang ingin diukur pH-nya. Pada saat itu terjadi juga pertukaran kation ( ion positif ) dari gelas dengan ion H+ dari kedua larutan. Namun banyaknya ion H+ dari larutan yang ingin diukur tergantung pada pH larutan. Dengan demikian terdapat perbedaan jumlah ion antara permukaan dalam dan permukaan luar membran, sehingga timbul beda potensial listrik antara kedua permukaan tersebut. Beda potensial ini tidak menimbulkan arus listrik yang berarti, karena membran gelas mempunyai tahanan listrik yang sangat tinggi, yaitu di sekitar 100 mega ohm.
Beda potensial tersebut pada temperatur 25 0C diberikan oleh :
Besaran k merupakan konstanta yang nilainya tergantung pada beberapa hal berikut :
* Aktifitas ion H+ di dalam larutan penyangga (buffer)
* Beda potensial asimetris timbul pada membrans gelas.
Beda potensial asimentris timbul karena perbedaan karakteristik antara permukaan luar dan permukaan dalam membrans, karena tekanan mekanik, karena kotoran pada membran, dan sebagainya. Oleh sebab itu harga E yang teukur tidak akan sama antara satu elektroda dengan elektroda membran gelas yang lainnya. Bahkan untuk satu elektroda pun, harga E tidak sama dari wakktu ke waktu , Oleh karena itu secara teratur atau awal pengukuran diperlukan kalibrasi.
Pada elektroda membran gelas terbentuk beda potensial antara larutan yang ingin diukur dan kawat perak didalam elektroda. Untuk mengetahui beda potensial ini., diperlukan elektroda lain yang selalu mempunyai potensial yang sama dengan larutan. Elektroda ini disebut elektroda referens, dan harus mempunyai tahanan yang rendah yaitu dari 50 kilo ohm.
Elektroda referens terdiri atas tabung gelas dengan ujung bawah terbuat dari bahan yang berpori-pori sehingga dapat ditembus oleh muatan listrik dari larutan yang ingin diukur. Tabung gelas diisi dengan larutan KCL (kalium khlorida = potensium chlorida) yang biasanya dalam keadaan jenuh. Didalam tabung gelas terdapat pula kawat perak yang ujungnya dilapisi perak khlorida. Kontruksi elektroda referens ini diperlihatkan pada gambar 8.2.2 (b)
Beda potensial yang timbul pada elektroda membran gelas sebenarnya tergantung pada temperatur. Persamaan yang diberikan persamaan E = k - 0.059 log [H+]. Berlaku untuk temperatur yang sama akan diperoleh beda potensial yang lain. Sebagai gambaran, beda potensial yang timbul untuk setiap pH diperlihatkan pada Tabel.8.2.3
Tabel-8.2.3 Beda potensial per pH pada beberapa harga temperatur.
Karena ketergantungan pada temperatur ini, rangkaian elektronik untuk mengukur potensial perlu dilengkapi dengan kompensasi temperatur, baik secara menual maupun secara automatik. Oleh karena itu pula , pengukuran pH selalu disertai, baik lansung ataupun tidak, dengan pengukuran temperatur larutan. Disamping itu patut diperhatikan , bahwa pengukuran pH pada temperatur yang tinggi dapat memperpendek umur elektroda. Untuk pengukuran pada temperatur yang tinggi tersedia elektroda yang lebih khusus.
Elektroda pada instrumen pengukuran pH merupakan komponen yang sangat penting dan mudah dipengaruhi oleh ketidak-cermatan pemakai dan pemeliharaan. Supaya pengukuran selalu menghasilkan ketelitian yang tinggi, ujung elektroda harus selalu bersih dan pada penyimpanan tidak boleh kering. Oleh sebab itu elektroda harus dibersihkan setiap habis dipergunakan dan penyimpanan dilakukan dengan merendamnya ke dalam larutan yang netral pada temperatur kamar.
Untuk mengetahui apakah suatu elektroda reference masih baik, dilakukan test sebagai berikut. Diambil sebuah elektroda reference lain yang diketahui masih baik. Kemudian kedua elektroda referens ini dicelupkan ke dalam larutan yang sama jenisnya dengan larutan pengisi elektroda. Tahanan listrik yang terdapat di antara kedua elektroda ini diukur. Apabila harga tahanan tersebut masih di bawah 40 - 50 K
, maka elektroda yang diperiksa tadi masih dalam keadaan baik..
Rangakaian elektronik yang menyertai elektroda pH pada dasarnya adalah untuk mengukur tegangan ( beda potensial ) searah ( DC ) yang sangat rendah. Bila instrumen pH digunakan untuk tujuan kontrol, rangkaian tersebut harus memberikan keluaran ( output ) 4 - 20 mA. Syarat utama yang harus dimiliki bagian pengolah sinyal ini adalah tahanan masukan (tahanan input) yang sangat tinggi, yaitu dapat mencapai lebih dari 1000 Mega ohm. Untuk ini digunakan komponen-komponen FET (Field Effect Transistor) dan MOSFET. Bahkan Elektrometer juga banyak digunakan. Karena tingginya tahanan, bagian ini perlu dijaga terhadap udara yang lembab, yang dapat menimbulkan kerusakan oleh listrik statik.
Selain memberikan tahanan masukan yang sangat tinggi dan melakukan penguatan, bagian pengolah sinyal umumnya mengandung rangkaian kompensasi temperatur. Disamping itu dalm hal peragaan digital, di sini terdapat pula pengubah analog ke digital (ADC = Analog to Digital Converter).
Dalam pemakaian yang lama, terutama elektroda membran gelas lambat laun akan berubah sifatnya. Karena itu secara teratur perlu dilakukan kalibrasi pada instrumen ini. Kalibrasi pH meter acapkali sangat sederhana, yaitu dengan melakukan pengukuran terhadap beberapa (2 atau 3) larutan standar yang telah diketahui harga pH-nya, Larutan ini biasa disebut buffer Solution. Pada setiap kali pengukuran, kompensasi temperatur perlu diperhatikan
UNILOC 1002 PH TRANSMITER / ANALIZER.
Uniloc 1002 pH Transmiter / analizer merupakan salah satu contoh pengukuran pH yang terdapat di plant. Beberapa hal khusus yang terdapat pada instrumen ini ialah :
1. Penguat awal untuk signal dari elektroda (tahanan electroda antara 60 sampai 300 ohm) berada pada sensornya sendiri. Penguat awal ini lebih tepat disebut penyesuai tahanan karena mempunyai penguat (gain) sama dengan satu dan tahanan keluar yang rendah. Analizer dapat ditempatkan jauh (sampai 3 mil) dari titik pengukuran.
2. Pengaturan span (rentang pengukuran ) memungkinkan pembacaan pada rentang minimum dan maximum range dapat dibaca, misalnya Range pengukuran pH 2 sampai 14. Span 14 - 2 = 12, rentang pembacaan adalah 12.
3. Tempat alarm atau saklar untuk keperluan kontrol, yang dapat diatur untuk memulai bekerja pada harga pH yang dihendaki.
4. Signal keluar (output) dapat dipilih berupa arus (mA) atau berupa tegangan (mV). Signal keluar ini sepenuhnya terisolasi dari signal masukan (input) berkat digunakannya rangkaian transpormer pemisah (kumparan primer tidak tersambungkan dengan kumparan sekunder).
Karena isolasi ini , ketidak-telitian pengukuran dan Drift akibat arus ground loop dapat dihindari. Hal terakhir ini merupakan persoalan yang umum dijumpai pada pengukuran pH.
RESEMOUNT MODEL 1181
KALIBRASI 1181pH (dengan Range pH 0 – 14 )
KALIBRASI SISTEM, dengan menggunakan Methode Buffer Solution
1. Dengan menggukan dua buffer Solution, satu untuk low range dan yang lain untuk high.range, Khusus nilai buffer solution 4 pH, 7 pH dan 10 pH.
2. Buka sensor dari sample dan bilas dengan clean water.
3. Celupkan sensor ke low range buffer solution , adjust zero adjusment sampai indikasi output sama dengan pH buffer solution (menggunakan buffer solution 4 pH) output yang akan dihasilkan adalah.
Output =
= 8.57 mA = 28.6 % indikasi LCD
4. Buka sensor dan bilas dengan clean water.
5. Celupkan sensor ke high range buffer solution (buffer solution 10 pH), adjust span adjusment sampai indikasi output sama dengan pH buffer solution.
Output =
= 14.43 mA atau 71.4% untuk indikasi LCD
6. Ulangi step c sampai e sampai kalibrasi benar.
KALIBRASI ELECTRONOC menggunakan Preamlifier
Model 1181pH boleh dikalibrasi secara electronic menggunakan pre-amplifier dalam sensor. (lihat Table 8.2.4)
1. Gunakan Simulator type 213 atau persamaan (output dalam millivolt), lihat tabel 8.2.4 untuk menyesuaikan input simulasi nilai pH.
2. Untuk pH range 0-14. Buka glass electrode connection dari preamplifier dan pasang simulator 213.
3. Pasang 4-20 mA ammeter TB1-2 dan TB1-3 Transmiter , Lepaskan Indikator meter selama kalibrasi menggunakan pre-amplifir dialaksanan.
4. Atur simulator lihat tabel 8.2.4 , misalnya temperatur proses 50 0C, atur simulator 213 untuk pH 0 tegangan yang dihasikan 444 mV sebagai signal Input sehingga indikasi ouput 4 mA kalau tidak atur zero adjusment.
5. Atur simulator 213 untuk pH 14 tegangan yang dihasilkan -444 mV sebagai signal Input sehingga ouput indikasi 20 mA kalau tidak atur Span adjusment.
6. Ulangi step 3 dan 4 sampai kalibrasi benar. (catatan Internal adjust digunakan untuk mengatur m adjustment 50% scala).
Test Unit Output voltage dalam pH Mode pada 4 temperatur.
KALIBRASI ELECTRONIC menggunakan DC Voltage Souce.
DC Voltage source 2.5 volt DC yang diperlukan untuk kalibrasi pH 0-14 lihat (lihat Tabel 8.2.5) sesuai kan voltage yang diperlukanuntuk simulasi nilai pH.
1. Untuk pH 0-14, Pasang hubungan dari DC volt source ke TB2-1 dan TB-2-2, Lepas kabel sensor dari TB2-1 dan TB-2-2 saat menggunakan Voltage source.
2. Hubungkan Ampere meter ke TB1-2 dan TB1-3 untuk indikasi output 4-20 mA , lepaskan indikasi meter 1181.
3. Dengan input signal + 2.5 Vdc signal dari voltage ganerator, adjust ZERO control untuk indikasi 4 mA.
4. Dengan input signal - 2.5 Vdc signal dari voltage ganerator, adjust SPAN control untuk indikasi 20 mA.
5. Ulangi step 5 dan 6 sampai kalibrasi benar.
6. Pasangan kembali kabel sensor.
BEKERJA DENGAN FIXED T.C.
dalam kejadian diinginkan untuk beroperasinya model 1181 pH dengan fixed T.C lihat tabel 8.2.6 untuk nilai resistance yang sesuai, Tabel 8.2.6 Nilai resistance untuk fixed T.C (Fixed T.C dari Rosemount Analatical Model 381)
AUTOMATIC TEMPERATUR COMPENSATOR.
Temperatur Compensator elemen sangat sensitive dan dapat diukur dengan Omh meter tahanan increase dengan temperatur.
3K element dibaca 3000 Ohm dan pt-100 dibaca 110 OhmResistan berobah oleh temperatur untuk 3K dan pt-100 element dapat menentukan kesesuaian dengan table-4 atau dengan formula :
Ro dan R1 Nilai untuk temperatur Kompensasi element
- 3K Ro = 2934 R1 = .0045
- Pt-100 Ro = 107.7 R1 = .00385
MEROBAH RANGE PENGUKURAN / KALIBRASI.
pH Transmitter model 1181 pH telah dikalibrasi di pabrik dengan range pH 0 – 14 dan, bila tidak diinginkan dengan range tersebut dapat dirobah sesuai dengan range yang diinginkan. Menampilkan Acuan posisi switch S1 (lihat gambar 8.2.3). Untuk prosedur perobahan range switch pH (lihat tabel 8.2.7) khusus untuk range switch setting .
Contoh : merobah range pH 5-9 dengan posisi switch yang sesuai.
1. Mid-scale (M.S) pH 5 - 9 adalah 7. oleh karena itu switch 5, 6 ,7 akan disclosed dan switch 8 akan di open.
Mid scale =
2. Span 4 yang dinginkan, switch 3 harus di closed dan switch 1,2 dan 4 di open
Span= Maximum Range-Minimum Range
Typecal pH Range Switch Setting.
Gambar 8.2.3 pH Range Selection Switch.
START-UP MODEL 1181 OPR (Oxidasi Reduction Potensial)
Dalam paragraph ini menggambarkan pemilihan Range (Range selection) , kalibrasi electronic, kalibrasi sistem dari model 1181 ORP two wire transmitter. Model 1181 ORP telah di kalibrasi di pabrik dengan –1000 + 1000 milliVolt, kalau range tidak sama dengan yang diinginkan lihat paragraph range selection dibawah ini.
Sebagai acuan posisi switch S1 untuk berbagai Range lihat table 9.2.7 dan alokasi Swith ini dapat dilihat gambar 8.2.4 untuk OPR range switch selection procedure . Berikut sebagai contoh untuk posisi switch diinginkan adalah ± 200 millivolt .
1. Mid scale mV range adalah 0 mV, switch 6 dan 7 harus closed dan switch 5 dan 8 musti open.
2. Span 400mV yang diperlukan. Switch 2 harus closed dan switch 1 , 3 dan 4 harus open.
3. Yangmana mid scale mV range antara – 1200 dan +1200 boleh dipilih
4. Span antara 200 sampai 2400 mV akan didapat.
Model 1181 ORP akan dikalibrasi dalam American convention dari pengukuran millivolt, dengan 0 millivolt (mV) mid scale berada (12 mADC). Seluruh positif potensial adalah Minimum range (downscale) dan seluruh negatif potensial adalah Maximum Range (upscale). Pengukuran boleh reverse untuk mengakomodasikan European convention. (lihat tranducer PCB) .
1. Buka jumper dari 2 dan 3
3. Model 1181 ORP sekarang dapat dimodifikasi untuk mengakomodasi European convention. Negatif potensial down scale dan positif di upscale.
Catatan : Positif potensial menyatakan pengurangan dan positif potensial menyatakan mengoxid .
Gambar ORP Range selection Switch
KALIBRASI ELECTRONIC MENGGUNKAN PRE-AMPLIFIER
Model 1181ORP dapat dikalibrasi menggunakan pre-amplifier dengan ORP sensor.
1. Gunakan Simulator type 213 atau persamaan buka ORP electrode connector dari pre-amplifier dan pasang connector dari model 213 ke pre-amplifier.
2. Pasang 4-20 mA ammeter TB1-2 dan TB1-3 di transmitter 1181 ORP. Lepaskan Indikator meter selama kalibrasi menggunakan pre-amplifir dialaksanan. Jika LCD dipergunakan lihat petunjuk LCD.
3. Atur 213 sehingga menghasilkan +1000 mV output, adjust ZERO control untuk 4 mADC output.
4. Atur 213 sehingga menghasikan –1000 mV signal dari 213 , Adust SPAN control untuk 20 mA output.
5. Ulangi step 3 dan 4 sampai kalibrasi benar.
KALIBRASI ELECTRONIC MENGGUNAKAN DC VOLTAGE
Output –1.000 sampai +1.000 Volt DC diperlukan sebagai input signal untuk model 1181 ORP, lihat tabel 8.2.8 untuk menyesuai voltage yang diperlukan untuk simulasi nilai mV yang diinginkan.
1. Pasang connection dari DC voltage source antara TB2-1 dan TB2-2 pada transmitter model 1181 OPR . Yakinkan untuk membuka sensor wire dari TB2-1 dan TB2-2 saat menggunakan voltage source.
2. Hubungkan ammeter mampu menunjuk 4-20 mADC. Lepaskan analog meter atau LCD selama test dilakukan.
3. Bangkitkan +1.000 VDC signal dari voltage source . Adjust ZERO control untuk indikasi output 4mADC
4. Bangkitkan –1.000 VDC dari voltage soure . Adjust SPAN control untuk indikasi output 20 mADC.
5. Ulangi step 4 dan 5 sampai kalibrasi benar.
6. Pasangan kembali kabel sensor dan analog meter atau LCD.
Gambar 9.2.5 ORP test set-up
Gambar Schematic system 1181 pH & OPR, CSA
