Udostępnij artykuł
Utrzymanie stabilnego poziomu ORP odgrywa również szczególną rolę w prawidłowym funkcjonowaniu naszego organizmu, gdyż metabolizm opiera się na precyzyjnym mechanizmie powiązanych ze sobą układów redoks. W ostatnich dziesięcioleciach narastały obawy dotyczące stosowania przeciwutleniaczy w celu osiągnięcia lepszej jakości życia. Jednym z przykładów jest woda, która wykazuje mniej utleniaczy niż zwykła woda z kranu. Zapotrzebowanie na tę specjalistyczną wodę wzrosło w ostatnich latach do użytku w napojach, żywności, kąpielach, sztucznych płynach ustrojowych, kosmetykach, produktach do pielęgnacji skóry i do innych celów [4].
Potencjał redoks (ORP), znany również jako potencjał redoks, wpływa na wiele naszych codziennych czynności, takich jak zwykłe odkręcanie kranu. ORP (wyrażone w miliwoltach, mV) jest miarą tendencji związku chemicznego do pozyskiwania elektronów z elektrody (lub utraty elektronów do) elektrody, a tym samym do odpowiednio redukcji lub utlenienia [1]. Za pomocą tego parametru można przewidywać stan związków chemicznych w różnych matrycach próbek, monitorować jakość wody, kontrolować procesy fermentacji i optymalizować oczyszczanie ścieków, aby zapobiegać uwalnianiu wyższych stężeń substancji niż pozwalają na to przepisy. Pomiar wartości ORP jest ciągłą operacją w wielu sektorach przemysłu, które wymagają udoskonalenia obecnie dostępnego oprzyrządowania w celu usprawnienia swoich procesów.
Znaczenie ORP w dziedzinie chlorowania wody
Stan zagrożenia zdrowia publicznego pojawił się w 1854 r., kiedy ponad 600 osób zmarło w ciągu miesiąca w wyniku wybuchu cholery na obszarze o średnicy zaledwie pół kilometra w Londynie. John Snow, angielski lekarz, rozmawiał z okolicznymi mieszkańcami i stworzył mapę ilustrującą występowanie cholery w okolicy. Zidentyfikował źródło wybuchu epidemii jako publiczną pompę wodną, która dostarczała wodę pitną ze studni zanieczyszczonej ekskrementami. Usunięcie uchwytu pompy uniemożliwiło dalsze użytkowanie zanieczyszczonej studni, a epidemia została zakończona. Dzięki swoim badaniom John Snow stał się jednym z twórców współczesnej epidemiologii, w wyniku czego zaczęło rosnąć znaczenie uzdatniania wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi.
Ciężarówka z urządzeniami do oczyszczania wody, które zapewniają żołnierzom czystą wodę pitną w czasie wojny (I wojna światowa). Minęło ponad sto lat od wynalezienia pierwszych przenośnych oczyszczaczy wody. Nadal dostarczają czystą wodę mieszkańcom krajów rozwijających się i obszarów dotkniętych klęskami żywiołowymi, a także personelowi wojskowemu i pracownikom w odległych miejscach.
Jakość wody pitnej jest niewątpliwie kluczowym problemem zdrowia publicznego. Jeśli nie można polegać na jakości wody z publicznych studni i fontann, jak można oferować wolną od zarazków wodę pitną tysiącom (lub milionom) ludzi w miastach? Z drugiej strony, co z obszarami wiejskimi lub dzikimi, gdzie czysta woda nie zawsze jest łatwo dostępna? Odpowiedź na te pytania tkwi w procesie uzdatniania wody poprzez chlorowanie.
W swojej elementarnej postaci chlor (Cl2) jest gazem toksycznym. Po dodaniu do wody Cl2 powoduje zmiany w ścianach komórkowych bakterii, niszcząc zawarte w nich białka i DNA. Jest to mechanizm, za pomocą którego chlor zabija mikroorganizmy – wpływa na ich funkcje życiowe aż do śmierci, uniemożliwiając im przenoszenie chorób. Dodanie chloru do dezynfekcji miejskich systemów wodociągowych minimalizuje ryzyko zarażenia się zaraźliwą cholerą, tyfusem, czerwonką i polio.
Chlorowanie wody można przeprowadzić za pomocą gazowego chloru pierwiastkowego, chociaż znacznie bezpieczniejsze jest stosowanie ciekłego podchlorynu sodu lub stałego podchlorynu wapnia. Związki te chlorują wodę, wytwarzając resztkowy „wolny chlor”, który atakuje zarazki chorobotwórcze i sprawia, że proces dezynfekcji chlorem jest bardziej wszechstronny i przyjazny dla użytkownika.
Możesz się zastanawiać, skoro chlor jest pierwiastkiem toksycznym, czy jest jakaś metoda kontrolowania, ile jest dodawane do wody? Pomiar potencjału oksydacyjno-redukcyjnego (ORP) oferuje niezawodne rozwiązanie tej kwestii.
Koncepcja pomiaru czujnikami ORP
ORP określa ilościowo zdolność substancji do utleniania lub redukcji innej substancji. Na przykład utleniacz woli kraść elektrony z innej substancji, czyniąc ją bardziej naładowaną ujemnie i dodatnio ładując drugą substancję. Ten akt generuje wykrywalny potencjał między dwiema substancjami.
W praktyce ORP to bezpośredni pomiar elektronów w tranzycie podczas reakcji utleniania-redukcji. Dlatego ORP ocenia zdolność roztworu do przenoszenia elektronów (utleniania lub redukcji) i jest mierzony w miliwoltach (mV). Oznacza to, że w warunkach utleniających elektroda pracująca zanurzona w roztworze traci elektrony, tworząc potencjał dodatni. Przeciwnie, w środowisku redukującym elektrony przepływają z roztworu do elektrody roboczej, wytwarzając potencjał ujemny. Podczas gdy reduktor traci elektron, utleniacz może przyjąć elektron. Można więc powiedzieć, że silne reduktory powodują bardziej ujemną wartość ORP, podczas gdy silniejsze utleniacze prowadzą do bardziej dodatniej wartości ORP. Koncepcja ta została zilustrowana poniżej.
Ilustracja koncepcji reakcji redoks i jej związku z ORP. Im więcej utleniacza dodaje się do roztworu, tym wyższa jest wartość ORP.
Zadaniem czujnika redoks jest pomiar tych niewielkich różnic potencjałów. Jest to możliwe dzięki zastosowaniu obwodu utworzonego przez elektrodę roboczą (biegun dodatni obwodu, zwykle wykonany z materiału obojętnego, np. platyny lub złota) oraz elektrodę odniesienia (biegun ujemny) zanurzoną w roztworze. Wielkość wytworzonego potencjału miliwoltowego zależy od stężenia utleniaczy i reduktorów w badanym roztworze.
Wracając do dyskusji na temat chlorowania i ORP, odpowiednia dezynfekcja wody jest możliwa tylko po osiągnięciu określonego stężenia chloru. Biorąc pod uwagę, że wysoki poziom chloru może być toksyczny dla życia ludzkiego, ważne jest dokładne kontrolowanie wartości ORP wody podczas proces dezynfekcji chlorem.
Prosty proces mycia sałaty może być niebezpieczny i nie jest zalecany w miejscach, w których nie stosuje się chlorowania wody.
Obecność utleniającego mikrobiocydu (np. chloru) tworzy środowisko utleniające, indukując w ten sposób wysoki poziom ORP. Kontrastuje to z redukującymi środowiskami o niższych wartościach ORP, w których zwykle rozmnażają się zarazki. Utrzymywanie ORP pod kontrolą w wodzie sprawia, że chlorowanie jest bezpieczniejszą procedurą. W 1971 roku Światowa Organizacja Zdrowia (WHO) stwierdziła, że „Potencjał redoks o wartości 650 mV (mierzony między platyną a standardową kalomelową elektrodą odniesienia) spowoduje niemal natychmiastową inaktywację nawet wysokich stężeń wirusa” [2]. Wartość ta została następnie zarekomendowana jako minimalny poziom ORP dla bezpieczeństwa ludzi i została wdrożona w przepisach dotyczących basenów publicznych i uzdrowisk.
W ostatnich latach woda elektrolizowana (EW) zyskała popularność w przemyśle spożywczym jako środek odkażający w wielu krajach. Chociaż technologia ta istnieje od ponad 40 lat, firmy produkujące takie rozwiązania dopiero niedawno weszły na światowy rynek. Ten środek dezynfekujący na bazie chloru jest produktem elektrolizy rozcieńczonego roztworu chlorku sodu (NaCl), który dysocjuje na kwaśną wodę elektrolizowaną (wartość ORP >1100 mV) i zasadową wodę elektrolizowaną (wartość ORP między -800 a -900 mV). Dzięki szerokiemu dostępowi do tej technologii, chlorowa dezynfekcja wodociągu kontynuuje ratowanie życia w miejscach, gdzie technologia jest dość rozwinięta [3].
Przykłady zastosowań – monitorowanie ORP w rzeczywistych sytuacjach
Przedstawiony na początku tego artykułu przykład dotyczący jakości wody pitnej i jej wpływu na zdrowie publiczne to tylko jeden z niezliczonych procesów wpływających na nasze codzienne życie, w których konieczna jest kontrola wartości ORP. Wybrane z nich można znaleźć poniżej, a następnie grafikę przedstawiającą zakresy regulacji ORP dla wielu rodzajów procesów przemysłowych.
Przykład akwakultury: gospodarstwo rybne w Norwegii.
Odczyty ORP w wodzie morskiej wynoszą około 400 mV, podczas gdy woda mineralna ma wartość około 250 mV. Podobnie jak w przypadku wody w gorących źródłach, uzdrowiskach czy basenach, niższe wartości ORP w morzu mogą być związane z niekontrolowaną aktywnością mikrobiologiczną, a wyższe wartości mogą być związane z zanieczyszczeniem utleniaczami. Jest to jeden z powodów, dla których firmy zajmujące się akwakulturą i hodowlą ryb muszą zwracać szczególną uwagę nie tylko na pH pożywki, ale także na pomiar ORP.
Starzenie się jest po prostu wynikiem akumulacji uszkodzeń molekularnych i komórkowych w czasie. W ten sposób stres oksydacyjny odgrywa kluczową rolę w rozwoju chorób związanych z wiekiem, takich jak zapalenie stawów, cukrzyca, demencja, a nawet rak. Dlatego ograniczenie naszej ekspozycji na utleniacze jest nie tylko problemem kosmetycznym, ale jest ważne dla naszego długoterminowego zdrowia.
Stres oksydacyjny to zjawisko wywołane brakiem równowagi pomiędzy produkcją a akumulacją reaktywnych form tlenu w komórkach i tkankach. Chociaż systemy biologiczne mogą w naturalny sposób odtruwać te reaktywne produkty, choroba lub obecność zanieczyszczeń może zakłócić równowagę. Zaburzenie to można monitorować za pomocą pomiarów ORP, co umożliwia wykrycie stresu oksydacyjnego i jego skutków. Mogą to być problemy, takie jak niepłodność męska [5], rozwój uszkodzeń mózgu [6] oraz u pacjentów z zawałem mięśnia sercowego, posocznicą lub wielorakimi urazami [7].
Stres oksydacyjny i zanieczyszczenia mogą uszkadzać komórki, białka i kwasy nukleinowe, przyczyniając się do starzenia i ostatecznie do śmierci komórki. Jeśli chlorowanie wody nie jest kontrolowane, wysoka zawartość utleniaczy może uszkodzić nasze własne komórki w taki sam sposób, w jaki kontroluje się chorobotwórcze populacje zarazków.
Zanieczyszczenia są nie tylko odpowiedzialne za promowanie stresu oksydacyjnego w komórkach i tkankach, ale mogą być również powiązane z wieloma chorobami ludzi i zwierząt. Z tego powodu kontrola redoks jest dobrze znana w branży oczyszczania ścieków, gdzie należy kontrolować znaczną liczbę procesów biologicznych. Reakcje biochemiczne przeprowadzane przez mikroorganizmy muszą być utrzymywane w określonym zakresie ORP, aby sprzyjać pożądanym reakcjom bioremediacji (np. w procesach nitryfikacji lub fermentacji).
Dobrym przykładem są ścieki z przemysłu galwanicznego. Aby przezwyciężyć toksyczne działanie chromu i cyjanku, wartości ORP w ściekach zawierających te zanieczyszczenia muszą wynosić odpowiednio poniżej 250 mV i powyżej 450 mV [8].
Wykres przedstawiający zakresy kontrolne ORP kilku procesów przemysłowych, w tym barwienia tekstyliów, fermentacji oraz uzdatniania wody i ścieków.
Elektrody sitodrukowe są urządzeniami jednorazowego użytku, które zostały specjalnie zaprojektowane do pracy z mikroobjętościami próbki.
Pomiar ORP za pomocą elektrod sitodrukowych (SPE)
ORP jest bardzo przydatnym parametrem, który musi być kontrolowany w wielu różnych sytuacjach, jak pokazano w poprzednich sekcjach. Należą do nich dziedziny przemysłu, w których konieczne jest mierzenie dużych ilości próbek na otwartych przestrzeniach, po analizę laboratoryjną w skali laboratoryjnej, w której należy przetestować minimalne ilości próbek biologicznych.
Zastosowania pomiaru ORP są bardzo zróżnicowane i mogą być złożone. Opracowanie przyrządów spełniających wymagania w tak wielu dziedzinach nie jest łatwe, ale obecnie jest o wiele bardziej możliwe dzięki miniaturyzacji sprzętu i opracowaniu czujników jednorazowego użytku (np. SPE).
Mnogość wymagań kilku branż, które muszą mierzyć ORP, doskonale pasuje do następujących zalet uzyskanych dzięki zastosowaniu SPE i zminiaturyzowanych instrumentów. Obejmują one ruchliwość, dostępność, jednorazowego użytku, małe rozmiary próbek, I niezawodność.
Te zalety stają się oczywiste podczas korzystania z zestawu ORP firmy Metrohm DropSens. Zestaw ORP to kompletne, kompleksowe rozwiązanie do pomiaru potencjału oksydacyjno-redukcyjnego. Ten zestaw zawiera wszystkie elementy niezbędne do przeprowadzenia analizy ORP: ORPSTAT (główne urządzenie), ORPSEN (czujniki jednorazowe) i ORPSTD (roztwór wzorcowy redoks).
Gotowy do użycia zestaw ORP firmy Metrohm DropSens zawiera wszystkie elementy niezbędne do przeprowadzenia analizy ORP in situ — przenośny potencjostat zasilany bateryjnie z wewnętrzną pamięcią, czujniki jednorazowe i standardowe rozwiązanie redoks.
- Ruchliwość jest obowiązkowy dla pomiarów terenowych. Dzięki miniaturyzacji potencjostaty takie jak ORPSTAT oferują przyjazny dla użytkownika interfejs, w którym wartość ORP próbki można łatwo sprawdzić na wyświetlaczu LCD. Ten przenośny sprzęt zasilany akumulatorem litowo-jonowym jest kompaktowy i ma wymiary 9,0 × 6,0 × 2,5 cm (dł. × szer. × gł.) i poręczny, waży zaledwie 100 g.
- Dostępność dostęp do danych jest niezbędny, aby móc zbadać dużą liczbę wartości ORP, zwłaszcza gdy wymagane są badania przesiewowe w laboratorium lub pobieranie próbek w terenie. ORP Zestaw firmy Metrohm DropSens umożliwia użytkownikom nie tylko sprawdzanie wyników na wyświetlaczu LCD — oferuje również wewnętrzne przechowywanie danych. Wszystkie uzyskane wartości ORP są przechowywane w pamięci wewnętrznej urządzenia i można je pobrać na komputer w celu dalszego dostępu i oceny.
- Jednorazowość ułatwia korzystanie z instrumentu i urządzeń podczas pracy ze złożonymi próbkami. Zestaw Metrohm DropSens ORP jest najbardziej odpowiednim systemem do wykonywania pomiarów ORP in situ w przypadku próbek, które są drogie, rzadkie lub niebezpieczne (np. próbki biologiczne lub ścieki). Pomiar za pomocą czujników jednorazowych (ORPSEN SPE) daje użytkownikom możliwość uniknięcia czyszczenia sondy ORP po pomiarze takich próbek. Jest to szczególnie przydatne w przemyśle, gdzie powszechnie testuje się złożone matryce wodne.
- Mały rozmiar próbki wymagania oznaczają, że potrzeba mniej próbek, co jest szczególnie przydatne podczas testowania płynów biologicznych. Miniaturyzacja nie tylko zapewnia użytkownikom mobilność podczas omawiania przyrządu ORP, ale dzięki ORPSEN SPE do przeprowadzenia testów zdecentralizowanych lub „Point of Care” (PoC) wymagane jest tylko 60 µl próbki.
- Niezawodność jest pożądaną cechą każdego typu czujnika, ale obowiązkową dla ORP, ponieważ dokładne zakresy muszą być precyzyjnie kontrolowane. Elektrody ORPSEN są w stanie mierzyć wartości ORP z wystarczającą precyzją, aby spełnić wymagania w kilku obszarach zastosowań. Ponadto do tych czujników dołączony jest standardowy roztwór redoks (ORPSTD) do sprawdzania dokładności pomiarów ORP.
Streszczenie
Praca ze zminiaturyzowanym potencjostatem umożliwia łatwiejsze pomiary ORP na miejscu, podczas gdy użycie jednorazowych elektrod z sitodrukiem umożliwia takie pomiary w warunkach niehigienicznych lub w okolicznościach, w których konwencjonalne elektrody lub inne systemy nie mogą być odpowiednio wypolerowane lub oczyszczone. Metrohm DropSens przedstawia kompletny zestaw do niezawodnego, łatwego w użyciu i powtarzalnego pomiaru ORP: zestaw ORP.
Technologia sitodruku daje użytkownikom możliwość pracy w obszarach takich jak badania środowiskowe, rolno-spożywcze, biotechnologia i kontrola jakości procesów przemysłowych. Ponadto technologia ta doskonale sprawdza się w badaniach biomedycznych, w których próbki mogą być drogie, rzadkie lub niebezpieczne, a wymagana jest tylko bardzo mała objętość próbki. Co więcej, czujniki te nie wymagają żadnych procedur konserwacji ani czyszczenia, ponieważ po zakończeniu testu można je wyrzucić, co ułatwia ich wykorzystanie we wszelkiego rodzaju badaniach.
[1] Potencjał redukcyjny. Wikipedii. https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Reduction_potential&oldid=1144568308 (dostęp 2023-03-23).
[2] Światowa Organizacja Zdrowia. Międzynarodowe standardy dotyczące wody pitnej (3. wydanie); 1971; Tom. 87. https://apps.who.int/iris/handle/10665/39989
[3] Hricova, D.; Stephan R.; Zweifel, C. Woda elektrolizowana i jej zastosowanie w przemyśle spożywczym. Dziennik Ochrony Żywności 2008, 71 (9), 1934–1947. DOI:10.4315/0362-028X-71.9.1934
[4] Okouchi, S.; Suzuki, M.; Sugano, K.; i in. Woda pożądana dla organizmu człowieka pod względem stosunku potencjału oksydacyjno-redukcyjnego (ORP) do PH. Journal of Food Science 2002, 67 (5), 1594-1598. DOI:10.1111/j.1365-2621.2002.tb08689.x
[5] Agarwal, A.; Bui, A. D. Potencjał oksydacyjno-redukcyjny jako nowy marker stresu oksydacyjnego: korelacja z niepłodnością męską. Urologia badawcza i kliniczna 2017, 58 (6), 385–399. DOI:10.4111/icu.2017.58.6.385
[6] Bjugstad, K. B.; Rael, l. T.; Levy, S.; i in. Potencjał utleniania-redukcji jako biomarker ciężkości i ostrego wyniku urazowego uszkodzenia mózgu. Medycyna oksydacyjna i długowieczność komórkowa 2016, 2016. DOI:10.1155/2016/6974257
[7] Bar-Or, D.; Bar-Or, R.; Rael, l. T.; i in. Stres oksydacyjny w ciężkiej ostrej chorobie. Biologia redoks 2015, 4, 340–345. DOI:10.1016/j.redox.2015.01.006
[8] Szary, D. M.; Jain, R. R.; Meeker, R. H. Kontrole ORP. Podręcznik inżyniera instrumentu, wydanie czwarte: kontrola i optymalizacja procesu 2005, 2 (1985), 2032–2043. DOI:10.1016/b978-0-7506-2255-4.50131-8
[9] Killeen, D. J.; Boulton, R.; Knosen, A. Zaawansowane monitorowanie i kontrola potencjału redoks w fermentacji wina. American Journal of Enology i uprawy winorośli 2018, 69 (4), 394–399. DOI:10.5344/ajev.2018.17063
[10] Mitaczek, R. M.; Klucz.; Preni, J. MI.; i in. Degeneracja mitochondriów, wyczerpanie NADH i stres oksydacyjny zmniejszają stabilność koloru mokrych steków wołowych longissimus. Journal of Food Science 2019, 84 (1), 38–50. DOI:10.1111/1750-3841.14396
[11] Topcu, A.; McKinnon, I.; McSweeney, P. Ł. H. Pomiar potencjału oksydacyjno-redukcyjnego sera Cheddar. Journal of Food Science 2008, 73 (3). DOI:10.1111/j.1750-3841.2008.00692.x
