Principio di funzionamento

Il sensore amperometrico HaloSense è un sistema a membrana migliorato attraverso un terzo elettrodo di riferimento il quale elimina la deriva dello zero. Questa tipologia di sensori di cloro è spesso descritta come "polarografica", sebbene si tratti di un uso improprio del termine.

Grazie ad una tecnologia innovativa, la compensazione del pH non è necessaria nella maggior parte delle applicazioni. Il sistema non ha bisogno di reagenti e, spesso, neanche di un sensore di pH per effettuare la correzione o la compensazione del pH.

Non avendo bisogno né di soluzioni tampone né di reagenti, i sensori amperometrici di cloro HaloSense offrono alti livelli di sensibilità e stabilità.

Nelle applicazioni dove vi sia necessità di misurare il cloro in un'acqua con un pH elevato (> pH 8.5) e variabile, è possibile fornire la logica per la compensazione del pH attraverso un sensore di pH addizionale collegato all'analizzatore o anche ricevendo il segnale da un pH-metro già installato sull'impianto. Consultare la nota tecnica "Effetti della variazione del pH sui sensori amperometrici di cloro" per maggiori informazioni.

La chimica dei sistemi a membrana

Grazie ad una membrana a permeabilità selettiva gli elettrodi che eseguono la misura sono separati dal campione d'acqua. Questa membrana permette il passaggio del cloro residuo libero (soltanto HOCl e OCl^–) o del cloro residuo totale (HOCl, OCl^– e cloramina).

Una volta passato attraverso la membrana il cloro reagisce con l'elettrolita presente nel cappuccio del sensore (il quale ha un pH relativamente basso) convertendo quindi la maggior parte dello ione ipoclorito (OCl^–) in acido ipocloroso (HOCl). L'HOCl, a questo punto, reagisce con l'elettrodo di lavoro (in oro) attraverso una reazione di riduzione generando una corrente proporzionale al livello di cloro presente nell'acqua. Lo strumento fornisce una lettura continua in ppm o mg/l (altre unità sono selezionabili).

Questa tecnica è uno dei metodi più avanzati per la misurazione in continuo del cloro ed ha molti vantaggi tra cui: un'elevata stabilità, un miglior controllo dei sistemi di dosaggio, basso costo dei materiali di consumo ed una manutenzione ridotta (normalmente una volta l'anno). Grazie a queste caratteristiche, il sistema HaloSense sta divenendo il punto di riferimento nel mercato mondiale per gli analizzatori di cloro.

Limitazioni delle soluzioni tradizionali

Soluzioni tampone

Gli operatori degli impianti di trattamento delle acque si stanno velocemente distanziando dai sistemi tradizionali di misura del cloro che utilizzano tamponi di acetato e fosfato poiché risultano costosi e non particolarmente rispettosi dell'ambiente. Questi sistemi richiedono inoltre una manutenzione elevata e materiali di consumo costosi. Vi sono inoltre considerazioni sulla salute e sulla sicurezza nella gestione degli acidi, così come costi di smaltimento non indifferenti quando, ad esempio, l'acqua trattata con acido non può essere reimmessa nella rete idrica.

Celle amperometriche e sistemi polarografici

Le celle amperometriche e la maggior parte delle sonde polarografiche rispondono solo all'acido ipocloroso (HOCl). L'acido ipocloroso (HOCl) si dissocia in ione ipoclorito (OCl^–) al variare del pH. Questo è il motivo per cui la maggior parte degli analizzatori di cloro hanno bisogno di tamponi acidi. Il pH tipico dell'acqua misurato in una stazione di trattamento può variare tra pH 7 e pH 9.2.

Dal grafico è possibile osservare come, un sistema amperometrico tradizionale (linea rossa), soffra di una perdita di segnale veloce ed accentuata quando il pH aumenta oltre al pH 7.2. Un tampone chimico riduce il pH portandolo intorno a valori che oscillano tra pH 5 e pH 6, assicurandosi così che la maggior parte del cloro residuo sia presente nella forma di HOCl, forma che i sistemi tradizionali riescono a misurare. Si comprende quindi la necessità di controllare il pH nei sistemi tradizionali.

La soluzione HaloSense

Il sensore di cloro libero HaloSense (linea blu sul grafico) misura sia l'HOCl ed indirettamente, grazie allo speciale elettrolita che effettua la conversione dell'dell'OCl^- in HOCl, anche la maggior parte dell'OCl^- presente. Ciò si traduce in un effetto della variazione del pH sulla qualità della misura notevolmente ridotto e significa che, nella maggior parte delle applicazioni di monitoraggio del cloro, non vi è bisogno di alcuna soluzione tampone e/o compensazione del pH. Questo porta a notevoli risparmi su reagenti, manutenzione, sensoristica e tempo.

Un cliente, 334 analizzatori di cloro: una storia di successo

In questo caso di studio si riportano delle informazioni riguardanti prove su larga scala effettuati tra il 2009 ed il 2013 in Irlanda del Nord con il sensore HaloSense e l'analizzatore CRONOS^® .

Quali sono le caratteristiche che un analizzatore di cloro deve possedere per poter essere utilizzato con successo nella rete di distribuzione?

• Specificità
• Bassa deriva
• Manutenzione minima
• Alta precisione
• Calibrazioni sporadiche

Ovviamente, qualsiasi azienda sul mercato con un proprio analizzatore di cloro (libero o totale) rivendicherà questi attributi per il proprio strumento di misura, tuttavia, sono poche le aziende che possono supportare queste affermazioni con dati reali e referenze ufficiali. Se richiesto è possibile fornire una copia della lettera di referenza riguardante questo caso.

Nel 2009 un cliente acquistò 334 analizzatori di cloro dalla Process Instruments. Di questi, 64 strumenti furono installati per il controllo della clorazione dell'acqua potabile e 270 strumenti per il monitoraggio nella rete di distribuzione. Questo acquisto fu effettuato dopo un anno di prove e confronti tra il sistema HaloSense ed altri analizzatori disponibili sul mercato.

Nel 2012 fu effettuata una seconda prova su 30 dei misuratori di cloro per calcolare i risparmi ottenuti. La prova consistette nell'utilizzo degli analizzatori in maniera continua senza effettuare né ricalibrazioni né manutenzione fino a che la lettura non fosse deteriorata al punto da rendere l'intervento necessario.

I risultati di questa seconda sperimentazione furono che il misuratore HaloSense potrebbe fornire letture:

In questi termini si può affermare che il CRONOS^® HaloSense è probabilmente tra i migliori analizzatori di cloro al mondo e questa esperienza in Irlanda del Nord (insieme ad altri test effettuati in altre parti del mondo) supporta questa dichiarazione. A data di agosto 2019 il sistema HaloSense è installato in oltre 40 paesi in tutto il mondo.

Per maggiori informazioni sul sistema contattare un consulente.

L'analizzatore di cloro ed il monitoraggio nella rete di distribuzione

Trattare e disinfettare l'acqua potabile in un impianto di potabilizzazione sono solo due degli aspetti necessari a garantire che l'acqua raggiunga i rubinetti in maniera sicura. Nelle reti di distribuzione di una certa lunghezza è necessario monitorare la presenza di un residuo di cloro e, se necessario, dosare del cloro aggiuntivo attraverso un piccolo impianto di riclorazione. Questo è fondamentale per garantire che vi sia un minimo di cloro nell'acqua distribuita alla popolazione.

Gli impianti di riclorazione, per loro natura, sono spesso non gestiti da personale ed in luoghi relativamente remoti e difficilmente raggiungibili. Per questo motivo un analizzatore di cloro (anche conosciuto come regolatore/misuratore di cloro) dovrebbe avere le seguenti caratteristiche:

• funzionare fino ad 1 anno di tempo senza manutenzione;
• mantenere la calibrazione fino a 3 mesi;
• non essere condizionato dalle variazioni del pH nella rete distribuzione;
• avere un costo di acquisto e di mantenimento contenuti;
• non aver bisogno né di tamponi chimici né di reagenti.

Nel 2012/2013 numerosi test sui 330 strumenti installati in Irlanda (analizzatore di cloro residuo HaloSense) hanno dimostrato che il sistema possiede tutte le caratteristiche sopraelencate in una applicazione che, per sua natura, è particolarmente difficile.

Quando una azienda municipalizzata o privata nel settore dell'acqua valuta l'acquisto di un analizzatore di cloro da installare nella rete di distribuzione vi sono tre requisiti chiave che l'analizzatore deve possedere elecanti di seguito.

1. Semplicità
   • Non utilizzare reagenti
   • Non avere nessun requisito particolare per lo smaltimento del campione d'acqua
   • Essere semplice da montare
   • Supportare la calibrazione a punto unico
2. Affidabilità
   • Deriva del sensore ragionevole tra calibrazione e manutenzione
   • Calibrazioni poco frequenti (fino a 3 mesi)
   • Manutenzioni poco frequenti (fino a 6 mesi)
3. Buon rapporto qualità-prezzo
   • Basso costo di installazione
   • Basso costo di messa in servizio
   • Basso costo di gestione
   • Funzionare senza alcun intervento per lunghi periodi (fino a 3 mesi)

I clienti serviti dalla Process Instruments in giro per il mondo hanno fatto test paralleli con altri analizzatori e, nella maggior parte dei casi, hanno scelto il sistema HaloSense per il cloro libero e il cloro totale poiché rappresentava la soluzione più semplice, affidabile ed economica per misurare il cloro residuo nel proprio sistema di distribuzione.

Monitoraggio di cloro, pH e torbidità in impianti di trattamento delle acque di piccole dimensioni

In impianti di trattamento delle acque di piccole dimensioni e negli impianti di disinfezione secondaria i problemi e le sfide affrontate sono simili, ovunque si trovino nel mondo. La prima sfida è la mancanza di infrastrutture di comunicazione SCADA, il cui costo di installazione può essere proibitivo. La seconda è la mancanza di un'infrastruttura di controllo DCS centrale, anche in questo caso il costo di installazione può essere proibitivo. La terza sfida è l'ubicazione remota. Spesso questi impianti di trattamento delle acque sono in località remote e di difficile accesso.

Molti ingegneri si trovano spesso a fronteggiare queste tre sfide e per questo è stata ideata una soluzione a basso costo che fornisce una risposta efficace e facilmente fruibile. Il nome di questa soluzione è l'analizzatore multiparametrico CRIUS^® che offre funzionalità simili a quelle di un sistema SCADA di piccole dimensioni con controlli PID completamente configurabili e sensori (ad esempio cloro, pH, torbidità) concepiti per funzionare senza l'intervento dell'operatore per lunghi periodi di tempo.

Visitare la pagina del sistema di telegestione e telecontrollo da internet per comprendere il livello di controllo offerto dal sistema.

Clorazione / Bromurazione in continuo in impianti di pastorizzazione delle bottiglie

Il controllo della disinfezione nei pastorizzatori pone dei problemi particolari agli strumenti di misura in linea. La maggior parte degli strumenti per la misura in linea richiede un campione con un flusso d'acqua continuo per evitare la depolarizzazione degli elettrodi. Tuttavia, nei processi di pastorizzazione, il processo viene attivato/disattivato in base alle necessità di produzione, ossia si tratta di un processo batch.

Inoltre, il contenuto di un pastorizzatore non è “delicato” come l'acqua potabile spesso, infatti, ha una temperatura elevata con un pH fluttuante e con la presenza di detergenti (tensioattivi).

La Pi ha lavorato con alcuni leader mondiali in questo settore per fornire una soluzione a questi problemi e ora ha diversi sistemi installati in tutto il Regno Unito su impianti di imbottigliamento di sidro e birra. In queste installazioni il sensore è installato in un sistema di autopulizia a doppio uso che, non solo mantiene il sensore pulito, ma lo mantiene anche bagnato quando il processo è disattivato evitando così che la membrana del sensore si secchi.

Fornendo inoltre un sistema di accesso remoto, notifiche via e-mail, allarmi testuali e controllo PID integrato, i sistemi di controllo della disinfezione nei pastorizzatori sono adatti alla disinfezione con cloro, bromo, ozono e biossido di cloro con sensori specifici per ciascun misurando.

Autopulizia

I sensori di cloro HaloSense possono essere equipaggiati di un sistema di pulizia automatico che permette di pulire i sensori ad intervalli definiti dall'utente. Grazie a questo sistema, il sensore può funzionare fino a 6 mesi di seguito senza manutenzione.

L'autopulizia è particolarmente utile nei processi di preparazione industriale degli alimenti ed in applicazioni in cui è probabile un accumulo di solidi nel campione. Visitare la pagina del sistema AutoFlush per maggiori informazioni.
Qui a destra in ultimo della lista un video con una dimostrazione del sistema AutoFlush.

Compensazione del pH

Per applicazioni in cui si voglia misurare il cloro libero, e dove il pH sia molto elevato (> pH 8.5) e variabile, la compensazione del pH può migliorare la precisione dell'analizzatore. Affinché la compensazione del pH sia valida, deve essere eseguita con sensori di pH di alta qualità e con sensori di cloro che, in ogni caso, abbiano una dipendenza ridotta dal pH, come i sensori HaloSense.

Il grafico mostra l'errore su di un sensore di cloro libero HaloSense quando in un campione di 1 ppm di cloro libero vi è un cambiamento del pH da pH 9 a più di pH 10, e poi giù fino a pH 7.5 e viceversa. Il grafico mostra che nella stragrande maggioranza delle applicazioni non vi sarà affatto bisogno della compensazione del pH e, in quelle rare applicazioni in cui ve ne sia bisogno, il sistema è probabilmente il migliore disponibile sul mercato. Infatti, conviene sempre applicare la compensazione del pH ad un segnale abbastanza buono, come illustrato nella nota tecnica "Effetti della variazione del pH sui sensori amperometrici di cloro".

Protocolli di comunicazione

Gli analizzatori di cloro CRONOS^® e CRIUS^® HaloSense (analizzatore + sensore) possono essere dotati di controlli PID, registro dati, uscite relè, uscite analogiche e comunicazioni seriali quali: Ethernet, Modbus e Profibus. Il monitoraggio e la telegestione da remoto degli strumenti è disponibile via Internet tramite GPRS e tramite LAN. L'analizzatore CRIUS^® HaloSense offre le opzioni di controllo e comunicazione più avanzate, mentre il CRONOS^® offre un'alternativa a basso costo senza intaccare la qualità della misura (la quale dipende dal sensore HaloSense).

Tipologie di controllo

Ogni analizzatore di cloro residuo della Process Instruments può supportare più canali di controllo che possono gestire il dosaggio chimico. Questo viene effettuato attraverso un relè, attivando il dosaggio quando il cloro è troppo basso e disattivandolo quando è troppo alto, o attraverso un controllo PID quando si vuole ottenere un controllo di processo molto più raffinato.

PID significa Proporzionale-Integrale-Derivativo ed è una manipolazione matematica del segnale del sensore che fornisce un segnale variabile attraverso il quale si può controllare una pompa ed ottenere un livello costante di cloro nell'acqua. Tutte le funzioni sono regolabili e nel sistema sono anche incorporate funzioni di sicurezza come la protezione da sovralimentazione. Per una discussione sui tipi di controllo, consultare la nota tecnica "Tipi di controllo negli analizzatori multiparametrici".