Quel métal pour une sonde de conductimétrie ?

[Vozek]

Bonjour à tous,

Je conçois un conductimètre qui doit fonctionner 24 mois en continue avec une même sonde. Jusqu’à présent il fonctionne correctement avec des électrodes plaquée or. La conductivité des solutions à mesurer s’étale de 0.01 mS/cm à 5 mS/cm, ce qui n’est pas très étendu. De pH entre 5 et 7, la solution contiendra surtout des ions azote, potassium et phosphore car c’est un conductimètre destiné à la mesure de solutions nutritives pour cultures hydroponiques de plantes.

Après un test de vieillissement accéléré (conductivité au maximum, mesure en continue, température élevé), la fine couche d’or semble bien résister à la corrosion. De plus les mesures restent correctes sur le long terme car il s’agit d’une sonde à 4 électrodes (bien meilleur résistance aux dépôts organiques et à la polarisation).

Sur le marché je trouve exclusivement des sondes avec électrodes en platine, en graphite et parfois en titane. Du coup je me pose la question de la pertinence du choix des électrodes en or (pour des questions de disponibilité et de coût), si aucun industriel n’a fait de même.

Je voudrais savoir s’il est préférable de recouvrir les électrodes d’une couche de platine ou de nickel. Est-ce que ces métaux résistent mieux à la corrosion que l’or ? La durée de vie et/ou la précision de mesure seront-t-elles améliorées ?

Le dépôt de nickel est simple mais je n’ai pas trouvé d’informations sur le plaquage de platine. Est-ce difficile avec des moyens amateurs ?

Mes recherches m’ont amené à comprendre que le platine est utilisé pour plaquer les électrodes, car il augmente la surface de contact avec la solution mesurée ce qui réduit la densité de courant. Cela a-t-il une réelle influence avec des conductivités de l’ordre de 5 mS/cm ?

Le graphite quant à lui semble être utilisé dans des environnements très corrosifs, acides ou salins. Il semble fragile. Y a-t-il donc un intérêt à envisager cette option ?

Merci par avance pour votre aide
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[40CDV20]

Bjr,
Je n'ai pas souvenir qu'un autre métal que le platine-platiné puisse être utilisé pour les électrodes des cellules de mesure de conductibilité. Mesures de qualité s'entend.
Par contre, dans cette application le "platinage" n'est pas un électro-dépôt de platine, il s'agit d'une couche de faible cohésion de "noir de platine". Je ne me souviens plus des conditions opératoires, mais ceci doit se trouver.
On utilise (toujours ?) l'électrolyte de Lummer-Kurlbaum qui est composé de :
-dans 100 ml d'eau bidistillée 3 g d'acide chloroplatinique et 30 mg d'acétate de plomb
Ceci fait, il faut encore procéder à un traitement postérieur d'activation sous hydrogène en électrolysant une solution ultra-pure d'H2SO4, et terminer par un rinçage particulièrement soigné.
Cdt.

[Vozek]

Merci pour votre réponse.

Mesures de qualité s'entend.

La résolution de mon appareil est de 10 uS/cm avec une précision de +- 20 uS/cm, soit 10 fois plus faible que la majorité des appareils de laboratoire. Par conséquent, je vais pouvoir faire l'impasse sur cette procédure de platinage qui semble tout de même complexe.

[40CDV20]

Bjr,
Je n'ai pas de compétence en matière de conception de ce type d'équipement. Néanmoins, il me semble qu'il faut satisfaire à minima à 3 exigences
-alimentation en tension alternative dans le bon domaine de fréquence,
-tension suffisamment faible pour interdire toute possibilité d'électrolyse,
-utilisation d'électrodes dans un métal ou alliage inerte chimiquement avec le milieu.
Ceci étant, effectivement pourquoi pas l'or, le rhodium,...cependant je doute que ça suffise et en particulier comment optimiser le phénomène de polarisation aux électrodes ?
Bref, une affaire de spécialiste !
Cdt

[A voir en vidéo sur Futura]

[Vozek]

alimentation en tension alternative dans le bon domaine de fréquence

je doute que ça suffise et en particulier comment optimiser le phénomène de polarisation aux électrodes

Il me semble que c'est justement le rôle du courant alternatif que d’empêcher la polarisation. Dans mon cas j'utilise un signal carré de 12 kHz (une valeur standard sur le marché) et d'amplitude 1 Volt pour ne pas créer d'électrolyse.

La polarisation est bien le résultat de l'accumulation des ions sur les électrodes, ce qui réduit le courant circulant entre elles ?
Le simple fait d'appliquer un courant alternatif permet donc à lui seul de limiter ce phénomène, non ? Pas de lien avec la matière des électrodes, si ?

[40CDV20]

Bjr,
En potentiométrie et de façon générale c'est l'accumulation de charges causées par des champs électriques dans les phases liquides ou solides, et particulièrement aux inter-phases solide/liquide, provoquant des réactions indésirables aux électrodes. Ces phénomènes introduisent une erreur de mesure.
Typiquement lorsque des dégagements gazeux interviennent aux électrodes, il peut être nécessaire d'augmenter la valeur de tension pour observer l'électrolyse
Une cellule de conductivité c'est schématiquement une association (à modes différents de conduction ) de conductivité ionique et de conductivité électronique(exclusivement métaux), à deux jonctions qui sont les électrodes, lesquelles jonctions posent un problème à considérer lors du développement d'un équipement performent.
Pour plus d'infos, chercher du côté "conductimétrie pont de Kohlrausch/terre de Wagner".
Quant aux valeurs, je ne sais pas dire si elles sont optimales pour l'application. Par contre, une tension alternative est requise car en régime continu au dessous de U' (potentiel d'électrolyse caractéristique du système électrode/électrolyte/solvant), pratiquement aucun courant ne passera. Une tension alternative à fréquence choisie permet d'utiliser le phénomène de polarisation pour laisser passer le courant, dans la mesure où les phénomènes non souhaités d'électrolyse sont éliminés.
Si on satisfait aux précédentes conditions on peut dire que les électrodes d'une cellule sont idéalement polarisables. Quant à la nature des métaux et dans les conditions d'utilisation, je suppose que le choix standard pour des mesures précises du platine-platiné après traitement cathodique en milieu sulfurique doit être en rapport avec une polarisation rémanente stable.
Cdt

[Vozek]

En potentiométrie et de façon générale c'est l'accumulation de charges causées par des champs électriques dans les phases liquides ou solides, et particulièrement aux inter-phases solide/liquide, provoquant des réactions indésirables aux électrodes. Ces phénomènes introduisent une erreur de mesure.

Il y aura des réactions chimiques indésirables même avec un métal inerte ?

potentiel d'électrolyse caractéristique du système électrode/électrolyte/solvant

Le potentiel d'électrolyse de l'eau est de 1.23 V. Pour une solution aqueuse ce potentiel sera le même quelque-soient les ions, leurs quantité ou la matière dont sont faites les électrodes, non ?

Pour plus d'infos, chercher du côté "conductimétrie pont de Kohlrausch/terre de Wagner".

Cela ne me concerne pas, car le pont de Kohlrausch n'est utile qu'en cas de mesure résistive avec cellule à 2 électrodes. Dans le cas d'une cellule à 4 électrodes, on mesure la tension sur 2 points situés entre les 2 électrodes de force (celles qui envoient le courant). L'avantage c'est que la mesure est indépendante de la contamination des électrodes de force, car elle se fait sur des électrodes à très haute impédance qui n'absorbent quasiment aucun courant.

Par contre, une tension alternative est requise car en régime continu au dessous de U' (potentiel d'électrolyse caractéristique du système électrode/électrolyte/solvant), pratiquement aucun courant ne passera. Une tension alternative à fréquence choisie permet d'utiliser le phénomène de polarisation pour laisser passer le courant, dans la mesure où les phénomènes non souhaités d'électrolyse sont éliminés.

Je ne peux pas être d'accord avec vous. Le courant traverse bien la solution à fréquence nul, car même si les électrodes ont attirés une partie des ions de la solution située entre elles, il en reste toujours. Mais en fonction de beaucoup de facteurs comme l'agitation de la solution, le courant variera car de la solution non dé-ionisée viendra se placer entre les électrodes déjà polarisés.
Le courant alternatif permet de réaliser une mesure pertinente car les ions de la solution situé entre les deux électrodes n'ont pas le temps de migrer aux pôles et laisser une solution partiellement dé-ioniser qui va forcément faire baisser la conductivité de celle-ci. Pour l'ingénieur électronicien que je suis, il suffit de considérer la cellule comme un filtre passe-haut en série avec une capacité et une résistance liée à l'interface métal/solution.

[40CDV20]

Désolé, je n'avais pas prêté attention à ce montage à quatre électrodes que je ne connais pas de façon pratique. A vous lire je pense en avoir compris le principe et l'intérêt dans un contexte industriel ou de mesure en continu, mais c'est très insuffisant pour émettre un avis productif. Par contre, au niveau mesure de labo la plus value de cette technique me semble plus discutable, mais ce n'est pas le propos.
Attendons donc d'autres intervenants.
Cdt