一种简单且适用于现场环境的超盐盐水精确pH值测量方法

《Applied Geochemistry》：A Simple, Field-Compatible Method for Accurate pH Measurement in Hypersaline Brines

　　

作者：Paz Nativ、Gordon D.Z. Williams、Avner Vengosh

所属机构：美国北卡罗来纳州达勒姆市杜克大学Nicholas环境学院的地球与气候科学系

摘要

在高盐度盐水中准确测定pH值对于可靠的地球化学建模和模拟至关重要，尤其是在直接提取锂、计算碳酸盐沉淀潜力、评估盐水回注等相关应用中。然而，标准的pH电极校准技术在浓缩盐水中可能会由于液接电位（LJP）升高以及离子与电极玻璃膜的相互作用而产生较大误差。本文提出了一种适用于现场的高盐度盐水pH测量的稳健方法，该方法使用标准的复合玻璃pH电极，并通过定制的缓冲溶液进行基于滴定的校准。该技术结合了在线PHREEQC（Pitzer模型）软件来制备自定义缓冲溶液和校准曲线，从而能够重新分析现场数据以获得准确的pH值。该方法通过使用玻利维亚乌尤尼盐沼（Salar de Uyuni）一个锂生产厂整个蒸发过程中的16个高盐度盐水样本进行了验证。与标准pH校准方法相比，新方法得到的pH值与PHREEQC模拟值之间的吻合度显著提高。基于标准pH校准的模拟结果显示，随着离子强度的增加（总碱度模拟误差高达95%以上），而新方法将这些误差控制在整个盐度范围内的±10%以内。这种方法为改进高盐度盐水的pH测量和化学特性分析提供了一种简单、通用、低成本且有效的工具。

章节摘录

引言

pH值是水分析中的重要参数，用于评估水的酸度、矿物的沉淀潜力（PP）或饱和指数（SI）、氧化还原（RedOx）潜力以及各种气体的饱和状态（Benjamin, 2002; Birnhack et al., 2018; Charlton et al., 2011; Tchobanoglous et al., 2014）。pH值是一个派生参数，必须与其他保守参数（如碱度、弱酸系统及其离子的总浓度）结合使用。

模拟工具

所有溶液模拟均使用了PHREEQC软件（版本3.8.6.17100）（Charlton et al., 2011）和Pitzer数据库（PHREEQC附带的标准未修改数据库）。针对所提出的滴定方法，还编写了一个基于PHREEQC的专用软件，可在线获取（https://huggingface.co/spaces/STyX1980/HyperSalinepHBuffer）。附录A中提供了用于PHREEQC模拟滴定数据的样本输入语法。

pH测量装置

pH测量使用的是Metrohm公司的复合玻璃pH电极。

定制pH缓冲溶液的制备

pH缓冲溶液的一个关键要求是其pH值必须处于具有高缓冲能力的范围内，以确保pH读数的准确性并稳定pH电极的输出。缓冲能力或缓冲强度（β）定义为加入酸或碱后pH值的变化。计算β（加入酸时）的公式如下：

缓冲能力与pH值的变化呈反比；微小的pH变化

结论

本研究提出并验证了一种新的高盐度盐水pH测量方法。该方法与以往的方法不同，它使用标准的复合玻璃pH电极和特定来源的缓冲溶液，并结合基于滴定的校准曲线。通过使用与研究盐水相似的离子背景，该方法考虑了LJP和离子与玻璃膜的交换反应，这些因素会影响高离子强度下的标准pH测量结果。为了验证该方法的有效性

作者贡献声明

Paz Nativ：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、软件开发、项目管理、方法论设计、实验研究、数据分析、概念构思。Gordon D.Z. Williams：撰写 – 审稿与编辑、实验研究、数据管理。Avner Vengosh：撰写 – 审稿与编辑、监督工作、资源获取、概念构思

Ben-Yaakov和Sass, 1977; Birnhack和Lahav, 2018; Charlton和Parkhurst, 2011; Covington和Ferra, 1994; George等人, 2014; Lahav和Birnhack, 2019; Sass和Ben-Yaakov, 1977; Stringfellow和Dobson, 2021; Williams和Vengosh, 2025.

资金支持

本研究由杜克大学的Critical Minerals Hub资助。

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢：

网络）在采样过程中提供的宝贵后勤和现场支持，以及G.S. Dwyer（杜克大学）、R.C. Hill（杜克大学）和G.A. Hall（杜克大学）在分析方法方面提供的帮助。