Possibilities of Electrochemical Cell for Temperature and Pressure Measurements of Sea Water in Situ

Used in marine environments various constructions and installations for their safe and durable use require regular monitoring of the state of seawater. Usually researches of seawater in situ connected with the measurement of temperature and pressure (or depth), which are necessary for various physico-chemical calculations. In practice the temperature is determined using a thermocouple or thermistor, and the pressure - with indicator-coils. The purpose of this work to explore the possibility of using electrochemical concentration cell without liquid contact as a potentiometric sensor of temperature and pressure. The idea was: try to solve the inverse problem - to determine the values of the temperature and pressure from the direct electrochemical measurements, using the known functional dependence of the pH values on T and P for a number of buffers. The best electrochemical cell is such, which observe the maximum response of the EMF-changing on one factor - the temperature (pressure) and the absence or weak dependence on the second - the pressure (temperature) as improved accuracy in determining the final result. The information about values of pH at different T and P for buffer solutions: borate, phosphate, biftalatny, tris, tris-sea water, acetate were involved on data of works. None of these buffers as internal solution filling the electrochemical cell for the measurement of temperature was suited to very small temperature effect or a noticeable effect of pressure on the pH. The dependence EMF values of the pressure and temperature are appreciable, when standard borate buffer solution is used in electrochemical cell. By procedure of method of least squares the calculated equation was obtained to estimate the values of the hydrostatic pressure in the deep-sea researches.

концентрационные ячейки без жидкостного соединения, внутреннее заполнение стеклянных электродов, стандартный боратный буферный раствор, влияние Т и Р на рН растворов, потенциометрический датчик давления

1. Culberson C., Pytkowicz R. M. Effect of pressure on carbonic acid, boric acid and pH in sea water // Limnol. Oceanogr. 1968. Vol. 13. P. 403-413.

2. Pytkowicz R. M. Carbon dioxide-carbonate system at high pressures in the oceans // Oceanogr. Mar. Biol. Ann. Rev. 1968. Vol. 7. P. 83-135.

3. PytkowiczR. M., ConnorsD. N. High pressures solubility of CaCO3 in seawater // Science. 1964. Vol. 144. P. 840-841.

4. Pytkowicz R. M, Fowler G. A. Solubility of foraminifer in sea water at high pressures // Geochem. J. 1967. Vol. 1. P. 169-182.

5. Pytkowicz R. M, Disteche A., Disteche S. Calcium carbonates solubility in seawater at in situ pressures // Earth Planet, Sci. Lett. 1967. Vol. 2. P. 430-432.

6. Millero F. I. Use of models to determine ionic interaction in natural water // Thalassia jugosl. 1982. Vol. 18. P. 253-291.

7. WhitfieldM. A chemical model for the major electrolyte component of seawater based on the Bronsted - Guggenheim // Mar. Chem. 1973. Vol. 1. P. 251-266.

8. Kester D. R., Pytkowicz R. M. Sodium, calcium and magnesium sulfate ion pairs in seawater at 25 °C // Limnol. Oceanogr. 1969. Vol. 14. P. 686-692.

9. Pytkowicz R. M., Hayley J. E. Bicarbonate and carbonate ion pairs and a model of seawater at 25°C // Limnol. Oceanogr. 1974. Vol. 19. P. 223-234.

10. Jacobsen J. P., Knudsen M. Urnorma1 or primary standard sea-water // Assoc. Intern. Oceanog. Phys., Sci. Publ. 1940. № 7. P. 38-47.

11. Kester D. R., PytkowiczR. M. Theoretical model for the formation of ion pairs in seawater // Mar. Chem. 1975. Vol. 3. P. 365-374.

12. Millero F. I., Schreiber D. R. Use of the ion pairing model to estimate activity coefficients of the ionic components of natural water // Amer. J. Sci. 1982. Vol. 282. P. 1508-1540.

13. Johson K. S., PytkowiczR. M. Ion-association of chloride and sulfate with sodium, potassium, magnesium and calcium in seawater at 25 °C // Mar. Chem. 1979. Vol. 8. P. 87-93.

14. Sverdup H. U., Johnson M. W., Fleming R. N. The Oceans. N. J., 1942. 1087 p.

15. Хорн Р. Морская химия. М.: Мир, 1972. 399 с.

16. Шуваев А. В., Зарубина C. A. Влияние температуры и давления на величину рН буферной системы: трис - HCl - H2O // Химический дизайн. Дизайн нанотехнологии и метахимии в науке и рефлексии естествознания. Новосибирск: Chem. Lab. NCD, 2010. C. 65-84.

17. Шуваев А. В., Зарубина C. A. Величины рН буферной системы: трис - HCl - морская вода при различных температурах и давлениях // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. Новосибирск: Изд-во СГУПСа, 2012. Вып. 28. C. 238-249.

18. Шуваев А. В., Зарубина C. A. Стандартизация измерений величин рН морской воды по ацетатному буферному раствору // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. Новосибирск: Изд-во СГУПСа, 2014. Вып. 30. С. 97-107.

19. Крюков П. А., Зарубина С. А. Измерения рН некоторых стандартных буферных растворов при давлениях до 1050 кгс/см2 и температурах 0-25 °С // Изв. СО АН СССР. Сер. хим. наук. 1982. Т. 2. Вып. 1. С. 59-66.

20. Шуваев А. В., Зарубина C. A. Конструкции электродных систем при измерении рН морской воды in situ // Физико-химические аспекты получения материалов из природного и техногенного сырья: Сб. науч. тр. Новосибирск: Изд-во СГУПСа, 2014. С. 101-125.

21. Bjerknes V., Sandstrom J. W. Dynamic meteorology and hydrography // Carnegie Inst. Washington. Publ. № 88. Part 1. 1910. 146 p.

22. Hamann S. D. Physic-chemical effect of pressure buffereneths. L., 1957. 151 p.

23. CoxR. A. The physical properties of sea water // Chem. Oceanogr. 1965. Vol. 1. P. 73-120.

24. Morita R. J. The effect of pressure on the physical properties of sea water // Oceanogr. Mar. Biol. Ann. Rev. 1967. Vol. 5. P. 187-203.

25. Horne R A., Freysinger G. R. The effect of pressure on the electrical conductivity of sea water // J. Geophys. Res. 1963. Vol. 68. P. 1967-1973.

26. Culberson С., Kester D. R., Pytkowicz R. M. High pressure dissociation of carbonic and boric acids in seawater // Science. 1967. Vol. 157. P. 59-61.

27. Millero F. I. The effect of pressure on solubility of minerals in water and seawater // Geochim. Cosmochim. Acta. 1982. Vol. 46. P. 11-22.

28. Kester D. R., Pytkowicz R. M. Effect of temperature and pressure on sulfate ion association in sea waters // Geochim. Cosmochim. Acta. 1970. Vol. 34. P. 1034-1051.

29. Millero F. I. Effect of pressure on sulfate ion association in seawater // Geochim. Cosmochim. Acta. 1971. Vol. 35. P. 1089-1098.

30. Millero F. I. Influence of pressure on chemical processes in the sea // Chemic. Oceanogr. L. Acad. Press. 1983. Vol. 8. P. 2-88.

31. Ben-Yaakov S., Kaplan I. R. pH-temperature profiles in ocean and lakes using a in situ probe // Limnol. Oceanogr. 1968. Vol. 13. P. 688-692.

32. Ben-Yaakov S., Kaplan I. R. Design and application of a deep sea pH sensor // Marine Electrochemistry. N. J., 1973. P. 98-110.

33. Disteche A., Dubuisson M. Measures directs de pH aux grandes profondeurs souse marines // Bull. Inst. Oceanogr. Monaco, 1960. Vol. 64. P. 1-8.

34. Измерения рН морской воды в естественных условиях посредством потенциометрического зондирования / А. В. Зотов, П. А. Крюков, В. С. Малов, А. И. Обжиров, В. А. Приходько // ДАН СССР. 1984. Т. 277. № 1. С. 204-206.

35. Харнед Г., Оуэн Б. Физическая химия растворов электролитов. М.: ИЛ, 1952. 628 с.

36. HorneR. Wat. Resources Res. 1965. Vol. 1. P. 262-276.

37. Broecker W. S., Takahashi T. The solubility of calcite in sea water // Thermodynamics in Geology / Ed. by: D. G. Fraser. Boston, 1976. P. 365-379.

38. Berger W. H. Deep-Sea Res. 1968. Vol. 15. P. 31.

39. Berger W. H., Adelseck C. G., Mayer L. A. Distribution of carbonate in surface sediments of the Pacific Ocean // J. Geophys. Res. 1976. Vol. 81. P. 2617-2627.

40. Biscaye P. E., Kolla V., Turekian K. K. Distribution of calcium carbonates in surface sediments of the Atlantic Ocean // J. Geophys. Res. 1976. Vol. 8. P. 2595-2603.

41. Kolla V., Be A. W. H., Biscaye P. E. Calcium carbonate distribution in the surface sediments of the Indian Ocean // J. Geophys. Res. 1976. Vol. 81. P. 2606-2616.

42. Disteche A. Electrochemical measurements at high pressures // J. Electrochem. Soc. 1962. Vol. 10. P. 1084-1092.

43. Preparation of artificial seawater / D. R. Kester, I. W. Duedall, D. N. Connors, R. M. Pytkowicz // Limnol. Oceanogr. 1967. Vol. 12. P. 176-178.

44. Бейтс Р. Определение рН. Теория и практика. Л.: Химия, 1972. 400 с.

45. Owen B, Miller R. The dielectric constant of water as a function of temperature and pressure // J. Phys. Chem. 1961. Vol. 65. № 11. Р. 2065-2070.

46. ВаргафтикН. Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Наука, 1972. С. 59.

47. Калинина А. Г. Исследование растворов электролитов при давлениях 1-7000 кгс/см2 кондуктометриче-ским методом: Дис.. канд. хим. наук: 02.00.04. Новосибирск, 1974. 158 с.

48. Ellis A. J., Andersen D. W. The effect of pressure on the first acid dissociation constants of sulphurous and phosphoric acid // J. Chem. Soc. 1961. № 4. P. 1765-1767.