使用TDS(总溶解固体)表测试淡水水质的方法近些年越来越流行了。许多鱼友以此来判断自己的RO或RO/DI过滤器是否有效,滤芯是否需更换。

然而,这种设备也不是没有缺陷的。从它的名字看,TDS表只能测试溶解在水中的固体。除了TDS表,还有很多测量仪器。虽然测试结果单位都是ppm(百万分之一),但它们仍然是有区别的,就像华氏和摄氏之间的却别。

本文将介绍这些测试表是如何工作的,它们都检测什么,不检测什么,以及使用意义。而且还会提出些使用建议。

TDS测试表的工作原理

TDS表其实是电导率测试表。它们通过在两个或多个电极之间施加电压。带正电的离子(如钠离子,钙离子,镁离子,氢离子,等等)向负电荷的电极移动,带负电荷的离子(如氯离子,硫酸根离子,碳酸氢根离子等)将向正电荷的电极移动(图1)。离子的移动形成了电流。仪表通过检测离子的移动确定电流。

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图1:电极的导电原理图,显示离子的移动。黄色的中性分子不动。

TDS表实际在检测什么?

由于TDS表经常被用来检测水的纯度,因此,理解它不能检测的物质范围是非常重要的。因其源于电导率测试表,所以它只能检测到移动的电离子。而不会检测不带电的中性化合物。这类化合物包括糖、酒精、许多杀虫剂、不容性硅、氨和二氧化碳等。同时也不能检测到宏观粒子,因为太大,无法在既定的电场中检测它们的移动。所以,如果你看到水中有生锈的氧化铁颗粒,TDS是无法检测它们的。其它让水看起来很浑浊的颗粒也是无法检测的。细菌和病毒也不会被发现。

因此,TDS所代表的“总溶解固体”这个概念是徒有虚名的。“总电荷态离子”应该是更加精确的定义。幸运的是,对于水族应用已经足够了。

另外,测量电导率也是一种测试溶液中存在的离子种类和数量的方法。表1标注了等量的不同离子的电导率数值。不同离子之间的电导率有差异,这一点对于理解文中以下部分非常重要。带电荷较多的离子电导率较高,不仅因为其携带电荷多,在电场中向电极的移动速度也更快。例如,镁离子和硫酸根离子分别比钠离子和氯离子的电荷数多,其电导率也比后两者高。另一个特性是较大的离子在水中移动速度低于较小的离子,因此电导率倾向偏低。这其中还要考虑离子与水分子的结合率,因此不能简单的考虑其重量和直径。水合作用决定了阻力的大小。例如,锂离子比钠离子电导率低很多,而与钾离子比较情况会更好些。

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我能用万用表测试电导率吗?

有几个因素使人们无法用万用表精确测量电导率。电极的形状和大小会有区别,但更重要的是在电极之间发生了什么。如果向海水中施加直流电,会有大量的化学反应在电极上发生。有些离子会附着在电极上,有些会产生气体,电极本身也可能发生溶解。这些反应都会对溶液造成影响,从而改变电导率。

那么,电导率测试的探针是如何解决这些问题的?使用交流电替代直流电,电场方向变化速度非常快,不会形成电离子整体移动的效果。在一秒钟内,带电离子在不断往复运动。从总体上讲,溶液和电极都没有变化,因此可以测量精确的电导率。现代电导率测试仪器使用复杂的交流电波形,避免了很多简单测试时的干扰。

目前商用的电极基本都是2-4头的,可更有效的防止电极污染对测量结果的影响。电极可以是环氧树脂、石墨、玻璃、铂金、不锈钢等惰性材料。需要根据溶液的性质选择电极,而几乎所有的商用电极都可以用来测试自来水。

温度对TDS测试有影响吗?

最后一点比较复杂的是水中离子的电导率会收到温度的影响。这里有很多复杂因素的影响,但其中最简单的就是温度高了,离子的移动速率快了。离子移动速度越快,电导率自然就越高。电导率与温度之间的关系受到测量方法的限制。纯水表现出线性关系,温度升高1度,电导率升高4.55%。氯化钠溶液只能提高2.12%。自来水和其它自然水源中含有较多的离子,其反应往往是非线性的,但数值波动范围会低于纯水。

基于这个原理,几乎所有的电导率测试表都同时具有测量温度的功能。内置的计算功能会校正温度带来的变化,因此给出的数值一般都是标准温度(25度)时的电导率值。更高级的测试表还可供选择温度系数。有的甚至还能添加非线性规律。如果你的测试表有这个功能,最好使用,以校正其对淡水的曲线。一些最先进的设备还允许添加非线性曲线,测试超纯水。相关的应用说明在包装内会注明。

总之,因为测试表可以根据温度校正数值,因此无论样本水温多少,都可以直接测量。

ppm这个单位的含义

TDS表的测量单位比TDS本身的名字更具迷惑性。溶液的电导率往往与电阻有关。一般用mS/cm单位表示,而溶液电导率相对高,所以用 mS/cm作为单位。作为参考,纯水电导率是0.055 mS/cm。

遗憾的是,TDS测试表不会直接显示电导率数值。它们会将其转化为另一个概念,ppm,百万分之一。ppm与mg/kg是一样的。因此,TDS设备实际上是将电导率转化为了一个以重量为基础的单位。问题在于不同的使用者和不同设备的转换是不一样的。

如果你的TDS表度数是mS/cm单位的,下面所说关于ppm的内容就可以忽略了。Pinpoint Conductivity meter就是这样的产品(图2)。有些设备可以显示两种单位,Oakton Con 200就是这样的产品(图3)。

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图2: Pinpoint conductivity meter

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图3:Oakton Con 200 conductivity meter

真正的TDS表会将电导率转换成ppm单位。(如 Oakton TDS Tester)如可以转化为一定浓度(ppm)氯化钠溶液的电导率。因此,如果设备检测到电导率为447 mS/cm,将会显示215.5ppm,相当于215.5ppm的氯化钠溶液的电导率。

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图4:Oakton TDS Tester

遗憾的是,氯化钠溶液的电导率并非是线性变化的。不过,大多数粗略测量电导率的TDS表现在真的有趣了。如果这些仪器没有经过校准,我们不能确定它的ppm读数到底指哪种溶液。实际上,氯化钾比氯化钠作为参考物质使用得更广泛。此外,研究人员经常使用一种叫“442”的物质,这是40%硫酸钠,40%碳酸氢钠和20%氯化钠的混合液体。其目的是尽量模仿淡水中的离子种类。

这些系统在电导率和ppm的关系上有少许差异。表2显示了 Oakton提供的商用标准。对于水族用途来说,10ppm氯化钠的电导率和10ppm“442”的电导率没什么太大区别,但实际上可能有30-70%的误差,因此,两个人使用不同表测量同样的水,可能结果不同。当然,你也可以自己校准,但不是每种产品都支持的。

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TDS测试表使用技巧

1.使用前后用尽量干净的淡水冲洗探头。盐类的累积会干扰测试结果,同时也会污染溶液。

2.除了柔软的布料,不要用其他物质清洁电极,也不能用手触摸。

3.有必要清洗电极时,可将电极浸入醋酸内,然后用淡水清洗。如果电极是有机材料的,浸泡在酒精或漂白液内也有帮助。用柔然的材质擦也可以接受。

4.如果你对数值要求特别精确,请先自行校准。一个标准就足够的。如果你只是要求分辨数值是否为0,就没有校准的必要了。

5.所有的TDS表都能自动侦测0-50度的温度,即使是最便宜的也能。如果你的TDS恰巧没有温度检测,要知道25度是标准温度,低于25度时测量的数值时被人为压低的。

6.只有极其昂贵的TDS表有 cell constant功能。 cell constant可以说是另一种校准。大多数TDS表不支持。

7.如果你用TDS表测试RO过滤器,出水口的读数至少要低于入水口10倍。举例来说,如果自来水读数231ppm,则RO水应小于23ppm。在大多数情况下,应该下降更多。不能达到这个标准,说明RO膜出现了问题。

8.如果以此检测RO/DI过滤器,数值应该接近0。也许是1ppm。更高的数值说明某些过滤除了问题。然而,这不表示2ppm的水不能使用。但要注意,一旦数值开始攀升,其速度是相当快的。不要忽视1与0之间的对比。空气中的二氧化碳溶解在纯水中,也可能使TDS读数上升到1,有时TDS表会将纯水的读数读到1或2ppm。

9.如果你用TDS表测量石灰水,读数可能会达到9300ppm。

10.如果用TDS表直接测量水族箱里的海水,读数可能高达53000ppm。我不建议你这样做,因为海水的电导率不是线性分布的。

11.你可以使用手边的各种测试表测量TDS读数。关键是要让电极的两端完全浸入水中,两极之间不能有气泡和固体存在。因此,用TDS表直接测量流动的自来水流是不可能有准确读数的,数值已被人为降低了。

希望这篇文章能帮助你准确使用TDS测试表。

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