The applicability of a field pH meter in a laboratory setting : evaluation of field pH meter in compost and soil monitoring as a resource-efficient alternative to standardised methodology

Abstract

The aim was to identify if a field pH meter can be used in monitoring soil and compost pH as a more time-efficient but as accurate method compared to the standardised method described in EN 13037:2011. The study was commissioned by the Environmental Laboratory Department at Tampere University of Applied Sciences.

This was done by conducting a comparative assessment using quantitative and qualitative methods. The quantitative research included a series of analyses on four (4) samples with varying acidities, from about pH 4 to 9, of which four (4) replicas were produced and measured with two (2) types of field pH meters; the pen tester HI981030 and the handheld meter HI98168, both from Hanna Instruments, using direct sample measurements and comparing these to the values obtained with the benchtop meter FEP20 from Mettler Toledo applying standard method EN 13037:2011 using un-dried and dried samples. Recorded values were used to determine the average pH and temperature. Each method was timed, from meter calibration through sample measurement and cleaning. The qualitative part consisted of observations made during device handling to evaluate device characteristics and establish the lack of features needed in a laboratory-scale meter.

The findings revealed differences in direct and standard measurements. The pH values acquired with both methods were comparable within the first unit. However, the values obtained with field meters were more comparable due to agreement within the first unit, and the mantissa's figures were adjacent to some degree, with a difference of 0.12 to 0.23 pH units; this also applied to the readings obtained with the FEP20 benchtop meter with un-dried and dried samples, which varied between 0.04 to 0.54 pH units. The direct measuring approach, including calibration, was shown to take about 65 minutes to 70 minutes, and the standard method with dried samples 5 hours and 55 minutes, and un-dried samples 4 hours and 55 minutes.

None of the meters seemed to be preferable to the others. Pen tester HI981030 was considered unsuitable for laboratory usage due to insufficient sample temperature and calibration efficiency information. From the perspective of time efficiency, field pH meters might be utilised for monitoring. Since there was a variance in pH values, it would be desirable to conduct similar research to determine the cause.

Tämä tutkimus toteutettiin Tampereen ammattikorkeakoulun ympäristölaboratorion toimeksiannosta, tavoitteena oli arvioida, täydentävää tapaa monitoroida kompostin ja maaperän pH:ta käyttäen kenttämittaria ja selvittää, voisiko se osoittautua aikatehokkaammaksi mutta yhtä tarkaksi menetelmäksi kuin eurooppalaisessa standardissa (EN) 13037:2011 määritetty menetelmä.

Tutkimuksessa käytettiin vertailevaa lähestymistapaa, johon sisältyi määrällisiä ja laadullisia menetelmiä. Määrälliseen analyysiin kuului neljän (4) näytteen mittaussarja, joiden happamuus oli noin pH 4:n ja 9:n välillä. Kustakin näytteestä otettiin neljä (4) rinnakkaista näytettä, joiden mittausarvoja käytettiin keskimääräisen pH:n ja lämpötilan määrittämiseen. Vertailussa käytettiin kahta erityyppistä kenttäkäyttöön tarkoitettua pH-mittaria, kynämittari HI981030 ja käsikäyttöinen mittari HI98168, molemmat Hanna Instrument:ilta, joita verrattiin laboratoriopöytämittariin FEP20 Mettler Toledo:lta. Kenttämittareiden kanssa käytettiin näytteen suoraa mittausmenetelmää ja pöytämittarilla käytettiin EN 13037:2011:ssä määriteltyä menetelmää käyttämällä kuivattuja ja kuivaamattomia näytteitä. Mittausmenetelmä, mukaan lukien mittarin kalibrointi, näytteen valmistus, näytteen mittaus ja siivous, ajoitettiin alusta loppuun. Tutkimuksen laadullinen osa koostui laitteen käsittelyn aikana tehdyistä havainnoista, joilla arvioitiin laitteen ominaisuuksia, jotta voitiin todeta puuttuvat ominaisuudet, joita laboratoriomittarissa tarvitaan.

Molemmilla menetelmillä mitatut pH-arvot olivat vertailukelpoisia ensimmäisen yksikön rajoissa. Kuitenkin kenttämittareilla mitatut arvot olivat vertailukelpoisempia keskenään, sillä ne olivat yhdenmukaisia ensimmäisen yksikön tarkkuudella ja desimaaliosan luvut olivat jossain määrin lähellä toisiaan, ero oli 0.12 - 0.23 pH-yksikköä, tämä koski myös pH-arvoja, jotka mitattiin laboratoriopöytämittarilla FEP20 kuivatuilla ja kuivaamattomilla näytteillä, ero oli 0.04 - 0.54 pH-yksikköä. Suoran mittausmenetelmän todettiin kestävän noin 65 minuutista 70 minuuttiin, kun taas standardimenetelmä kuivatuilla näytteillä kesti 5 tuntia ja 55 minuuttia ja kuivaamattomilla näytteillä 4 tuntia ja 55 minuuttia.

Mikään mittari ei osoittautunut olevan muita parempi. Laitteen ominaisuuksien osalta kävi kuitenkin ilmi, että kynämittari HI981030 ei sovellu laboratoriokäyttöön, koska se ei ilmoita kalibrointitehokkuutta ja lämpötilaa. Suora mittausmenetelmä on osoittautunut aikatehokkaaksi, mutta pH-arvojen erojen vuoksi ei voitu todeta, olivatko molemmat menetelmät yhtä tarkkoja, ja siksi on tarvetta aiheen jatkotutkimukseen.