مجسات التوصيلية: مراقبة جودة المياه

ما هي الموصلية؟

التوصيلية هي قدرة الماء على توصيل الكهرباء. ويتطلب هذا التوصيل أن تكون الأيونات في الماء حاملة للشحنات. لا يحتوي الماء النقي على أيونات (باستثناء جزيئات الماء المارقة العرضية)، وبالتالي فهو موصل ضعيف للغاية للكهرباء. ولكن عندما يلتقط الماء الأملاح الكيميائية، تضيف هذه الأملاح أيونات إلى الماء عندما تذوب. لذا كلما زادت القوة الأيونية للماء، زادت الموصلية الكهربائية – فكلما زادت “ملوحة” الماء، زادت الموصلية الكهربائية.

لاحظ أن قياس التوصيلية لا يخبرك بالضرورة بتركيز الأيونات في الماء، لأن الأيونات المختلفة لها إسهامات مختلفة في التوصيلية. لا تساعد الأيونات الكبيرة غير الضخمة، مثل الأسيتات، في توصيل الكهرباء بشكل جيد. أما الأيونات الصغيرة والسريعة، مثل H+، فتسهم في التوصيلية الكهربائية بشكل أكبر بكثير لكل أيون. وبما أن المياه الطبيعية عادة ما تكون عبارة عن مخاليط دائمة التغير من الأيونات، فإن قراءة التوصيلية ليست سوى قياس نسبي لتركيز الأيونات.

غالبًا ما يتم حساب الملوحة من التوصيلية بافتراض أن الماء مشابه جدًا في تكوينه الكيميائي لمياه البحر. في مياه البحر، فإن الموصلية التي تبلغ 55000 ميكرو ثانية/سم تساوي تقريبًا نفس درجة الملوحة التي تبلغ 35 PSS (PSS هو مقياس الملوحة العملي، والذي حل محل وحدات الملوحة التقليدية ppt). يتم تعريف الملوحة تقنياً فقط للتخفيفات والتركيزات الصغيرة للمياه المالحة، ولذلك نادراً ما تستخدم في أعمال المياه العذبة.

ما أهمية التوصيلية في مراقبة جودة المياه؟

من وجهة نظر كيميائية، يمكن استخدام قراءات التوصيلية لمراقبة استقرار المسطح المائي. وعادة ما يعني عدم تغير الموصلية عدم إضافة أي مواد كيميائية إلى الماء أو طرحها منه. يمكن أن يشير الارتفاع في الموصلية إلى زيادة في الأيونات من مصدر تلوث، مثل مصب مياه الصرف أو الجريان السطحي الزراعي أو تسرب المد والجزر. ويمكن أن يشير الانخفاض في الموصلية إلى انخفاض في المدخلات الكيميائية و/أو زيادة في مدخلات المياه العذبة (من حدث هطول الأمطار، على سبيل المثال).

يمكن أيضًا استخدام قراءات التوصيلية للحكم على الصحة البيولوجية لأن بعض الأنواع النباتية والحيوانية حساسة للموصلية العالية أو المنخفضة. فالمحار على سبيل المثال لا يعمل بشكل جيد في مياه البحر المخففة بشكل كبير. ولا تعمل أسماك طرائد المياه العذبة بشكل جيد في المياه المالحة.

ويمكن أيضًا استخدام قراءات التوصيلية بشكل استنتاجي. على سبيل المثال، من الشائع في رصد شواطئ المياه العذبة افتراض أن الزيادة المفاجئة في التوصيلية ناتجة عن تلوث مياه الصرف أو جريان مياه الأمطار – وكلاهما يرتبط عادةً بارتفاع عدد البكتيريا. وبالتالي، قد يكون ارتفاع الموصلية سبباً لإغلاق الشواطئ.

وأخيرًا، تُستخدم قراءات التوصيلية لتصحيح قياسات مستوى الماء وقراءات الأكسجين المذاب. زيادة التوصيلية تعني زيادة كثافة الماء، لذلك يجب تقليل قياسات مستوى الماء للتعويض عن ذلك. كما أن زيادة الموصلية تقلل أيضًا من ذوبان الأكسجين في الماء، لذلك يجب زيادة حسابات النسبة المئوية لتشبع الأكسجين للتعويض عن ذلك.

كيف تُقاس التوصيلية؟

هناك نوعان من المستشعرات يشيع استخدامهما لقياس DO. وتتكون خلية كلارك التقليدية من قطبين كهربائيين محاطين بمحلول إلكتروليت مائي ومغطى بغشاء قابل للنفاذ للأكسجين. عندما يعبر الأكسجين الغشاء ليذوب في الإلكتروليت، يتم استهلاكه في تفاعل كيميائي يولد تيارًا كهربائيًا صغيرًا بين القطبين. ويتناسب هذا التيار طرديًا مع كمية الأكسجين في عينة الماء. تم وصف هذه الطريقة بمزيد من التفصيل في الطرق القياسية 4500-O G. لم تعد Eureka تقدم هذا النوع من أجهزة الاستشعار.

أما النوع الثاني من مستشعرات التشبع الضوئي فهو مستشعر التشبع الضوئي البصري، مثل مستشعر التشبع الضوئي HDO من يوريكا، حيث يتم توجيه ضوء أزرق إلى مركب نشط الأكسجين الذي تم تثبيته في بوليمر قابل لنفاذ الأكسجين. ويؤدي الضوء الأزرق إلى تألق المركب النشط بالأكسجين – أي أنها تمتص الطاقة في شكل ضوء أزرق ثم تبعث الطاقة في صورة ضوء أحمر. يتم إخماد التألق بواسطة الأكسجين – أي أن انبعاث الضوء الأحمر ينخفض في حالة وجود جزيئات الأكسجين التي تتداخل مع المركب النشط بالأكسجين. كلما زادت كمية الأكسجين الموجودة، قلت كمية الضوء الأحمر المنبعثة.

عندما يتعرض سطح الاستشعار البوليمر للماء، ينتشر الأكسجين في سطح الاستشعار وفقًا لكمية (“الضغط الجزئي”) الأكسجين في الماء. وبالتالي، فإن كمية الضوء الأحمر التي يستقبلها المستشعر ترتبط مباشرةً بكمية الأكسجين في الماء. تتم معايرة إشارة الضوء الأحمر إلى وحدات DO المناسبة.

أصبحت مستشعرات DO الضوئية هي المعيار، وهي مفضلة على خلايا كلارك، لأن لديها القليل من انحراف المعايرة في الميدان، وليست حساسة للتدفق (لا حاجة إلى جهاز تدوير)، ولا تتطلب تغييرات صعبة في الغشاء تزعج مستخدمي مستشعرات كلارك. في 1 يوليو 2007، وافقت وكالة حماية البيئة الأمريكية على الطريقة الدولية ASTM D888-05، طرق الاختبار القياسية للأكسجين المذاب في الماء لقياس الأكسجين المذاب في الماء بموجب 40 CFR 136، مما يجعل أجهزة استشعار الأكسجين المذاب الضوئي مقبولة للاستخدام من قبل الوكالات الحكومية.

تعتمد كمية الأكسجين الذائبة في بحيرة أو نهر، على سبيل المثال، على عدة متغيرات. فكلما ارتفع الضغط الجوي، زادت كمية الأكسجين التي يمكن أن تذوب في الماء. وكلما ارتفعت درجة حرارة الماء، كلما قلت كمية الأكسجين التي يمكن أن تذوب في الماء.

إذا كان الماء قد امتص أكبر قدر ممكن من الأكسجين في مزيج معين من درجة الحرارة والضغط الجوي، يُقال إن الماء مشبع بالأكسجين. أما إذا لم يتحرك أي أكسجين إلى الماء أو خارج الماء في المتوسط، فيقال إن الأكسجين في الماء في حالة توازن مع الأكسجين في الغلاف الجوي.

عادة ما يتم الإبلاغ عن الأكسجين المذاب (DO) بوحدتين. تركيز DO هو وزن الأكسجين الذائب في الماء ويتم الإبلاغ عنه بوحدة ملغم/لتر أو جزء في المليون. النسبة المئوية لتشبع الأكسجين المذاب هي نسبة الأكسجين في الماء إلى أقصى كمية أكسجين يمكن أن تذوب في عينة الماء في نفس الظروف ويتم الإبلاغ عنها بوحدة النسبة المئوية للتشبع.

كان يتم معايرة مستشعر Clark Cell الأقدم تقليديًا في الهواء المشبع بالماء، ولكن المعايرة في الماء المشبع بالهواء تزداد شعبية. ويتم هذا الأخير عن طريق رج نصف لتر من الماء في وعاء سعته لتر واحد لمدة دقيقة واحدة، ثم الانتظار لمدة دقيقة واحدة حتى ترتفع الفقاعات إلى السطح وتختفي. يُغمر مستشعر DO في هذا الماء ويُعطى وقتًا حتى يستقر. من خلال معرفة درجة حرارة الماء والضغط البارومتري، يمكن للجهاز معرفة مستوى التشبع بالأكسجين في الماء لأنه يعرف أن الماء مشبع بالأكسجين. يضبط الجهاز قراءة مستشعر DO وفقًا لذلك.