Senzory rozpuštěného kyslíku: Monitorování kvality vody

Co je to rozpuštěný kyslík?

Kapalná voda je volná matrice molekul vody. Pokud se voda bez kyslíku dostane do kontaktu se zdrojem kyslíku, například s atmosférou, kyslík se pomalu přesune do mezer v matrici molekul vody. Tento kyslík se nazývá rozpuštěný kyslík (DO); je to totéž jako rozpouštění kuchyňské soli ve vodě. Kyslík rozpuštěný ve vodě pochází z atmosféry a/nebo z fotosyntetizujících organismů (řas) ve vodě.

Proč bych měl měřit rozpuštěný kyslík?

Ryby a další vodní živočichové musí stejně jako lidé dýchat kyslík, aby mohli žít, a jsou přizpůsobeni k dýchání kyslíku rozpuštěného ve vodě namísto kyslíku z atmosféry. Lovné ryby, například pstruzi, vyžadují vysokou hladinu DO; drsné ryby, například kapři, mohou existovat i při nižší hladině DO. Úhyn ryb je často způsoben nízkou hladinou DO, která je paradoxně často vyvolána rozkladem řas, které před úhynem dodávaly do vody kyslík.

DO ovlivňuje také základní chemický složení vody. Vysoce okysličené vody podporují oxidovanou formu chemických látek; vody s nízkým obsahem kyslíku podporují redukovanou formu chemických látek. Například okysličené vody upřednostňují síru ve formě síranů SO4, zatímco odkysličené vody upřednostňují síru ve formě sirovodíku (H2S). Síran je neškodná látka, ale sirovodík je jed.

Téměř nulové hodnoty DO se často vyskytují v sedimentech nahromaděných na dně vodního útvaru. Tato chemicky redukující oblast pomáhá vázat živiny a kovy v sedimentu.

Změny v dlouhodobých trendech DO mohou signalizovat potřebu podrobnějšího chemického zkoumání vody a zdrojů jejího znečištění.

Jak se měří DO (rozpuštěný kyslík)?

K měření DO se běžně používají dva typy senzorů. Tradiční Clarkův článek se skládá ze dvou elektrod obklopených roztokem elektrolytu na bázi vody a pokrytých membránou propouštějící kyslík. Když kyslík prochází membránou a rozpouští se v elektrolytu, spotřebovává se při chemické reakci, která generuje malý elektrický proud mezi oběma elektrodami. Tento proud je přímo úměrný množství kyslíku ve vzorku vody. Tato metoda je dále popsána ve standardní metodě 4500-O G. Společnost Eureka již tento typ senzoru nenabízí.

Druhým typem senzoru DO je optický senzor DO, jako je HDO společnosti Eureka, u kterého je modré světlo nasměrováno na kyslík-aktivní sloučeninu, která je stabilizována v polymeru propouštějícím kyslík. Modré světlo způsobí, že kyslíková aktivní sloučenina fluoreskuje. tj. absorbuje energii ve formě modrého světla a následně ji vyzařuje jako červené světlo. Fluorescence je zhášena kyslíkem – to znamená, že emise červeného světla se snižuje, pokud jsou přítomny molekuly kyslíku, které interferují s kyslíkem aktivní sloučeninou. Čím více kyslíku je přítomno, tím menší je množství produkovaného červeného světla.

Když je polymerní snímací povrch vystaven působení vody, kyslík difunduje do snímacího povrchu v závislosti na množství („parciálním tlaku“) kyslíku ve vodě. Množství červeného světla zachyceného senzorem je tedy přímo závislé na množství kyslíku ve vodě. Signál červeného světla je kalibrován na správné jednotky DO.

Optické senzory DO se staly standardem a jsou upřednostňovány před Clarkovými buňkami, protože mají malý kalibrační drift v terénu, nejsou citlivé na průtok (není potřeba cirkulátor) a nevyžadují složité výměny membrán, které obtěžují uživatele Clarkových senzorů. Dne 1. července 2007 schválila EPA mezinárodní metodu ASTM D888-05, Standard Test Methods for Dissolved Oxygen in Water (Standardní zkušební metody pro rozpuštěný kyslík ve vodě) pro měření DO podle 40 CFR 136, čímž se optické senzory DO staly přijatelnými pro použití vládními agenturami.

Množství rozpuštěného kyslíku například v jezeře nebo řece závisí na několika proměnných. Čím vyšší je barometrický tlak, tím více kyslíku se může ve vodě rozpustit. A čím vyšší je teplota vody, tím méně kyslíku se ve vodě může rozpustit.

Pokud voda absorbuje tolik kyslíku, kolik je pro danou kombinaci teploty a barometrického tlaku možné, říká se, že je voda nasycena kyslíkem. Pokud se do vody v průměru žádný kyslík nedostává a z vody nevytéká, říká se, že kyslík ve vodě je v rovnováze s kyslíkem v atmosféře.

Rozpuštěný kyslík (DO) se běžně uvádí ve dvou jednotkách. Koncentrace DO je hmotnost kyslíku rozpuštěného ve vodě a uvádí se v mg/l nebo ppm. Procento nasycení DO je poměr kyslíku ve vodě k maximálnímu množství kyslíku, které se může rozpustit ve vzorku vody za stejných podmínek, a uvádí se v % nasycení.

Starší senzory Clark Cell se tradičně kalibrovaly ve vzduchu nasyceném vodou, ale stále více se prosazuje kalibrace ve vodě nasycené vzduchem. Ta se provádí tak, že se půl litru vody v litrové nádobě po dobu jedné minuty protřepává a poté se minutu čeká, až bublinky vystoupají na hladinu a zmizí. Senzor DO se ponoří do této vody a nechá se mu čas na ustálení. Díky znalosti teploty vody a barometrického tlaku může přístroj zjistit hladinu DO ve vodě, protože ví, že voda je nasycena kyslíkem. Přístroj podle toho nastaví údaj snímače DO.