Senzory vodivosti: Monitorování kvality vody

Co je to vodivost?

Vodivost je schopnost vody vést elektrický proud. Tato vodivost vyžaduje, aby ionty ve vodě byly nositeli náboje. Čistá voda neobsahuje žádné ionty (kromě občasných molekul vody), a proto je velmi špatným vodičem elektřiny. Voda však přijímá chemické soli a ty při svém rozpouštění přidávají do vody ionty. S rostoucí iontovou silou vody tedy roste i vodivost – čím je voda „slanější“, tím je vodivost vyšší.

Měření vodivosti nemusí nutně vypovídat o koncentraci iontů ve vodě, protože různé ionty se na vodivosti podílejí různě. Velké, nevýrazné ionty, jako je octan, nepomáhají dobře vést elektrický proud. Malé, rychlé ionty, jako je H+, přispívají k vodivosti v přepočtu na jeden ion mnohem více. Protože přírodní vody jsou obvykle neustále se měnící směsi iontů, je údaj o vodivosti pouze relativním měřením koncentrace iontů.

Slanost se často vypočítává z vodivosti za předpokladu, že voda je svým chemickým složením velmi podobná mořské vodě. V mořské vodě je vodivost 55 000 µS/cm zhruba stejná jako salinita 35 PSS (PSS je praktická stupnice salinity, která nahradila tradiční jednotky salinity ppt). Slanost je technicky definována pouze pro malá ředění a koncentrace slané vody, a proto se při práci se sladkou vodou používá jen zřídka.

Proč je vodivost důležitá při sledování kvality vody?

Z chemického hlediska lze údaje o vodivosti použít ke sledování stability vodního útvaru. Neměnná vodivost obvykle znamená, že do vody nejsou přidávány ani z ní odebírány žádné chemické látky. Prudký nárůst vodivosti může naznačovat nárůst iontů ze zdroje znečištění, například z výtoku odpadních vod, zemědělského splachu nebo přílivu. Pokles vodivosti může znamenat snížení přísunu chemických látek a/nebo zvýšení přísunu sladké vody (například v důsledku dešťových srážek).

Údaje o vodivosti lze také použít k posouzení biologického zdraví, protože některé druhy rostlin a živočichů jsou citlivé na vysokou nebo nízkou vodivost. Například ústřicím se ve výrazně zředěné mořské vodě nedaří. Sladkovodním lovným rybám se zase nedaří ve slaných vodách.

Údaje o vodivosti lze použít také odvozeně. Například při monitorování sladkovodních pláží se běžně předpokládá, že náhlé zvýšení vodivosti je způsobeno znečištěním odpadními vodami nebo dešťovými srážkami – obojí je obvykle spojeno s vysokým počtem bakterií. Proto může být nárůst vodivosti důvodem k uzavření pláží.

Nakonec se údaje o vodivosti používají ke korekci měření hladiny vody a údajů o rozpuštěném kyslíku. Zvýšení vodivosti znamená zvýšení hustoty vody, takže měření hladiny vody se musí snížit, aby se to kompenzovalo. Zvýšení vodivosti také snižuje rozpustnost kyslíku ve vodě, takže výpočty procenta nasycení kyslíkem se musí zvýšit, aby se to kompenzovalo.

Jak se měří vodivost?

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.