Sensori di conducibilità: Monitoraggio della qualità dell’acqua

Che cos’è la conduttività?

La conduttività è la capacità dell’acqua di condurre l’elettricità. Questa conduzione richiede che gli ioni presenti nell’acqua siano portatori di carica. L’acqua pura non contiene ioni (a parte qualche sporadica molecola d’acqua) e quindi è un pessimo conduttore di elettricità. Ma quando l’acqua raccoglie i sali chimici, questi aggiungono ioni all’acqua quando si dissolvono. Quindi, all’aumentare della forza ionica dell’acqua, aumenta anche la conduttività: più l’acqua è “salata”, più alta è la conduttività.

Tieni presente che la misurazione della conducibilità non ti dice necessariamente la concentrazione di ioni nell’acqua, perché ioni diversi contribuiscono in modo diverso alla conducibilità. Gli ioni grandi e poco ingombranti, come l’acetato, non aiutano a condurre bene l’elettricità. Gli ioni piccoli e veloci, come l’H+, contribuiscono molto di più alla conducibilità. Poiché le acque naturali sono solitamente miscele di ioni in continua evoluzione, la lettura della conducibilità è solo una misura relativa della concentrazione di ioni.

La salinità viene spesso calcolata a partire dalla conducibilità, ipotizzando che l’acqua abbia una composizione chimica molto simile a quella dell’acqua di mare. In acqua di mare, una conducibilità di 55.000 µS/cm equivale più o meno a una salinità di 35 PSS (PSS è la scala di salinità pratica, che ha sostituito le tradizionali unità di salinità in ppt). La salinità è tecnicamente definita solo per piccole diluizioni e concentrazioni di acqua salata e quindi è raramente utilizzata in lavori con acqua dolce.

Perché la conducibilità è importante nel monitoraggio della qualità dell’acqua?

Dal punto di vista chimico, le letture della conducibilità possono essere utilizzate per monitorare la stabilità di un corpo idrico. Una conducibilità invariata di solito significa che non vengono aggiunte o sottratte sostanze chimiche all’acqua. Un picco di conducibilità può indicare un aumento di ioni da una fonte di inquinamento, come un emissario di acque reflue, un deflusso agricolo o un’intrusione di marea. Un calo della conduttività può indicare una riduzione dell’apporto di sostanze chimiche e/o un aumento dell’apporto di acqua dolce (ad esempio, da un evento di pioggia).

Le letture della conducibilità possono essere utilizzate anche per giudicare la salute biologica, perché alcune specie vegetali e animali sono sensibili a conducibilità elevate o basse. Le ostriche, ad esempio, non si trovano bene in acqua di mare molto diluita. I pesci selvatici d’acqua dolce non si trovano bene in acque salate.

Le letture della conducibilità possono anche essere utilizzate in modo inferenziale. Ad esempio, nel monitoraggio delle spiagge d’acqua dolce è comune ritenere che un aumento improvviso della conduttività sia dovuto alla contaminazione delle acque reflue o al deflusso delle piogge, entrambi solitamente associati a un’elevata carica batterica. Quindi, il picco di conducibilità può essere un motivo per chiudere le spiagge.

Infine, le letture della conducibilità vengono utilizzate per correggere le misurazioni del livello dell’acqua e le letture dell’ossigeno disciolto. L’aumento della conduttività comporta un aumento della densità dell’acqua, quindi le misurazioni del livello dell’acqua devono essere ridotte per compensare. L’aumento della conducibilità riduce anche la solubilità dell’ossigeno nell’acqua, quindi i calcoli della percentuale di saturazione dell’ossigeno devono essere aumentati per compensare.

Come si misura la conduttività?

Esistono due tipi di sensori comunemente utilizzati per misurare il DO. La tradizionale cella di Clark è costituita da due elettrodi circondati da una soluzione elettrolitica a base di acqua e ricoperti da una membrana permeabile all’ossigeno. Quando l’ossigeno attraversa la membrana per dissolversi nell’elettrolita, viene consumato in una reazione chimica che genera una piccola corrente elettrica tra i due elettrodi. Tale corrente è direttamente proporzionale alla quantità di ossigeno presente nel campione d’acqua. Questo metodo è ulteriormente descritto nei Metodi Standard 4500-O G. Eureka non offre più questo tipo di sensore.

Il secondo tipo di sensore DO è il sensore ottico DO, come l’HDO di Eureka, in cui una luce blu è diretta verso un composto attivo per l’ossigeno stabilizzato in un polimero permeabile all’ossigeno. La luce blu fa sì che il composto attivo per l’ossigeno diventi fluorescente. cioè assorbe energia sotto forma di luce blu e poi emette energia sotto forma di luce rossa. La fluorescenza viene spenta dall’ossigeno: in altre parole, l’emissione di luce rossa si riduce se sono presenti molecole di ossigeno che interferiscono con il composto attivo sull’ossigeno. Più ossigeno è presente, minore è la quantità di luce rossa prodotta.

Quando la superficie di rilevamento polimerica è esposta all’acqua, l’ossigeno si diffonde nella superficie di rilevamento in base alla quantità (“pressione parziale”) di ossigeno presente nell’acqua. Pertanto, la quantità di luce rossa ricevuta dal sensore è direttamente correlata alla quantità di ossigeno presente nell’acqua. Il segnale di luce rossa viene calibrato in base alle unità DO corrette.

I sensori ottici di DO sono diventati lo standard e sono preferiti alle celle Clark, perché hanno una bassa deriva di calibrazione sul campo, non sono sensibili al flusso (non è necessario un circolatore) e non richiedono le difficili modifiche della membrana che infastidiscono gli utenti dei sensori Clark. Il 1° luglio 2007 l’EPA ha approvato il metodo internazionale ASTM D888-05, Standard Test Methods for Dissolved Oxygen in Water per la misurazione del DO ai sensi del 40 CFR 136, rendendo i sensori ottici DO accettabili per l’uso da parte delle agenzie governative.

La quantità di ossigeno disciolto, ad esempio, in un lago o in un fiume, dipende da diverse variabili. Più alta è la pressione barometrica, più ossigeno può dissolversi nell’acqua. Quanto più alta è la temperatura dell’acqua, tanto minore è la quantità di ossigeno disciolto nell’acqua.

Se l’acqua ha assorbito tutto l’ossigeno possibile per una particolare combinazione di temperatura e pressione barometrica, si dice che l’acqua è satura di ossigeno. Se, in media, l’ossigeno non entra o esce dall’acqua, si dice che l’ossigeno nell’acqua è in equilibrio con l’ossigeno dell’atmosfera.

L’ossigeno disciolto (DO) viene comunemente indicato in due unità. La concentrazione di DO è il peso dell’ossigeno disciolto nell’acqua e viene indicata in mg/l o ppm. La saturazione percentuale di DO è il rapporto tra l’ossigeno presente nell’acqua e la quantità massima di ossigeno che può dissolversi in un campione d’acqua nelle stesse condizioni ed è indicata in % di saturazione.

I vecchi sensori Clark Cell venivano tradizionalmente calibrati in aria satura d’acqua, ma la calibrazione in acqua satura d’aria sta diventando sempre più popolare. Quest’ultima si effettua agitando per un minuto mezzo litro d’acqua in un contenitore da un litro e aspettando un minuto affinché le bolle salgano in superficie e scompaiano. Il sensore DO viene immerso in quell’acqua e gli viene dato il tempo di stabilizzarsi. Conoscendo la temperatura dell’acqua e la pressione barometrica, lo strumento è in grado di determinare il livello di DO nell’acqua perché sa che l’acqua è satura di ossigeno. Lo strumento imposta la lettura del sensore DO di conseguenza.