Sensori di ossigeno disciolto: Monitoraggio della qualità dell’acqua

Che cos’è l’ossigeno disciolto?

L’acqua liquida è una matrice sciolta di molecole d’acqua. Se l’acqua priva di ossigeno entra in contatto con una fonte di ossigeno, come l’atmosfera, l’ossigeno si sposta lentamente negli spazi vuoti della matrice di molecole d’acqua. L’ossigeno viene chiamato ossigeno disciolto (DO); è la stessa cosa che accade quando si scioglie il sale da cucina in acqua. L’ossigeno disciolto nell’acqua proviene dall’atmosfera e/o dagli organismi fotosintetici (alghe) presenti nell’acqua.

Perché dovrei misurare l’ossigeno disciolto?

Come gli esseri umani, i pesci e gli altri animali acquatici devono respirare ossigeno per vivere e sono adattati a respirare l’ossigeno disciolto nell’acqua anziché quello presente nell’atmosfera. I pesci selvatici, come le trote, hanno bisogno di alti livelli di DO, mentre i pesci rudimentali, come le carpe, possono vivere con livelli di DO più bassi. Le morie di pesci sono spesso causate da bassi livelli di DO, spesso innescati, ironia della sorte, dalla decomposizione delle alghe che avevano aggiunto ossigeno all’acqua prima della morte.

Il DO influenza anche la chimica di base dell’acqua. Le acque altamente ossigenate favoriscono la forma ossidata delle sostanze chimiche; le acque scarsamente ossigenate favoriscono la forma ridotta delle sostanze chimiche. Ad esempio, le acque ossigenate favoriscono lo zolfo sotto forma di solfato, SO4, mentre le acque deossigenate favoriscono lo zolfo sotto forma di idrogeno solforato (H2S). Il solfato è una sostanza benigna, mentre l’idrogeno solforato è un veleno.

I livelli di DO prossimi allo zero si trovano spesso nei sedimenti accumulati sul fondo di un corpo idrico. Questo regno chimicamente riducente aiuta a bloccare i nutrienti e i metalli nei sedimenti.

I cambiamenti nelle tendenze a lungo termine del DO possono segnalare la necessità di uno studio chimico più dettagliato dell’acqua e delle sue fonti di contaminazione.

Come si misura il DO (ossigeno disciolto)?

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.