導電率センサー水質モニタリング

導電率とは何か？

導電率とは、水が電気を通す能力のことである。この伝導には、水中のイオンが電荷の運び手となる必要がある。純粋な水にはイオンが含まれていないため（時折存在する不正な水分子は別として）、電気の伝導性は非常に低い。しかし、水に化学塩が溶け込むと、その塩が水にイオンを加える。そのため、水のイオン強度が高くなればなるほど、導電率も高くなる。

イオンによって導電率への寄与が異なるため、導電率の測定が必ずしも水中のイオン濃度を示すとは限らないことに注意。酢酸イオンのような大きくて大きくないイオンは、電気をよく通すのに役立たない。H+のような小さくて速いイオンは、イオン1個あたりの導電率への寄与がはるかに大きい。天然水は通常、絶えず変化するイオンの混合物であるため、導電率の測定値はイオン濃度の相対的な測定値に過ぎません。

塩分濃度は、水の化学成分が海水に非常に似ていると仮定して、導電率から計算されることが多い。海水では、55,000μS/cmの導電率は35PSSの塩分濃度とほぼ同じである（PSSは実用的な塩分濃度で、従来のppt塩分濃度に取って代わった）。塩分濃度は、技術的には塩水の少量希釈や濃度にのみ定義されているため、淡水での作業ではほとんど使用されない。

なぜ導電率が水質モニタリングにおいて重要なのか？

化学的な観点からは、導電率の測定値は、水域の安定性を監視するために使用することができます。導電率が変化しないということは、通常、化学物質が水に添加されていないか、あるいは水から減算されていないことを意味する。導電率が急上昇する場合は、廃水流出口、農業排水、潮汐遡上などの汚染源からイオンが増加していることを示している。導電率の低下は、化学物質の減少や淡水の増加（降雨など）を示すことがある。

導電率の測定値は、動植物種の中には導電率の高低に敏感なものがあるため、生物学的健全性の判断にも使用できる。例えば、牡蠣は著しく希釈された海水ではうまくいかない。淡水の狩猟魚は塩分の多い水域ではうまくいかない。

導電率の測定値は、推論的に使用することもできる。例えば、淡水の海水浴場のモニタリングでは、導電率の急激な上昇は、廃水汚染や降雨による流出によるものだと考えるのが一般的です。したがって、導電率の急上昇は、海水浴場を閉鎖する理由となりうる。

最後に、導電率の測定値は、水位測定値と溶存酸素測定値を補正するために使用される。導電率の増加は水の密度を増加させることを意味するので、水位測定値は補正のために減少しなければならない。また、導電率を上げると水中の酸素の溶解度が下がるため、酸素飽和度の計算も補正のために上げなければならない。

導電率はどのように測定されるのか？

DOの測定には、一般的に2種類のセンサーが使用されている。伝統的なクラーク・セルは、水性電解質溶液で囲まれ、酸素透過性膜で覆われた2つの電極で構成されている。酸素が膜を通過して電解液に溶解すると、化学反応で消費され、2つの電極間に小さな電流が発生する。この電流は水試料中の酸素量に正比例する。この方法については、Standard Methods 4500-O Gに詳しく説明されています。

DOセンサーの第二のタイプは、Eureka社のHDOのような光学式DOセンサーで、酸素透過性ポリマーで安定化された酸素活性化合物に青色光が照射される。青色光によって酸素活性化合物が蛍光を発する。 すなわち、青色光の形でエネルギーを吸収し、赤色光としてエネルギーを放出する。つまり、酸素活性化合物を妨害する酸素分子が存在すると、赤色光の放出は減少する。酸素が多ければ多いほど、発生する赤色光の量は少なくなる。

ポリマー検出面が水にさらされると、水中の酸素の量（「分圧」）に応じて酸素が検出面に拡散する。したがって、センサーが受光する赤色光の量は、水中の酸素量に直接関係します。赤色光信号は適切なDO単位に校正されます。

光学式DOセンサーは、現場での校正ドリフトが少なく、流量に影響されず（サーキュレーターが不要）、クラークセンサーのユーザーを悩ませる難しい膜の交換が不要であるため、クラークセルよりも好まれ、標準となっています。2007年7月1日、EPAは40 CFR 136に基づくDO測定のためのASTM International Methods D888-05, Standard Test Methods for Dissolved Oxygen in Waterを承認し、光学式DOセンサーは政府機関で使用できるようになりました。

湖や川などに溶け込む酸素の量は、いくつかの変数に左右される。気圧が高ければ高いほど、水に溶ける酸素の量は多くなる。また、水温が高ければ高いほど、水に溶け込む酸素の量は少なくなる。

水温と気圧の特定の組み合わせに対して、水が吸収できる限りの酸素を吸収している場合、水は酸素で飽和していると言われる。平均して、酸素が水中にも水外にも移動していない場合、水中の酸素は大気中の酸素と平衡状態にあると言われる。

溶存酸素（DO）は一般に2つの単位で報告される。DO濃度とは、水中に溶けている酸素の重量で、mg/lまたはppmで報告される。DO飽和度は、同じ条件下で水試料に溶解できる酸素の最大量に対する水中の酸素の割合であり、飽和％で報告される。

旧式のクラークセルセンサーは従来、飽和空気で校正されていたが、空気飽和水での校正が支持されつつある。後者は、1リットルの容器に半リットルの水を入れて1分間振り、泡が水面に上がって消えるまで1分間待つ。DOセンサーはその水に浸され、安定するまでの時間が与えられる。水温と気圧がわかれば、その水が酸素で飽和していることがわかるので、測定器は水中のDOレベルを知ることができる。測定器はそれに応じてDOセンサーの読み取り値を設定します。