Sensoren voor opgeloste zuurstof: Monitoring waterkwaliteit

Wat is opgeloste zuurstof?

Vloeibaar water is een losse matrix van watermoleculen. Als water zonder zuurstof in contact komt met een zuurstofbron, zoals de atmosfeer, dan zal zuurstof zich langzaam verplaatsen naar de openingen in de matrix van watermoleculen. Die zuurstof wordt opgeloste zuurstof (DO) genoemd; het is hetzelfde als keukenzout oplossen in water. Zuurstof opgelost in water is afkomstig uit de atmosfeer en/of fotosynthetische organismen (algen) in het water.

Waarom zou ik opgeloste zuurstof willen meten?

Net als mensen moeten vissen en andere waterdieren zuurstof inademen om te kunnen leven, en ze zijn aangepast om zuurstof opgelost in het water in te ademen in plaats van zuurstof uit de atmosfeer. Sportvissen, zoals forel, hebben hoge DO-niveaus nodig; ruige vissen, zoals karper, kunnen bij lagere DO-niveaus leven. Vissterfte wordt vaak veroorzaakt door lage DO-niveaus, die ironisch genoeg vaak worden veroorzaakt door de ontbinding van de algen die vóór de dood zuurstof aan het water hadden toegevoegd.

DO beïnvloedt ook de basischemie van het water. Water met een hoog zuurstofgehalte heeft een voorkeur voor de geoxideerde vorm van chemicaliën; water met een laag zuurstofgehalte heeft een voorkeur voor de gereduceerde vorm van chemicaliën. Zo hebben zuurstofrijke wateren een voorkeur voor zwavel in de vorm van sulfaat, SO4, terwijl zuurstofarme wateren een voorkeur hebben voor zwavel in de vorm van waterstofsulfide (H2S). Sulfaat is een goedaardige stof, maar waterstofsulfide is een gif.

Bijna-nul DO-niveaus worden vaak gevonden in sediment dat zich op de bodem van een waterlichaam verzamelt. Dit chemisch reducerende rijk helpt voedingsstoffen en metalen vast te zetten in het sediment.

Veranderingen in lange-termijn DO-trends kunnen wijzen op de noodzaak voor meer gedetailleerd chemisch onderzoek van het water en de verontreinigingsbronnen.

Hoe wordt DO (opgeloste zuurstof) gemeten?

Er zijn twee soorten sensoren die gewoonlijk gebruikt worden om DO te meten. De traditionele Clark Cell bestaat uit twee elektroden omgeven door een elektrolytoplossing op waterbasis en bedekt met een zuurstofdoorlatend membraan. Wanneer zuurstof het membraan passeert om op te lossen in de elektrolyt, wordt het verbruikt in een chemische reactie die een kleine elektrische stroom genereert tussen de twee elektroden. Die stroom is recht evenredig met de hoeveelheid zuurstof in het watermonster. Deze methode wordt verder beschreven in Standaardmethode 4500-O G. Eureka biedt dit type sensor niet meer aan.

Het tweede type DO-sensor is de optische DO-sensor, zoals Eureka’s HDO, waarbij blauw licht wordt gericht op een zuurstofactieve verbinding die is gestabiliseerd in een zuurstofdoorlatend polymeer. Het blauwe licht zorgt ervoor dat de zuurstofactieve verbinding fluoresceert. Dit betekent dat het energie absorbeert in de vorm van blauw licht en vervolgens energie uitzendt in de vorm van rood licht. De fluorescentie wordt gedempt door zuurstof – dat wil zeggen dat de emissie van rood licht wordt verminderd als er zuurstofmoleculen aanwezig zijn die interfereren met de zuurstofactieve verbinding. Hoe meer zuurstof aanwezig is, hoe kleiner de hoeveelheid geproduceerd rood licht.

Wanneer het polymeer detectieoppervlak wordt blootgesteld aan water, diffundeert er zuurstof in het detectieoppervlak afhankelijk van de hoeveelheid (“partiële druk”) zuurstof in het water. De hoeveelheid rood licht die de sensor opvangt, is dus rechtstreeks te relateren aan de hoeveelheid zuurstof in het water. Het signaal van het rode licht wordt gekalibreerd naar de juiste DO-eenheden.

Optische DO-sensoren zijn de standaard geworden en genieten de voorkeur boven Clark Cells, omdat ze weinig kalibratiedrift in het veld hebben, niet stromingsgevoelig zijn (geen circulatiepomp nodig) en geen lastige membraanwisselingen nodig hebben, waar gebruikers van Clark-sensoren zich aan ergeren. Op 1 juli 2007 heeft de EPA de ASTM International Method D888-05, Standard Test Methods for Dissolved Oxygen in Water goedgekeurd voor het meten van DO onder 40 CFR 136, waardoor optische DO-sensoren acceptabel zijn voor gebruik door overheidsinstanties.

De hoeveelheid opgeloste zuurstof in bijvoorbeeld een meer of rivier is afhankelijk van verschillende variabelen. Hoe hoger de barometerdruk, hoe meer zuurstof er kan oplossen in water. En hoe hoger de watertemperatuur, hoe minder zuurstof er in water kan oplossen.

Als het water zoveel zuurstof heeft opgenomen als mogelijk is voor een bepaalde combinatie van temperatuur en barometerdruk, dan is het water verzadigd met zuurstof. Als er gemiddeld geen zuurstof in of uit het water stroomt, is de zuurstof in het water in evenwicht met de zuurstof in de atmosfeer.

Opgeloste zuurstof (DO) wordt meestal gerapporteerd in twee eenheden. DO-concentratie is het gewicht van zuurstof opgelost in water en wordt gerapporteerd in mg/l of ppm. DO-verzadigingspercentage is de verhouding van zuurstof in het water tot de maximale hoeveelheid zuurstof die onder dezelfde omstandigheden in een watermonster kan oplossen en wordt gerapporteerd in % verzadiging.

De oudere Clark Cell sensoren werden traditioneel gekalibreerd in met water verzadigde lucht, maar kalibratie in met lucht verzadigd water wordt steeds populairder. Dit laatste wordt gedaan door een halve liter water in een 1-liter vat een minuut lang te schudden en dan een minuut te wachten tot de belletjes naar de oppervlakte stijgen en verdwijnen. De DO-sensor wordt in dat water ondergedompeld en krijgt de tijd om te stabiliseren. Met kennis van de watertemperatuur en de barometerdruk kan het instrument het DO-niveau in het water bepalen omdat het weet dat het water verzadigd is met zuurstof. Het instrument stelt de meting van de DO-sensor dienovereenkomstig in.