Czujniki tlenu rozpuszczonego: Monitorowanie jakości wody

Co to jest tlen rozpuszczony?

Woda w stanie ciekłym jest luźną matrycą cząsteczek wody. Jeśli woda bez tlenu wejdzie w kontakt ze źródłem tlenu, takim jak atmosfera, wówczas tlen będzie powoli przemieszczał się do luk w matrycy cząsteczek wody. Tlen ten nazywany jest tlenem rozpuszczonym (DO); jest to to samo, co rozpuszczanie soli kuchennej w wodzie. Tlen rozpuszczony w wodzie pochodzi z atmosfery i/lub organizmów fotosyntetyzujących (glonów) w wodzie.

Dlaczego miałbym mierzyć rozpuszczony tlen?

Podobnie jak ludzie, ryby i inne zwierzęta wodne muszą oddychać tlenem, aby żyć, i są przystosowane do oddychania tlenem rozpuszczonym w wodzie zamiast tlenem z atmosfery. Ryby łowne, takie jak pstrągi, wymagają wysokiego poziomu tlenu rozpuszczonego w wodzie, natomiast ryby żyjące w trudnych warunkach, takie jak karpie, mogą żyć przy niższym poziomie tlenu rozpuszczonego w wodzie. Śmierć ryb jest często spowodowana niskim poziomem tlenu rozpuszczonego, który, jak na ironię, jest często wywoływany przez rozkład glonów, które dodawały tlen do wody przed śmiercią.

DO wpływa również na podstawowy skład chemiczny wody. Wysoko natlenione wody sprzyjają utlenionej formie związków chemicznych; słabo natlenione wody sprzyjają zredukowanej formie związków chemicznych. Na przykład wody natlenione sprzyjają siarce w postaci siarczanu (SO4), podczas gdy wody odtlenione sprzyjają siarce w postaci siarkowodoru (H2S). Siarczan jest substancją nieszkodliwą, ale siarkowodór jest trucizną.

Prawie zerowe poziomy DO często występują w osadach nagromadzonych na dnie zbiornika wodnego. Ta chemicznie redukująca sfera pomaga zablokować składniki odżywcze i metale w osadzie.

Zmiany w długoterminowych trendach DO mogą sygnalizować potrzebę bardziej szczegółowych badań chemicznych wody i źródeł jej zanieczyszczenia.

Jak mierzy się DO (tlen rozpuszczony)?

Istnieją dwa rodzaje czujników powszechnie stosowanych do pomiaru DO. Tradycyjne ogniwo Clarka składa się z dwóch elektrod otoczonych wodnym roztworem elektrolitu i pokrytych przepuszczalną dla tlenu membraną. Gdy tlen przechodzi przez membranę, aby rozpuścić się w elektrolicie, jest zużywany w reakcji chemicznej, która generuje niewielki prąd elektryczny między dwiema elektrodami. Prąd ten jest wprost proporcjonalny do ilości tlenu w próbce wody. Metoda ta jest dokładniej opisana w Standard Methods 4500-O G. Eureka nie oferuje już tego typu czujników.

Drugim typem czujnika DO jest optyczny czujnik DO, taki jak HDO firmy Eureka, w którym niebieskie światło jest kierowane na związek aktywny tlenowo, który został ustabilizowany w polimerze przepuszczającym tlen. Niebieskie światło powoduje fluorescencję związku aktywnego tlenowo. tj. pochłania energię w postaci światła niebieskiego, a następnie emituje energię w postaci światła czerwonego. Fluorescencja jest wygaszana przez tlen – to znaczy, że emisja czerwonego światła jest zmniejszona, jeśli obecne są cząsteczki tlenu, które zakłócają działanie związku aktywnego tlenowo. Im więcej tlenu, tym mniejsza ilość wytwarzanego światła czerwonego.

Gdy polimerowa powierzchnia czujnika jest wystawiona na działanie wody, tlen dyfunduje do powierzchni czujnika zgodnie z ilością („ciśnieniem parcjalnym”) tlenu w wodzie. W ten sposób ilość czerwonego światła odbieranego przez czujnik jest bezpośrednio związana z ilością tlenu w wodzie. Sygnał czerwonego światła jest kalibrowany do odpowiednich jednostek DO.

Optyczne czujniki DO stały się standardem i są preferowane w stosunku do czujników Clarka, ponieważ mają niewielki dryft kalibracji w terenie, nie są wrażliwe na przepływ (nie wymagają cyrkulatora) i nie wymagają trudnych zmian membrany, które irytują użytkowników czujników Clarka. W dniu 1 lipca 2007 r. EPA zatwierdziła międzynarodową metodę ASTM D888-05, Standard Test Methods for Dissolved Oxygen in Water do pomiaru DO zgodnie z 40 CFR 136, dzięki czemu optyczne czujniki DO mogą być używane przez agencje rządowe.

Ilość tlenu rozpuszczonego na przykład w jeziorze lub rzece zależy od kilku zmiennych. Im wyższe ciśnienie barometryczne, tym więcej tlenu może rozpuścić się w wodzie. Im wyższa temperatura wody, tym mniej tlenu może się w niej rozpuścić.

Jeśli woda wchłonęła tyle tlenu, ile jest to możliwe dla określonej kombinacji temperatury i ciśnienia barometrycznego, mówi się, że woda jest nasycona tlenem. Jeśli średnio tlen nie przemieszcza się do wody ani z wody, tlen w wodzie jest w równowadze z tlenem w atmosferze.

Tlen rozpuszczony (DO) jest zwykle podawany w dwóch jednostkach. Stężenie DO to masa tlenu rozpuszczonego w wodzie i jest podawane w mg/l lub ppm. Procent nasycenia DO to stosunek tlenu w wodzie do maksymalnej ilości tlenu, który może rozpuścić się w próbce wody w tych samych warunkach i jest podawany w % nasycenia.

Starsze czujniki Clark Cell były tradycyjnie kalibrowane w powietrzu nasyconym wodą, ale kalibracja w wodzie nasyconej powietrzem zyskuje na popularności. Ta ostatnia polega na wstrząsaniu półlitrową ilością wody w litrowym pojemniku przez minutę, a następnie odczekaniu minuty, aż pęcherzyki wypłyną na powierzchnię i znikną. Czujnik DO jest zanurzany w tej wodzie i ma czas na ustabilizowanie się. Znając temperaturę wody i ciśnienie barometryczne, urządzenie może określić poziom DO w wodzie, ponieważ wie, że woda jest nasycona tlenem. Urządzenie odpowiednio ustawia odczyt czujnika DO.