Sensores de condutividade: Monitoramento da qualidade da água

O que é condutividade?

Condutividade é a capacidade da água de conduzir eletricidade. Essa condução requer que os íons na água sejam portadores de carga. A água pura não contém íons (além de uma molécula de água ocasional) e, portanto, é um condutor de eletricidade muito ruim. Porém, como a água absorve sais químicos, esses sais adicionam íons à água quando se dissolvem. Assim, à medida que a força iônica da água aumenta, a condutividade também aumenta – quanto mais “salgada” a água, maior a condutividade.

Observe que uma medição de condutividade não necessariamente informa a você a concentração de íons na água, pois íons diferentes têm contribuições diferentes para a condutividade. Íons grandes e desajeitados, como o acetato, não ajudam a conduzir bem a eletricidade. Íons pequenos e rápidos, como o H+, fazem uma contribuição muito maior por íon para a condutividade. Como as águas naturais geralmente são misturas de íons em constante mudança, uma leitura de condutividade é apenas uma medida relativa da concentração de íons.

A salinidade é frequentemente calculada a partir da condutividade, presumindo-se que a água seja muito semelhante à água do mar em termos de constituição química. Na água do mar, uma condutividade de 55.000 µS/cm é praticamente a mesma coisa que uma salinidade de 35 PSS (PSS é a escala prática de salinidade, que substituiu as unidades tradicionais de salinidade ppt). A salinidade é tecnicamente definida apenas para pequenas diluições e concentrações de água salgada e, portanto, raramente é usada em trabalhos com água doce.

Por que a condutividade é importante no monitoramento da qualidade da água?

Do ponto de vista químico, as leituras de condutividade podem ser usadas para monitorar a estabilidade de um corpo d’água. Uma condutividade inalterada geralmente significa que nenhum produto químico está sendo adicionado ou subtraído da água. Um pico na condutividade pode indicar um aumento de íons de uma fonte de poluição, como um emissário de águas residuais, escoamento agrícola ou intrusão de maré. Uma queda na condutividade pode indicar uma redução das entradas de produtos químicos e/ou um aumento na entrada de água doce (de um evento de chuva, por exemplo).

As leituras de condutividade também podem ser usadas para avaliar a saúde biológica, pois algumas espécies de plantas e animais são sensíveis a condutividades altas ou baixas. As ostras, por exemplo, não se dão bem em água do mar significativamente diluída. Peixes de caça de água doce não se dão bem em águas salgadas.

As leituras de condutividade também podem ser usadas de forma inferencial. Por exemplo, no monitoramento de praias de água doce, é comum presumir que um aumento repentino na condutividade se deve à contaminação por águas residuais ou ao escoamento de chuvas – ambos normalmente associados a altas contagens de bactérias. Assim, o pico de condutividade pode ser motivo para fechar as praias.

Por fim, as leituras de condutividade são usadas para corrigir as medições do nível da água e as leituras de oxigênio dissolvido. Aumentar a condutividade significa aumentar a densidade da água, de modo que as medições do nível da água devem ser reduzidas para compensar. O aumento da condutividade também reduz a solubilidade do oxigênio na água, portanto, os cálculos da porcentagem de saturação de oxigênio devem ser aumentados para compensar.

Como a condutividade é medida?

Há dois tipos de sensores comumente usados para medir o OD. A célula de Clark tradicional consiste em dois eletrodos cercados por uma solução eletrolítica à base de água e cobertos por uma membrana permeável ao oxigênio. À medida que o oxigênio atravessa a membrana para se dissolver no eletrólito, ele é consumido em uma reação química que gera uma pequena corrente elétrica entre os dois eletrodos. Essa corrente é diretamente proporcional à quantidade de oxigênio na amostra de água. Esse método é descrito com mais detalhes no Standard Methods 4500-O G. A Eureka não oferece mais esse tipo de sensor.

O segundo tipo de sensor de OD é o sensor óptico de OD, como o HDO da Eureka, no qual uma luz azul é direcionada a um composto ativo de oxigênio que foi estabilizado em um polímero permeável ao oxigênio. A luz azul faz com que o composto ativo de oxigênio fique fluorescente – Ou seja, ele absorve energia na forma de luz azul e emite energia na forma de luz vermelha. A fluorescência é atenuada pelo oxigênio, ou seja, a emissão de luz vermelha é reduzida se houver moléculas de oxigênio presentes para interferir no composto ativo de oxigênio. Quanto mais oxigênio estiver presente, menor será a quantidade de luz vermelha produzida.

Quando a superfície do sensor de polímero é exposta à água, o oxigênio se difunde na superfície do sensor de acordo com a quantidade (“pressão parcial”) de oxigênio na água. Assim, a quantidade de luz vermelha recebida pelo sensor está diretamente relacionada à quantidade de oxigênio na água. O sinal de luz vermelha é calibrado para as unidades de OD adequadas.

Os sensores ópticos de OD tornaram-se o padrão e são preferidos em relação às células de Clark, pois apresentam pouco desvio de calibração no campo, não são sensíveis ao fluxo (não é necessário circulador) e não exigem mudanças difíceis de membrana que incomodam os usuários do sensor de Clark. Em 1º de julho de 2007, a EPA aprovou o ASTM International Method D888-05, Standard Test Methods for Dissolved Oxygen in Water (Métodos de teste padrão para oxigênio dissolvido na água) para medir o OD de acordo com o 40 CFR 136, tornando os sensores ópticos de OD aceitáveis para uso por agências governamentais.

A quantidade de oxigênio dissolvido, por exemplo, em um lago ou rio, depende de diversas variáveis. Quanto maior a pressão barométrica, mais oxigênio pode se dissolver na água. E quanto mais alta a temperatura da água, menos oxigênio pode se dissolver na água.

Se a água tiver absorvido o máximo de oxigênio possível para uma combinação específica de temperatura e pressão barométrica, diz-se que a água está saturada de oxigênio. Se, em média, nenhum oxigênio estiver entrando ou saindo da água, diz-se que o oxigênio na água está em equilíbrio com o oxigênio da atmosfera.

O oxigênio dissolvido (OD) é comumente relatado em duas unidades. A concentração de OD é o peso do oxigênio dissolvido na água e é relatada em mg/l ou ppm. A porcentagem de saturação de OD é a proporção de oxigênio na água em relação à quantidade máxima de oxigênio que pode se dissolver em uma amostra de água sob as mesmas condições e é relatada em % de saturação.

O sensor Clark Cell mais antigo era tradicionalmente calibrado em ar saturado de água, mas a calibração em água saturada de ar está se tornando cada vez mais popular. A última é feita agitando-se meio litro de água em um recipiente de um litro por um minuto e, em seguida, aguardando um minuto para que as bolhas subam à superfície e desapareçam. O sensor de OD é imerso nessa água e tem tempo para se estabilizar. Com o conhecimento da temperatura da água e da pressão barométrica, o instrumento pode calcular o nível de OD na água, pois sabe que a água está saturada de oxigênio. O instrumento define a leitura do sensor de OD de acordo com isso.