Sensorer för upplöst syre: Övervakning av vattenkvalitet

Vad är upplöst syre?

Flytande vatten är en lös matris av vattenmolekyler. Om vatten utan syre kommer i kontakt med en syrekälla, t.ex. atmosfären, kommer syre långsamt att röra sig in i mellanrummen i vattenmolekylmatrisen. Syret kallas upplöst syre (DO), och det är samma sak som att lösa upp bordssalt i vatten. Syre som är upplöst i vatten kommer från atmosfären och/eller fotosyntetiska organismer (alger) i vattnet.

Varför skulle jag vilja mäta upplöst syre?

Precis som människor måste fiskar och andra vattenlevande djur andas syre för att leva, och de är anpassade för att andas syre som är upplöst i vattnet istället för syre i atmosfären. Sportfiskar, som öring, kräver höga DO-nivåer, medan grov fisk, som karp, kan leva vid lägre DO-nivåer. Fiskdöd orsakas ofta av låga DO-nivåer, som ironiskt nog ofta utlöses av nedbrytning av de alger som hade tillfört syre till vattnet innan de dog.

DO påverkar också den grundläggande vattenkemin. Högt syresatta vatten gynnar den oxiderade formen av kemikalier; dåligt syresatta vatten gynnar den reducerade formen av kemikalier. Syresatta vatten gynnar till exempel svavel i form av sulfat, SO4, medan syrefattiga vatten gynnar svavel i form av vätesulfid (H2S). Sulfat är ett godartat ämne, men svavelväte är ett gift.

DO-nivåer nära noll återfinns ofta i sediment som ackumuleras på botten av en vattenförekomst. Detta kemiskt reducerande område bidrar till att näringsämnen och metaller fastnar i sedimentet.

Förändringar i långsiktiga DO-trender kan signalera behovet av mer detaljerade kemiska studier av vattnet och dess föroreningskällor.

Hur mäts DO (Dissolved Oxygen)?

Det finns två typer av sensorer som vanligen används för att mäta DO. Den traditionella Clark Cell består av två elektroder som omges av en vattenbaserad elektrolytlösning och täcks av ett syrepermeabelt membran. När syret passerar membranet för att lösas upp i elektrolyten förbrukas det i en kemisk reaktion som genererar en liten elektrisk ström mellan de två elektroderna. Denna ström är direkt proportionell mot mängden syre i vattenprovet. Denna metod beskrivs närmare i Standard Methods 4500-O G. Eureka erbjuder inte längre denna typ av sensor.

Den andra typen av DO-sensor är den optiska DO-sensorn, som Eurekas HDO, där ett blått ljus riktas mot en syreaktiv förening som har stabiliserats i en syrepermeabel polymer. Det blå ljuset får den syreaktiva föreningen att fluorescera – dvs. den absorberar energi i form av blått ljus och avger sedan energi i form av rött ljus. Fluorescensen dämpas av syre, dvs. utsändningen av rött ljus minskar om det finns syremolekyler i närheten som kan störa den syreaktiva föreningen. Ju mer syre som finns närvarande, desto mindre mängd rött ljus produceras.

När den polymera sensorytan exponeras för vatten diffunderar syre in i sensorytan beroende på mängden (”partialtrycket”) syre i vattnet. Mängden rött ljus som tas emot av sensorn är således direkt relaterbar till mängden syre i vattnet. Den röda ljussignalen är kalibrerad till rätt DO-enheter.

Optiska DO-sensorer har blivit standard och föredras framför Clark-celler eftersom de har liten kalibreringsdrift i fält, inte är flödeskänsliga (ingen cirkulator behövs) och inte kräver svåra membranbyten som irriterar Clark-sensoranvändare. Den 1 juli 2007 godkände EPA ASTM International Method D888-05, Standard Test Methods for Dissolved Oxygen in Water för mätning av DO enligt 40 CFR 136, vilket innebär att optiska DO-sensorer kan användas av statliga myndigheter.

Mängden syre som löses upp i t.ex. en sjö eller flod beror på flera variabler. Ju högre barometertryck, desto mer syre kan lösas upp i vattnet. Och ju högre vattentemperaturen är, desto mindre syre kan lösas i vattnet.

Om vattnet har absorberat så mycket syre som det kan för en viss kombination av temperatur och barometertryck, sägs vattnet vara mättat med syre. Om det i genomsnitt inte rör sig något syre in i eller ut ur vattnet, sägs syret i vattnet vara i jämvikt med syret i atmosfären.

Upplöst syre (DO) rapporteras vanligen i två enheter. DO-koncentration är vikten av syre som är upplöst i vatten och rapporteras i mg/l eller ppm. DO:s procentuella mättnad är förhållandet mellan syret i vattnet och den maximala mängden syre som kan lösas i ett vattenprov under samma förhållanden och rapporteras i % mättnad.

De äldre Clark Cell-sensorerna kalibrerades traditionellt i vattenmättad luft, men kalibrering i luftmättat vatten blir allt vanligare. Det senare görs genom att skaka en halv liter vatten i en enlitersbehållare i en minut och sedan vänta en minut tills bubblorna stiger upp till ytan och försvinner. DO-sensorn sänks ned i vattnet och får tid att stabilisera sig. Med kännedom om vattentemperaturen och barometertrycket kan instrumentet räkna ut DO-nivån i vattnet eftersom det vet att vattnet är mättat med syre. Instrumentet ställer in DO-sensorns avläsning i enlighet med detta.