溶解氧传感器：水质监测

什么是溶解氧？

液态水是由水分子组成的松散基质。如果不含氧的水与氧气源（如大气）接触，氧气就会慢慢进入水分子基质的空隙中。这种氧气被称为溶解氧（DO）；它与食盐溶解在水中的原理相同。溶解在水中的氧气来自大气和/或水中的光合生物（藻类）。

为什么要测量溶解氧？

与人类一样，鱼类和其他水生动物必须呼吸氧气才能生存，它们适应呼吸溶解在水中的氧气，而不是大气中的氧气。鳟鱼等野味鱼需要较高的溶解氧水平；鲤鱼等粗加工鱼类则可以在较低的溶解氧水平下生存。鱼类死亡通常是由低溶解氧水平引起的，具有讽刺意味的是，低溶解氧水平通常是由藻类分解引发的，而藻类在鱼类死亡前一直在为水体增加氧气。

溶解氧还影响基本的水化学。含氧量高的水域有利于化学物质的氧化形式；含氧量低的水域则有利于化学物质的还原形式。例如，含氧量高的水域偏爱硫酸盐（SO4）形式的硫，而缺氧的水域偏爱硫化氢（H2S）形式的硫。硫酸盐是一种良性物质，而硫化氢则是一种毒药。

在水体底部堆积的沉积物中，溶解氧水平通常接近零。这种化学还原境界有助于将营养物质和金属锁在沉积物中。

溶解氧长期趋势的变化预示着需要对水体及其污染源进行更详细的化学研究。

如何测量溶解氧？

测量溶解氧通常使用两种传感器。传统的克拉克电池由两个电极组成，周围环绕着水基电解质溶液，并覆盖着一层透氧膜。当氧气穿过薄膜溶解到电解质中时，会在化学反应中被消耗掉，从而在两个电极之间产生微小的电流。该电流与水样中的含氧量成正比。这种方法在标准方法 4500-O G 中有进一步描述。尤里卡不再提供这种类型的传感器。

第二种溶解氧传感器是光学溶解氧传感器，如 Eureka 的 HDO，它将蓝光照射到稳定在透氧聚合物中的氧活性化合物上。蓝光会使氧活性化合物发出荧光–这就是蓝光传感器的原理。 即以蓝光形式吸收能量，然后以红光形式发射能量。荧光会被氧气淬灭，也就是说，如果存在氧分子干扰氧活性化合物，红光的发射就会减少。存在的氧越多，产生的红光就越少。

当聚合物传感表面暴露在水中时，氧气会根据水中氧气的含量（”分压”）扩散到传感表面。因此，传感器接收到的红光量与水中的含氧量直接相关。红光信号被校准为适当的溶解氧单位。

光学溶解氧传感器已成为标准，并且比克拉克传感器更受青睐，因为它们在现场几乎没有校准漂移，对流量不敏感（不需要循环器），也不需要像克拉克传感器用户那样麻烦地更换膜。2007 年 7 月 1 日，美国环保署批准了 ASTM 国际方法 D888-05《水中溶解氧标准测试方法》，用于测量 40 CFR 136 规定的溶解氧，从而使光学溶解氧传感器可以被政府机构使用。

例如，溶解在湖泊或河流中的氧气量取决于几个变量。气压越高，水中溶解的氧气就越多。水温越高，水中溶解的氧气就越少。

如果在特定的温度和气压组合下，水已经吸收了尽可能多的氧气，那么水中的氧气就达到了饱和。如果平均而言，没有氧气流入或流出水体，则称水中的氧气与大气中的氧气处于平衡状态。

溶解氧 (DO) 通常以两种单位报告。溶解氧浓度是指溶解在水中的氧的重量，报告单位为毫克/升或 ppm。溶解氧饱和度百分比是指水中的氧气与相同条件下水样中可溶解的最大氧气量之比，报告单位为饱和度百分比。

老式的克拉克传感器传统上是在水饱和的空气中进行校准，但在空气饱和的水中进行校准越来越受到青睐。后者的校准方法是在一个一升的容器中摇动半升水一分钟，然后等待一分钟让气泡浮出水面并消失。将溶解氧传感器浸入水中，让其有时间稳定下来。通过对水温和气压的了解，仪器可以计算出水中的溶解氧含量，因为它知道水中的氧气已经饱和。仪器会相应地设置溶解氧传感器的读数。