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溶解氧測定的基本知識

文字:[大][中][小] 手機頁面二維碼 2017/7/17     浏覽次數:    

  溶氧分析儀是測量溶解在水溶液內的氧氣的含量。氧氣通過周圍的空氣、空氣流動和光合作用溶解于水中。

  通過呼吸和分解作用,溶解氧會在水中消耗,主要依靠空氣和光合作用進行補充。水中氧的含量主要取決于溫度。溫水的氧濃度要低于冷水。但溶氧含量過高對動植物會有害。
  溶氧電極可以用來測量現場或實驗室內被測樣品水溶液內的溶氧含量。由于溶解氧是水的質量的主要指標之一,因此溶氧電極可廣泛用于各種場合下的溶氧含量的測量,尤其是養殖水、光合作用和呼吸作用及現場測量。在對溪水和湖水支持生物存活的能力進行評估時,要進行生化需氧量測試(BOD)在消耗氧氣的含有有機物的樣品水溶液變腐時對其進行測量並確定溶氧濃度和樣品水溶液溫度之間的關系。
  傳統的溶氧電極用一薄膜將鉑陰極,銀陽極,以及電解質與外界隔開,一般情況下陰極幾乎是和這層膜直接接觸的。氧以和其分壓成正比的比率透過膜擴散,氧分壓越大,透過膜的氧就越多。當溶解氧不斷地透過膜滲入腔體,在陰極上還原而産生電流,此電流在儀表上顯示出來。由于此電流和溶氧濃度直接成正比,因此校正儀表只需將測得的電流轉換爲濃度單位即可。
  溶氧浓度通常用mg/L(每升水的溶氧量)或ppm(百万分之几)。有些仪表将计算出的氧含量和观察到的浓度进行比较得出饱和度百分比(O2% sat.)
  確定溶氧有兩種傳統的方式,極譜式和原電池式。極譜式電極需儀表輸入一電壓對電極進行極化。由于外加電壓可能要15分鍾才能穩定,因此極譜式電極使用前通常要進行預熱確保電極能妥當極化。原電池式的兩個極由兩種不同的能自發極化産生電壓的金屬構成。由于原電池式的電壓是自發産生而不是外界提供的,因此原電池式電極使用時無需極譜式電極極化所需的“預熱”。
  環境影響
  適當的溶氧對好的水質是必不可少的,所有的生命形態都需要氧。天然的溪水淨化過程要求有恰當的氧含量供給有氧生命形態。如水中的氧含量低于5.0mg/L,水生物生存就有困難,濃度越低越困難。如氧含量低于1-2mg/L並持續幾小時將導致水生物大批死亡。
  運用場合
  溶氧電極可用來測量用來對氧含量會影響反應速度、流程效率或環境的流程進行監控:如水産養殖、生物反應、環境測試(湖、溪、海洋)、水/廢水處理、葡萄酒生産。
  溫度補償
  對標准溶氧測量說,溫度影響到氧的溶解度和擴散速度,因此必須進行溫度補償。
  鹽度修正
  溶解鹽的存在限制了可溶解于水的氧的含量。氧的濃度和分壓之間的關系隨著每份樣品溶液鹽度的不同而變化,因此多數的儀表制造商提供人工調節鹽度來修正由離子濃度不同而造成的變化。
  生化需氧量(BOD)
  BOD 测试一般用于污水处理厂,水处理厂需要知道微生物分解有机物质时从水中消耗的氧的量,这点很重要。该测试可使水处理厂确定水处理的效力或仍然存在的污染量。通过测量特定培养期起始及终止时溶解于样品内的氧的含量可以确定废水、排出液和污水的相对需氧量。可通过测出时间1的溶氧(T1),减去时间2的溶氧(T2);将该数值乘以最终样品体积(VF)并除以最初样品体积(V)来计算出BOD。
  BOD (mg/L) = (T1 – T2)VF/V
  故障處理
  使用極譜式電極時,校正或測量前要預熱至少15-30分鍾。
  爲確保膜的電解液內沒有氣泡,ASI膜帽在設計上要求在裝上膜頭時要排除掉所有液腔內的空氣。
  膜表面上不能留有任何氣泡,否則它會將氣泡當作氧飽和樣品進行讀數。
  即使使用的是帶有自動溫度補償的儀表,也要在接近樣品溶液的溫度下校正電極。
  電極應在空氣中校正,以空氣作爲100%的飽和溶解氧標准點。
  由于電極對氧的消耗,探頭表面氧的濃度會瞬間降低,因此測量時要對溶液進行攪拌,這很重要。
  如膜已破損則要進行更換。
  傳統的溶解氧測定儀簡明原理
  傳統的溶氧儀多采用隔膜電極作換能器,將溶氧濃度(實際上是氧分壓)轉換成電信號,再經放大、調整(包括鹽度、溫度補償),由模數轉換顯示。
  溶氧仪实用的膜电极有两种类型:极谱型(Polarography)和原电池型(Galvanic Cell)。极谱型(Polarography):电极中,由黄金(Au)环或铂(Pt)金环作阴极;银-氯化银(或汞-氯化亚汞)作阳极。电解液为氯化钾溶液。阴极外表面覆盖一层透氧薄膜。薄膜可采用聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚乙烯、硅橡胶等透气材料。阴阳两电极之间外加0.5~1。5伏的
  極化電壓。有的極化電壓爲0.7伏。當溶解氧透過薄膜到達黃金陰極表面,在電極上發生如下反應。
  陰極被還原:O2+2H2O+4e→4OHˉ
  同時,陽極被氧化:4Clˉ+4Ag-4e→4AgCl
  在正常情況下,上述還原-氧化反應産生的擴散電流i∞之值與溶氧濃度成正比。可用下式表示:
  i∞=nFA(Pm/L)Cs
  式中:i∞-穩定狀態的擴散電流
  n-得失電子數
  F-法拉第常数(96500 库仑)
  A-陰極表面積(平方厘米)
  Pm-薄膜的滲透系數(厘米2/秒)
  L-薄膜的厚度(厘米)
  Cs-溶解氧濃度(ppm)
  当电极结构和薄膜确定之后,式中A、Pm、L、n等均为常数。令K= nFA(Pm/L),则上
  式中:i∞=KCs。
  因此可見,只要測得擴散電流i∞,即可測得溶解氧濃度。爲消除溫度、鹽度和氣壓因素影響,各型號産品采用各自技術進行補償。
  原电池型(Galvanic Cell):当外界氧分子透过薄膜进入电极内相到达阴极的三相界面时,产生下式反应。
  銀陰極被還原:O2+2H2O+4e→4OHˉ
  同時,鉛陽極被氧化:2Pb+2KOH+4OHˉ-4e→2KHPbO2+2H2O
  即:氧在銀陰極上被還原爲氫氧根離子,並同時向外電路獲得電子;鉛陽極被氫氧化鉀溶液腐蝕,生成鉛酸氫鉀,同時向外電路輸出電子。接通外電路之後,便有信號電流通過,其值與溶氧濃度成正比。
  全新的熒光法溶解氧变送器简明原理
  熒光法溶解氧测量仪基于荧光猝灭原理:探头点亮蓝光照射到荧光物质上使荧光物质激发并发出红光,由于氧分子可以带走能量(猝灭效应),所以激发的红光的时间和强度与氧分子的浓度成反比。通过测量激发红光与参比光的相位差,并与内部标定值对比,从而可计算出氧分子的浓度。
  在過去的50多年裏,一直采用原電池法和極譜法測量溶解氧。這種方法對于市政和工業廢水中的溶解氧監測曾起著非常重要的作用,但是,傳統的電化學方法的使用膜、電極和電解液,從而會導致很多問題,即使進行定期維護,還是不能得到准確的測量結果。
  創新的新型熒光技術,沒有膜和電解液,幾乎不用維護,性能優異,使用方便。
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