용존 산소 센서: 수질 모니터링

용존 산소란 무엇인가요?

액체 물은 물 분자의 느슨한 매트릭스입니다. 산소가 없는 물이 대기와 같은 산소 공급원과 접촉하면 산소가 물 분자 매트릭스의 틈새로 천천히 이동합니다. 이 산소를 용존 산소(DO)라고 하는데, 이는 식탁용 소금을 물에 녹이는 것과 같은 원리입니다. 물에 용해된 산소는 대기 및/또는 물속의 광합성 유기체(조류)에서 나옵니다.

용존 산소를 측정해야 하는 이유는 무엇인가요?

인간과 마찬가지로 물고기와 다른 수생 동물도 산소를 호흡해야 살아갈 수 있으며, 대기 중의 산소 대신 물 속에 녹아 있는 산소를 호흡하도록 적응되어 있습니다. 송어와 같은 고급 어류는 높은 DO 수치가 필요하지만 잉어와 같은 거친 어류는 낮은 DO 수치에서도 생존할 수 있습니다. 물고기의 폐사는 종종 낮은 DO 수치로 인해 발생하는데, 이는 아이러니하게도 죽기 전에 물에 산소를 공급하던 조류의 분해로 인해 발생하는 경우가 많습니다.

DO는 기본적인 물 화학에도 영향을 미칩니다. 산소가 많은 물은 산화 형태의 화학 물질을 선호하고 산소가 적은 물은 환원된 형태의 화학 물질을 선호합니다. 예를 들어, 산소가 풍부한 물은 황산염(SO4) 형태의 황을 선호하는 반면, 산소가 부족한 물은 황화수소(H2S) 형태의 황을 선호합니다. 황산염은 양성 물질이지만 황화수소는 독성 물질입니다.

수역의 바닥에 쌓인 퇴적물에서 0에 가까운 DO 수치가 종종 발견됩니다. 이 화학적 환원 영역은 영양분과 금속을 퇴적물에 가두는 데 도움이 됩니다.

장기 DO 추세의 변화는 물과 그 오염원에 대한 더 자세한 화학적 연구가 필요하다는 신호일 수 있습니다.

DO(용존 산소)는 어떻게 측정하나요?

DO를 측정하는 데 일반적으로 사용되는 센서에는 두 가지 유형이 있습니다. 전통적인 클라크 셀은 수용성 전해질 용액으로 둘러싸인 두 개의 전극과 산소 투과성 막으로 덮인 전극으로 구성됩니다. 산소가 막을 통과하여 전해질에 용해되면 두 전극 사이에 작은 전류를 생성하는 화학 반응이 일어나면서 산소가 소모됩니다. 이 전류는 물 샘플의 산소 양에 정비례합니다. 이 방법은 표준 방법 4500-O G.에 자세히 설명되어 있으며, 유레카는 더 이상 이 유형의 센서를 제공하지 않습니다.

두 번째 유형의 DO 센서는 유레카의 HDO와 같은 광학 DO 센서로, 산소 투과성 폴리머에 안정화된 산소 활성 화합물에 청색광을 비추는 방식입니다. 청색광은 산소 활성 화합물을 형광화합니다. 즉, 청색광의 형태로 에너지를 흡수한 다음 적색광으로 에너지를 방출합니다. 형광은 산소에 의해 소멸됩니다. 즉, 산소 분자가 존재하여 산소 활성 화합물을 방해하면 적색광의 방출이 감소합니다. 산소가 많을수록 생성되는 적색광의 양이 줄어듭니다.

폴리머 감지 표면이 물에 노출되면 물 속 산소의 양(“분압”)에 따라 산소가 감지 표면으로 확산됩니다. 따라서 센서가 수신하는 적색광의 양은 물속의 산소량과 직접적인 관련이 있습니다. 적색광 신호는 적절한 DO 단위로 보정됩니다.

광학 DO 센서는 현장에서 교정 드리프트가 거의 없고, 유량에 민감하지 않으며(순환기가 필요 없음), 클락 센서 사용자를 괴롭히는 어려운 막 교체가 필요하지 않기 때문에 클락 셀보다 선호되는 표준이 되었습니다. 2007년 7월 1일, EPA는 40 CFR 136에 따라 DO 측정을 위한 ASTM 국제 방법 D888-05, 물 속의 용존 산소 표준 테스트 방법을 승인하여 광학 DO 센서를 정부 기관에서 사용할 수 있도록 허용했습니다.

예를 들어 호수나 강에 녹아 있는 산소의 양은 여러 변수에 따라 달라집니다. 기압이 높을수록 물에 녹을 수 있는 산소의 양이 많아집니다. 그리고 수온이 높을수록 물에 녹을 수 있는 산소의 양은 줄어듭니다.

물이 특정 온도와 기압의 조합에 대해 가능한 한 많은 산소를 흡수한 경우, 물은 산소 포화 상태라고 합니다. 평균적으로 물속으로 또는 물 밖으로 이동하는 산소가 없다면 물속의 산소는 대기 중의 산소와 평형을 이룬다고 합니다.

용존 산소(DO)는 일반적으로 두 가지 단위로 보고됩니다. DO 농도는 물에 용해된 산소의 무게로, mg/l 또는 ppm 단위로 보고됩니다. DO 포화도는 동일한 조건에서 물 샘플에 용해될 수 있는 최대 산소량에 대한 물 속 산소의 비율이며 포화도(%)로 보고됩니다.

구형 클라크 셀 센서는 전통적으로 수분이 포화된 공기에서 보정되었지만, 최근에는 공기가 포화된 물에서 보정하는 방식이 선호되고 있습니다. 후자는 1리터 용기에 담긴 반 리터의 물을 1분 동안 흔든 다음 거품이 수면 위로 올라와 사라질 때까지 1분간 기다리는 방식으로 이루어집니다. DO 센서를 해당 물에 담그고 안정화할 시간을 줍니다. 수온과 기압에 대한 지식이 있는 기기는 물이 산소로 포화 상태임을 알기 때문에 물속의 DO 수치를 파악할 수 있습니다. 기기는 그에 따라 DO 센서 수치를 설정합니다.