Sensorer for oppløst oksygen: Overvåking av vannkvalitet

Hva er oppløst oksygen?

Flytende vann er en løs matrise av vannmolekyler. Hvis vann uten oksygen kommer i kontakt med en oksygenkilde, for eksempel atmosfæren, vil oksygen sakte bevege seg inn i hullene i vannmolekylmatrisen. Oksygenet kalles oppløst oksygen (DO), og det er det samme som å løse opp bordsalt i vann. Oksygen oppløst i vann kommer fra atmosfæren og/eller fotosyntetiske organismer (alger) i vannet.

Hvorfor vil jeg måle oppløst oksygen?

I likhet med mennesker må fisk og andre vannlevende dyr puste oksygen for å leve, og de er tilpasset til å puste oksygen som er oppløst i vannet i stedet for oksygen fra atmosfæren. Viltfisk, som ørret, krever høye DO-nivåer, mens grov fisk, som karpe, kan leve ved lavere DO-nivåer. Fiskedød er ofte forårsaket av lave DO-nivåer, som ironisk nok ofte utløses av nedbrytning av alger som har tilført oksygen til vannet før de døde.

DO påvirker også den grunnleggende vannkjemien. Vann med høy oksygentilførsel favoriserer den oksiderte formen av kjemikalier, mens vann med lav oksygentilførsel favoriserer den reduserte formen av kjemikalier. Oksygenrikt vann favoriserer for eksempel svovel i form av sulfat, SO4, mens oksygenfattig vann favoriserer svovel i form av hydrogensulfid (H2S). Sulfat er et ufarlig stoff, mens hydrogensulfid er en gift.

DO-nivåer nær null finnes ofte i sedimentene som er akkumulert på bunnen av en vannforekomst. Dette kjemisk reduserende riket bidrar til å binde næringsstoffer og metaller i sedimentene.

Endringer i langsiktige DO-trender kan signalisere behov for mer detaljerte kjemiske undersøkelser av vannet og forurensningskildene.

Hvordan måles DO (oppløst oksygen)?

Det finnes to typer sensorer som vanligvis brukes til å måle DO. Den tradisjonelle Clark-cellen består av to elektroder omgitt av en vannbasert elektrolyttløsning og dekket av en oksygengjennomtrengelig membran. Når oksygen krysser membranen for å løse seg opp i elektrolytten, forbrukes det i en kjemisk reaksjon som genererer en liten elektrisk strøm mellom de to elektrodene. Strømmen er direkte proporsjonal med oksygenmengden i vannprøven. Denne metoden er nærmere beskrevet i Standard Methods 4500-O G. Eureka tilbyr ikke lenger denne typen sensor.

Den andre typen DO-sensor er den optiske DO-sensoren, som Eurekas HDO, der et blått lys rettes mot en oksygenaktiv forbindelse som er stabilisert i en oksygengjennomtrengelig polymer. Det blå lyset får den oksygenaktive forbindelsen til å fluorescere – og Det vil si at den absorberer energi i form av blått lys og deretter avgir energi i form av rødt lys. Fluorescensen slukkes av oksygen – det vil si at utsendelsen av rødt lys reduseres hvis det er oksygenmolekyler til stede som forstyrrer den oksygenaktive forbindelsen. Jo mer oksygen som er til stede, desto mindre rødt lys produseres.

Når polymeroverflaten eksponeres for vann, diffunderer oksygen inn i sensoroverflaten i henhold til oksygenmengden («partialtrykket») i vannet. Dermed er mengden rødt lys som sensoren mottar, direkte relatert til oksygenmengden i vannet. Signalet fra det røde lyset er kalibrert til de riktige DO-enhetene.

Optiske DO-sensorer har blitt standard og foretrekkes fremfor Clark-celler fordi de har liten kalibreringsdrift i felt, ikke er strømningssensitive (ingen sirkulator er nødvendig) og ikke krever vanskelige membranbytter som irriterer brukere av Clark-sensorer. Den 1. juli 2007 godkjente EPA ASTM International Method D888-05, Standard Test Methods for Dissolved Oxygen in Water for måling av DO i henhold til 40 CFR 136, noe som gjør optiske DO-sensorer akseptable for bruk av offentlige etater.

Mengden oksygen som er oppløst i for eksempel en innsjø eller elv, avhenger av flere variabler. Jo høyere barometertrykk, desto mer oksygen kan løses i vannet. Og jo høyere vanntemperaturen er, desto mindre oksygen kan løses opp i vannet.

Hvis vannet har absorbert så mye oksygen som det kan for en bestemt kombinasjon av temperatur og barometertrykk, sier man at vannet er mettet med oksygen. Hvis det i gjennomsnitt ikke beveger seg noe oksygen inn i vannet eller ut av vannet, sier man at oksygenet i vannet er i likevekt med oksygenet i atmosfæren.

Oppløst oksygen (DO) rapporteres vanligvis i to enheter. DO-konsentrasjon er vekten av oksygen oppløst i vann og rapporteres i mg/l eller ppm. Metningsprosent er forholdet mellom oksygen i vannet og den maksimale mengden oksygen som kan oppløses i en vannprøve under de samme forholdene, og rapporteres i % metning.

De eldre Clark Cell-sensorene ble tradisjonelt kalibrert i vannmettet luft, men kalibrering i luftmettet vann blir stadig mer populært. Sistnevnte gjøres ved å riste en halv liter vann i en 1-liters beholder i ett minutt, og deretter vente ett minutt på at boblene stiger til overflaten og forsvinner. DO-sensoren senkes ned i vannet og får tid til å stabilisere seg. Med kunnskap om vanntemperaturen og barometertrykket kan instrumentet finne ut DO-nivået i vannet, fordi det vet at vannet er mettet med oksygen. Instrumentet stiller inn DO-sensorens avlesning deretter.