Çözünmüş Oksijen Sensörleri: Su Kalitesi İzleme

Çözünmüş oksijen nedir?

Sıvı su, su moleküllerinden oluşan gevşek bir matristir. Oksijensiz su atmosfer gibi bir oksijen kaynağıyla temas ederse, oksijen yavaşça su molekülü matrisindeki boşluklara taşınacaktır. Bu oksijene çözünmüş oksijen (DO) denir; sofra tuzunun suda çözünmesi ile aynı şeydir. Suda çözünmüş oksijen atmosferden ve/veya sudaki fotosentetik organizmalardan (algler) gelir.

Neden çözünmüş oksijeni ölçmek isteyeyim?

İnsanlar gibi balıklar ve diğer su hayvanları da yaşamak için oksijen solumak zorundadır ve atmosferdeki oksijen yerine suda çözünmüş oksijeni solumaya adapte olmuşlardır. Alabalık gibi av balıkları yüksek ÇO seviyelerine ihtiyaç duyar; sazan gibi kaba balıklar ise daha düşük ÇO seviyelerinde yaşayabilir. Balık ölümleri genellikle düşük ÇO seviyelerinden kaynaklanır ve bu da ironik bir şekilde, ölümden önce suya oksijen katan alglerin ayrışması ile tetiklenir.

DO aynı zamanda temel su kimyasını da etkiler. Yüksek oksijenli sular kimyasalların oksitlenmiş formunu, düşük oksijenli sular ise kimyasalların indirgenmiş formunu tercih eder. Örneğin, oksijenli sular sülfat, SO4 formundaki sülfürü tercih ederken, oksijensiz sular hidrojen sülfür (H2S) formundaki sülfürü tercih eder. Sülfat iyi huylu bir maddedir, ancak hidrojen sülfür bir zehirdir.

Sıfıra yakın ÇO seviyeleri genellikle bir su kütlesinin dibinde biriken tortuda bulunur. Kimyasal olarak indirgeyici olan bu bölge, besin maddelerinin ve metallerin tortu içinde hapsolmasına yardımcı olur.

Uzun vadeli ÇO trendlerindeki değişiklikler, suyun ve kirlilik kaynaklarının daha detaylı kimyasal olarak incelenmesi gerektiğine işaret edebilir.

ÇO (Çözünmüş Oksijen) Nasıl Ölçülür?

DO’yu ölçmek için yaygın olarak kullanılan iki tip sensör vardır. Geleneksel Clark Hücresi, su bazlı bir elektrolit çözeltisi ile çevrelenmiş ve oksijen geçirgen bir membran ile kaplanmış iki elektrottan oluşur. Oksijen elektrolit içinde çözünmek üzere membranı geçerken, iki elektrot arasında küçük bir elektrik akımı oluşturan kimyasal bir reaksiyonda tüketilir. Bu akım su numunesindeki oksijen miktarı ile doğru orantılıdır. Bu yöntem Standart Yöntemler 4500-O G’de ayrıntılı olarak açıklanmaktadır. Eureka artık bu tür bir sensör sunmamaktadır.

İkinci tip çözünmüş oksijen sensörü, Eureka’nın HDO’su gibi, oksijen geçirgen bir polimer içinde stabilize edilmiş oksijen-aktif bir bileşiğe mavi bir ışığın yönlendirildiği optik çözünmüş oksijen sensörüdür. Mavi ışık oksijen-aktif bileşiğin floresan vermesine neden olur – Yani enerjiyi mavi ışık şeklinde emer ve daha sonra enerjiyi kırmızı ışık olarak yayar. Floresan oksijen tarafından söndürülür – yani, oksijen aktif bileşikle etkileşime girecek oksijen molekülleri mevcutsa kırmızı ışık emisyonu azalır. Ne kadar çok oksijen mevcutsa, üretilen kırmızı ışık miktarı o kadar az olur.

Polimer algılama yüzeyi suya maruz kaldığında, sudaki oksijen miktarına (“kısmi basınç”) göre oksijen algılama yüzeyine yayılır. Böylece sensör tarafından alınan kırmızı ışık miktarı doğrudan sudaki oksijen miktarı ile ilişkilendirilebilir. Kırmızı ışık sinyali uygun DO birimlerine kalibre edilir.

Optik ÇO sensörleri standart hale gelmiştir ve sahada çok az kalibrasyon sapması göstermeleri, akışa duyarlı olmamaları (sirkülatöre gerek yoktur) ve Clark sensör kullanıcılarını rahatsız eden zor membran değişiklikleri gerektirmemeleri nedeniyle Clark Hücrelerine tercih edilmektedir. 1 Temmuz 2007 tarihinde EPA, 40 CFR 136 kapsamında DO ölçümü için ASTM International Method D888-05, Standard Test Methods for Dissolved Oxygen in Water’ı onaylayarak optik DO sensörlerini devlet kurumları tarafından kullanılabilir hale getirmiştir.

Örneğin bir göl veya nehirde çözünmüş oksijen miktarı çeşitli değişkenlere bağlıdır. Barometrik basınç ne kadar yüksekse, suda o kadar fazla oksijen çözünebilir. Su sıcaklığı ne kadar yüksekse, suda o kadar az oksijen çözünebilir.

Eğer su, belirli bir sıcaklık ve barometrik basınç kombinasyonu için alabileceği kadar oksijen almışsa, suyun oksijene doymuş olduğu söylenir. Ortalama olarak, suya oksijen girmiyor veya sudan oksijen çıkmıyorsa, sudaki oksijenin atmosferdeki oksijenle dengede olduğu söylenir.

Çözünmüş oksijen (ÇO) genellikle iki birim olarak raporlanır. ÇO konsantrasyonu suda çözünmüş oksijenin ağırlığıdır ve mg/l veya ppm cinsinden raporlanır. DO yüzde doygunluğu, sudaki oksijenin aynı koşullar altında bir su numunesinde çözünebilecek maksimum oksijen miktarına oranıdır ve % doygunluk olarak raporlanır.

Eski Clark Cell sensörü geleneksel olarak suya doymuş havada kalibre edilirdi, ancak havaya doymuş suda kalibrasyon giderek daha fazla tercih edilmektedir. İkincisi, bir litrelik bir kapta yarım litre suyu bir dakika boyunca çalkalayarak ve ardından kabarcıkların yüzeye çıkıp kaybolması için bir dakika bekleyerek yapılır. DO sensörü bu suya daldırılır ve stabilize olması için zaman verilir. Cihaz, su sıcaklığı ve barometrik basınç bilgisiyle sudaki DO seviyesini anlayabilir çünkü suyun oksijene doymuş olduğunu bilir. Cihaz, DO sensörü okumasını buna göre ayarlar.