اکسیژن محلول (DO) مقدار اکسیژنی است که در آب وجود دارد.
اجسام آب اکسیژن را از جو و گیاهان آبزی دریافت می کنند.
آب روان، مانند جریان سریع در حال حرکت، اکسیژن بیشتری نسبت به آب ساکن یک برکه یا دریاچه حل می کند.
بیشتر موجودات آبزی برای زنده ماندن به اکسیژن محلول نیاز دارند که اغلب به اختصار DO نامیده می شود، اما منبع این اکسیژن مولکول آب (H2O) نیست.
DO اکسیژن مولکولی گازی به شکل O2 است که از جو یا به عنوان محصول جانبی فتوسنتز منشاء می گیرد.
پس از حل شدن در آب، برای استفاده موجودات زنده در دسترس است و می تواند نقش مهمی در بسیاری از فرآیندهای شیمیایی در محیط آبی ایفا کند.
این اکسیژن علاوه بر حل شدن در آب، تفاوتی با اکسیژنی که تنفس می کنیم ندارد.
DO مقدار اکسیژن موجود در محیط های آبی است که برای ماهی ها، بی مهرگان و همه موجودات موجود در آب در دسترس است.
بیشتر گیاهان و جانوران آبزی برای زنده ماندن به اکسیژن نیاز دارند. به عنوان مثال، ماهی نمی تواند برای مدت طولانی در آب با اکسیژن محلول کمتر از 5 میلی گرم در لیتر زنده بماند.
سطح پایین اکسیژن محلول در آب نشانه آلودگی است و عامل مهمی در تعیین کیفیت آب، کنترل آلودگی و فرآیند تصفیه است.
DO در یک محلول اشباع با درجه حرارت و ارتفاع آب متفاوت است. به عنوان مثال، آب سرد دارای DO بالاتری نسبت به آب گرم است.
در سطح دریا و در دمای 20 درجه سانتی گراد مقدار DO در آب شیرین 9.1 میلی گرم در لیتر است.
ورود پسماندهای آلی به ویژه فاضلاب های خانگی و دامی، ضایعات صنعتی ناشی از فعالیت کارخانه های کاغذسازی، چرم سازی، فاضلاب کشتارگاه ها و فاضلاب محصولات کشاورزی، میزان DO در آب را به طور چشمگیری کاهش می دهد.
ضایعات موجود در این صنایع باعث نیاز اکسیژن می شود و توسط باکتری ها تجزیه شده و به اکسیژن تجزیه می شوند.
بیشتر زباله های اکسیژن خواه، زباله های آلی هستند.
اکسیداسیون 3 میلی گرم در لیتر کربن به 9 پی پی ام اکسیژن محلول نیاز دارد. اکسیژن محلول با دستگاه اندازه گیری اکسیژن (DO-meter) اندازه گیری می شود.
اکسیژن مولکولی می تواند به روش های مختلفی از جو سیاره وارد یک آب بدن شود.
فرض کنید آب غلظت اکسیژن کمتری نسبت به جو بالای آن دارد. در این صورت، اکسیژن مولکولی به طور طبیعی از هوا در آب پخش می شود تا زمانی که کاملاً از اکسیژن اشباع شود.
شرایط تعادل زمانی برقرار می شود که غلظت اکسیژن در هوا و آب یکسان باشد.
هوادهی آب زمانی اتفاق می‌افتد که آب و هوا مخلوط می‌شوند و در نتیجه سطح DO در آب افزایش می‌یابد.
این به طور طبیعی در آبشارها و تپه‌ها یا زمانی که شرایط باد باعث ایجاد تلاطم در سطح آب می‌شود اتفاق می‌افتد.
موجودات آبزی برای زنده ماندن به DO نیاز دارند، به همین دلیل است که برخی از آب ها دارای هوادهی مصنوعی هستند.
به عنوان مثال می توان با چرخ دستی یا فواره در وسط حوض، استفاده از سنگ هوا در آکواریوم و اختلاط مکانیکی یا پمپاژ هوا به داخل حوضچه های هوادهی در تصفیه خانه های فاضلاب برای حفظ میکروب هایی که آلاینده ها را تجزیه می کنند، اشاره کرد.
یکی دیگر از منابع اصلی DO فتوسنتز است.
گیاهان آبزی و جلبک ها از فتوسنتز برای تولید سلول های جدید و ترمیم سلول های آسیب دیده استفاده می کنند.
این فرآیند به آب، انرژی نور و دی اکسید کربن نیاز دارد. یک محصول جانبی فتوسنتز، اکسیژن مولکولی گازی است که می تواند در آب حل شود.
همه گیاهان برابر نیستند، زیرا برخی از آنها اکسیژن بیشتری نسبت به دیگران تولید می کنند.
گیاهان و جلبک ها در طول روز که فتوسنتز اتفاق می افتد، اکسیژن تولید می کنند.
آنها همچنین آن را برای تنفس مصرف می‌کنند، این فرآیندی است که طی آن گیاهان گلوکز (یعنی قند تولید شده در طول فتوسنتز) و اکسیژن را به انرژی سلولی قابل استفاده تبدیل می‌کنند.
گیاهان و جلبک‌ها در طول روز اکسیژن بسیار بیشتری نسبت به مصرف خود تولید می‌کنند.
در شب، گیاهان و جلبک ها دیگر اکسیژن تولید نمی کنند، اما همچنان به مصرف آن ادامه می دهند. در همین حال، موجودات دیگر مانند ماهی ها اکسیژن را با نرخ ثابتی در سراسر ساعت مصرف می کنند.
بنابراین، در یک سیستم سالم، غلظت اکسیژن در طول روز افزایش می‌یابد و در شب زمانی که فعالیت تنفسی آن اکسیژن را مصرف می‌کند، کاهش می‌یابد.
غلظت اکسیژن محلول در آب تحت تأثیر دما، فشار هوا و شوری است.
مهم ترین متغیر دما است، بنابراین اندازه گیری آن در ارتباط با اکسیژن محلول ضروری است.
حلالیت اکسیژن در آب با دما رابطه معکوس دارد – با افزایش دما، DO کاهش می یابد.
بنابراین، یک سیستم آبی در زمستان غلظت DO بالاتری نسبت به تابستان خواهد داشت، با فرض ثابت نگه داشتن سایر متغیرها.
همین امر در مورد شب نیز صدق می کند – همانطور که بدن آب در طول شب خنک می شود، اکسیژن بیشتری می تواند حل شود.
با این حال، مهم است که تأثیر فتوسنتز و تنفس بر غلظت DO در طول روز و شب را در نظر داشته باشید.
مانند دما، حلالیت اکسیژن در آب با شوری رابطه معکوس دارد – با افزایش شوری، DO کاهش می یابد.
به عنوان مثال، آب دریا می تواند حدود 20 درصد اکسیژن کمتری را در دما و فشار اتمسفر مشابه آب شیرین نگه دارد.
بنابراین، هنگام جمع‌آوری داده‌های DO درتالاب‌ها، مناطق ساحلی، آبزی‌پروری یا هر کاربرد دیگری که شوری می‌تواند متفاوت باشد)اندازه‌گیری شوری با یک سنسور هدایت انجام می‌شود.
برخلاف دما و شوری، رابطه مستقیمی بین فشار هوا و سطوح DO در آب وجود دارد – با کاهش فشار، DO کاهش می‌یابد.
در ارتفاعات پایین تر، فشار هوا بالا است، بنابراین فشار بیشتری برای فشار دادن اکسیژن گازی از جو به آب وجود دارد.
اما در ارتفاعات بالاتر، فشار هوا بسیار بسیار کمتر است.
علاوه بر ارتفاع، فشار هوا می تواند به دلیل تغییر آب و هوا تغییر کند.
افت سریع فشار می تواند نشان دهد که طوفانی در راه است.
DO در بسیاری از واحدهای مختلف بیان می شود، اما اغلب در میلی گرم در لیتر یا درصد اشباع (DO%) بیان می شود.
واحد میلی گرم در لیتر ساده است، زیرا میلی گرم اکسیژن گازی حل شده در یک لیتر آب است.
بهترین مکان برای توضیح درصد اشباع، اتمسفر است – تقریباً 21 درصد اتمسفر زمین اکسیژن است.
نکته دیگر فشار هوا در سطح دریا است که برابر با 760 میلی متر جیوه است. بخشی از فشار کلی ناشی از اکسیژن که فشار جزئی نامیده می شود برابر با 160 میلی متر جیوه (21٪ * 760 میلی متر جیوه = 160 میلی متر جیوه) است.
شما می توانید درصد اکسیژن محلول (DO%) را به عنوان واحدی که مستقیماً توسط هر ابزاری که از سنسور الکتروشیمیایی یا سنسور نوری استفاده می کند تعیین می کند، در نظر بگیرید.
همانطور که در جدول 1 در زیر مشاهده می شود، تنها متغیری که DO% را تحت تاثیر قرار می دهد، فشار هواست.
در مقابل، DO mg/L توسط دستگاه از DO، دما و شوری محاسبه می‌شود. جدول 2 زیر تأثیر دماها و شوری های مختلف را نشان می دهد.
جدول 2
مقادیر درصد اکسیژن محلول در محیط طبیعی می تواند به بیش از 100٪ برسد، اما چگونه این امکان وجود دارد؟
فتوسنتز می تواند محرک مهمی برای فوق اشباع باشد، زیرا این فرآیند اکسیژن خالص تولید می کند. گاهی اوقات حتی می تواند مقادیر DO% را تا 500٪ نیز در نظر بگیرد!
علت دیگر تغییرات سریع دما است. در حالی که تعادل آب با هوای بالای آن به ندرت سریع است، دمای آب می تواند به سرعت تغییر کند.
بنابراین، فرض کنید دمای یک دریاچه راکد با شروع تابش خورشید به سرعت 5 درجه افزایش می یابد.
سطح DO در آب باید با افزایش دما کاهش یابد. با این حال، اگر تعادل بین هوا و آب به سرعت تغییر دما نباشد، دریاچه از نظر فنی با DO فوق اشباع می شود تا زمانی که یک بار دیگر حالت تعادل برقرار شود.
یکی دیگر از علل فوق اشباع، شرایط متلاطم یا هر چیز دیگری است که می تواند باعث اختلاط هوا و آب شود (به عنوان مثال، سنگ های هوا، تند آب های سفید).
DO یکی از متداول‌ترین پارامترهای اندازه‌گیری کیفیت آب است، اما دلیل اندازه‌گیری آن بر اساس محیط متفاوت است.
اکسیژن محلول نشانگر مستقیم توانایی آب برای حمایت از آبزیان است – موجودات آبزی برای زنده ماندن به DO نیاز دارند!
سطح DO مورد نیاز بر اساس گونه متفاوت است.
به طور کلی، بیشتر گونه های ماهی در محدوده 5-12 میلی گرم در لیتر رشد و نمو می کنند.
با این حال، اگر سطح آن به کمتر از 4 میلی گرم در لیتر برسد، ممکن است تغذیه آنها متوقف شود و دچار استرس شوند، که احتمالاً منجر به مرگ ماهی های بزرگ می شود.
هیپوکسی زمانی اتفاق می‌افتد که غلظت اکسیژن محلول به حدی کاهش می‌یابد که دیگر نمی‌تواند موجودات زنده آبزی را پشتیبانی کند.
عدم تعادل DO زمانی رخ می دهد که شکوفه جلبکی مضر (HAB) وجود داشته باشد.
در طول مراحل اولیه و اوج رشد HAB، DO به دلیل فعالیت فتوسنتزی در طول روز می تواند به طور قابل توجهی در مجاورت شکوفه افزایش یابد.
اکسیژن بیشتری نسبت به مصرف جلبک ها یا موجودات دیگر در روز یا شب تولید می شود که این امر می تواند منجر به فوق اشباع شود.
با محو شدن و از بین رفتن شکوفه ها، جلبک ها به غذای باکتری ها و سایر چیزهایی تبدیل می شوند که اکسیژن مصرف می کنند. این می تواند باعث کاهش شدید سطح DO و در نتیجه هیپوکسی شود.
کشتار ماهی های بزرگ نیز می تواند ناشی از آلودگی حرارتی اطراف نیروگاه ها و کارخانه های صنعتی باشد.
در حالی که پساب این گیاهان معمولاً تمیز است، اما اغلب بسیار بسیار گرمتر از آب سطحی است که وارد می شود.
با افزایش دما، سطح DO در آب کاهش می یابد. بنابراین، هجوم ناگهانی آب گرم می تواند منجر به مرگ ماهی های بزرگ شود.
آلودگی حرارتی و HAB ها تنها رویدادهایی نیستند که موجودات آبزی را به خطر می اندازند.
نمک جاده معمولاً در زمستان به جاده های یخی زده می شود. این نمک از جاده خارج می شود و وارد آب های سطحی می شود و شوری را افزایش می دهد.
با افزایش شوری، سطح DO کاهش می یابد. بنابراین، حتی اگر اکسیژن در آب سرد محلول تر است، شوری زیاد می تواند منجر به مرگ ماهی های بزرگ در زمستان به دلیل خفگی شود.
بسیاری تصور می کنند DO در زیر سطح آب وجود ندارد، اما این یک فرض نادرست است.
قبل از اینکه آب از سطح به سمت پایین نفوذ کند، آب با جو در تماس است و اکسیژن حل می شود.
DO می تواند در اعماق زیاد در آبخوان وجود داشته باشد تا زمانی که مواد قابل اکسید شدن کم یا اصلا وجود نداشته باشد.
اکسیژن محلول می تواند یک پارامتر مفید برای اندازه گیری در هنگام انجام تحقیقات آب های زیرزمینی باشد.
DO می تواند به تعیین زمانی که شرایط پایدار در طول پاکسازی رسیده است کمک کند و می تواند برای ارزیابی ساخت چاه استفاده شود.
اندازه‌گیری DO همچنین می‌تواند به حصول اطمینان از رعایت روش‌های مناسب نمونه‌برداری از آب‌های زیرزمینی هنگام جمع‌آوری نمونه‌ها برای تجزیه و تحلیل فلزات و ترکیبات آلی فرار کمک کند.
هر گونه هوادهی مصنوعی می تواند بر تجزیه و تحلیل آزمایشگاهی این ترکیبات تأثیر بگذارد.
DO در آب های زیرزمینی نقش مهمی در واکنش های شیمیایی که در سطح زیرین رخ می دهد ایفا می کند.
این حالت ظرفیتی فلزات کمیاب را تنظیم می کند و متابولیسم ترکیبات آلی محلول (مانند روغن) توسط میکروب ها را محدود می کند.
میکروب‌ها می‌توانند نفتی را که به داخل چاه ها نشت کرده است تجزیه کنند.
مانند سایر موجودات، میکروب ها نیاز به تنفس دارند (یعنی نفس کشیدن). تنفس نیاز به یک گیرنده الکترون دارد و از آنجایی که اکسیژن ترجیح داده می شود، DO در جایی که آلودگی وجود دارد به سرعت تخلیه می شود.
بنابراین، DO را فقط می‌توان در خارج از توده‌ای از آب‌های زیرزمینی آلوده یافت پس از اتمام اکسیژن محلول از سایر گیرنده های الکترون استفاده می شود. پس از اکسیژن، نیترات مصرف می شود.
میکروب ها زباله ها را مصرف کرده و در فرآیند تصفیه در تصفیه خانه های فاضلاب به محصولات نهایی بی ضرر تبدیل می کنند.
DO نقش مهمی در این فرآیند ایفا می کند، زیرا این میکروب ها برای تجزیه آلاینده های فاضلاب مانند آلی یا آمونیاک به آن متکی هستند.
در فرآیند لجن فعال (ASP) که رایج ترین روش تصفیه هوازی فاضلاب است، هوا به مخازن هوادهی پر از میکروب های معلق در آب پمپ می شود.
اکسیژن محلول چگونه اندازه گیری می شود؟ چند روش مختلف برای اندازه گیری اکسیژن محلول در آب وجود دارد که بخش زیر یک نمای کلی ارائه می دهد.
رنگ سنج ها که به عنوان فتومتر فیلتر نیز شناخته می شوند، ابزاری هستند که شدت رنگ را اندازه گیری می کنند.
هنگام استفاده از این ابزار، معرف های شیمیایی با نمونه مخلوط می شوند.
اگر پارامتر هدف وجود داشته باشد، محلول دارای رنگ خواهد بود و شدت آن متناسب با غلظت پارامتر مورد آزمایش خواهد بود.
نور از طریق یک لوله آزمایش حاوی محلول نمونه و سپس از طریق یک فیلتر رنگی به یک آشکارساز نوری منتقل می شود.
فیلترها طوری انتخاب می شوند که نور با طول موج خاصی انتخاب شود.
وقتی محلول بی رنگ است، تمام نور از آن عبور می کند. با نمونه های رنگی، نور جذب می شود و آنچه از نمونه عبور می کند به نسبت کاهش می یابد.
دو روش رنگ سنجی مختلف برای تعیین DO وجود دارد – Indigo Carmine و Rhodazine D. کارمین نیل با DO واکنش می دهد و یک کمپلکس آبی تشکیل می دهد.
در مقابل، رودازین D با DO واکنش می دهد تا یک کمپلکس صورتی روشن ایجاد کند.
معرف ها همچنین هنگام تعیین غلظت DO از طریق تیتراسیون وینکلر استفاده می شوند.
در این روش، معرف ها یک ترکیب اسیدی را تشکیل می دهند که با یک ترکیب خنثی کننده تیتر می شود.
همچنین مانند روش رنگ سنجی، تغییر رنگ حاصل می شود و غلظت DO با مشاهده نقطه ای که این تغییر رنگ رخ می دهد، تعیین می شود.
بسیاری از روش‌های عملیاتی استاندارد (SOPs) هنوز نیاز به تیتراسیون وینکلر دارند، به‌ویژه در آزمایشگاه‌های تصفیه فاضلاب که نیاز بیولوژیکی اکسیژن (BOD) را تعیین می‌کنند.
تیتراسیون وینکلرز باید در سه بار تکرار شود و نتایج به طور میانگین انجام شود.
برخلاف اندازه‌گیری DO با انجام تیتراسیون وینکلر یا استفاده از رنگ‌سنج، حسگرهای الکتروشیمیایی، که به عنوان سنسورهای DO با پوشش غشایی نیز شناخته می‌شوند، به معرف‌ها نیاز ندارند.
این حسگرها اندازه‌گیری‌های سریعی را ارائه می‌کنند و دامنه وسیعی دارند، اما آب باید به طور مداوم در سراسر غشاء حرکت کند زیرا اکسیژن در طول اندازه‌گیری مصرف می‌شود.
دو نوع سنسور الکتروشیمیایی وجود دارد – قطبی و گالوانیکی. در سال 1956، دکتر لیلاند کلارک در حین کار با دانشمندان YSI، الکترود پلاروگرافی را اختراع کرد.
الکترود گالوانیکی بعدها توسعه یافت، اما DO را به همان روش سنسور پلاروگرافی اندازه گیری می کند.
حسگرهای الکتروشیمیایی DO از یک آند و یک کاتد تشکیل شده است که در محلول الکترولیت توسط یک غشای تراوا از اکسیژن محصور شده است.
مولکول های اکسیژن حل شده در نمونه قبل از کاهش (یعنی مصرف) در کاتد از طریق غشاء پخش می شوند. این واکنش یک سیگنال الکتریکی تولید می کند که از کاتد به آند می رسد و در نهایت به دستگاه DOمتر می رسد.
مقدار اکسیژنی که از غشا پخش می شود با فشار جزئی و غلظت اکسیژن خارج از غشا متناسب است.
همانطور که غلظت اکسیژن تغییر می کند، اکسیژن از طریق غشاء پخش می شود و این باعث می شود که جریان پروب به طور متناسب تغییر کند.
سنسورهای پلاروگرافی دارای یک آند نقره ای و یک کاتد طلایی هستند.
این مواد نیاز دارند که کاوشگر قبل از استفاده گرم شود یا قطبی شود این امر حدود 10 دقیقه طول می کشد.
سنسورهای پلاروگرافی عمر طولانی تری نسبت به سنسورهای گالوانیکی دارند زیرا همیشه روشن نیستند (یعنی همیشه قطبی نمی شوند).
سنسورهای گالوانیک دارای یک آند روی و یک کاتد نقره هستند.
این مواد به سنسور اجازه می دهند که به طور مداوم قطبی شود حتی زمانی که DOمتر خاموش است، بنابراین نیازی به دوره گرم کردن نیست.
اما این روشن بودن یک اشکال دارد این سنسورها عمر کوتاه تری نسبت به سنسورهای پلاروگرافی دارند.
سنسورهای نوری و الکتروشیمیایی شباهت هایی با هم دارند.
برای شروع، این حسگرها فشار اکسیژن محلول در نمونه را اندازه گیری می کنند. قرائت‌های خام به صورت DO% بیان می‌شوند و تنها متغیری که بر DO% تأثیر می‌گذارد فشار بارومتریک است.
\هرچه فشار هوا بیشتر باشد، اکسیژن بیشتری به آب رانده می شود. توجه به این نکته ضروری است که DO mg/L از DO، دما و شوری محاسبه می شود.
مانند سنسورهای الکتروشیمیایی، هنگام استفاده از سنسورهای نوری به هیچ واکنشی نیاز نیست. هر دو نوع سنسور نیز هنگام اندازه گیری مستقیماً در نموه قرار می گیرند.
چندین ساختار کلیدی برای حسگر نوری DO وجود دارد.
درپوش حسگر یک حسگر نوری DO حاوی یک لایه انتشار است که DO به طور مداوم در حال حرکت است.
برخلاف حسگرهای الکتروشیمیایی، اکسیژن در طول اندازه‌گیری مصرف نمی‌شود، بنابراین نیازی نیست آب به طور مداوم در سرپوش سنسور جریان داشته باشد.
همچنین LED های مختلفی وجود دارند که یکی از آنها باعث می شود که لایه دیگری از درپوش سنسور – لایه رنگ – درخشنده شود (یعنی درخشش).
همانطور که اکسیژن در سراسر لایه انتشار حرکت می کند، بر روی لومینسانس لایه رنگ تأثیر می گذارد.
مقدار اکسیژن عبوری از لایه حسگر با طول عمر لومینسانس در لایه حسگر نسبت معکوس دارد.
طول عمر لومینسانس توسط سنسور اندازه گیری می شود و با مرجع مقایسه می شود (نور قرمز در مثال ما) و امکان تعیین DO را فراهم می کند.
چندین گزینه برای اندازه‌گیری اکسیژن محلول در آب وجود دارد، و انتخاب روش مناسب برای آن‌هایی که به تازگی اندازه‌گیری DO را انجام می‌دهند، می‌تواند چالش برانگیز باشد.
رنگ سنج‌ها معمولاً زمانی استفاده نمی‌شوند که تنها پارامتری که اندازه‌گیری می‌شود، اکسیژن محلول است، زیرا راحت نیستند – مخلوط کردن معرف و محلول زمان می‌برد! علاوه بر این، محدودیت‌های بسیار محکمی در محدوده اندازه‌گیری وجود دارد.
انجام تیتراسیون های وینکلر زمان بر و چالش برانگیز است. فرض کنید باید تیتراسیون وینکلر را انجام دهید زیرا رویه عملیاتی استاندارد شما (SOP) از ISO 5813 یا ASTM D888 پیروی می کند.
در این صورت، توصیه می کنیم به جای انجام تیتراسیون با دست، از یک تیتراتور خودکار استفاده کنید – برخی از گزینه های تیتراسیون را از YSI بررسی کنید.
برای مشتریانی که نیاز به اندازه‌گیری DO در محل دارند یا دارای توان عملیاتی بالایی از نمونه‌ها هستند، توصیه می‌کنیم در صورت انتخاب روش، از حسگر الکتروشیمیایی یا نوری برای اندازه‌گیری DO استفاده کنید.
سنسورهای الکتروشیمیایی و نوری تا حد زیادی متداول ترین ابزارهایی هستند که برای اندازه گیری DO استفاده می شوند.
بر خلاف سایر سنسورهای کیفیت آب (به عنوان مثال، نیترات) که اغلب برای یک کاربرد خاص طراحی شده‌اند، حسگرهای DO را می‌توان در طیف گسترده‌ای از کاربردها استفاده کرد – آب‌های سطحی، آبزی پروری، آب‌های زیرزمینی، فاضلاب و موارد دیگر!
جهت سفارش اکسیژن محلول DO با ما تماس بگیرید.
جستجو
دسته بندی مقالات
آخرین مقالات
برچسب ها
تبلیغات
