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水質(zhì)分析—溶解氧測定方法應(yīng)用

點擊: 次 時間:2017-07-07 11:36

    隨著水質(zhì)分析技術(shù)的不斷發(fā)展與更新,電化學(xué)溶氧測量技術(shù)已成為目前應(yīng)用最為廣泛的溶氧測量技術(shù),此項技術(shù)是由Dr. Leland Clark于1956年最先發(fā)明。電化學(xué)分為原電池法和極譜法。其中,極譜法應(yīng)用最廣。電化學(xué)(極譜法)溶氧分析儀基于傳感器的結(jié)構(gòu)又可以分為擴(kuò)散型和平衡型兩種,相對而言,擴(kuò)散型的電化學(xué)溶氧傳感器應(yīng)用更為普及。
 
電化學(xué)(極譜法)溶氧傳感器結(jié)構(gòu)如下圖所示。

 水質(zhì)分析—溶解氧測定方法應(yīng)用
圖1:極譜法測定原理圖

    該傳感器由陰極、陽極、電解液以及半透膜等主要部件構(gòu)成,在直流極化電壓作用下,溶解在水中的氧氣穿過半透膜到達(dá)陰極發(fā)生還原反應(yīng):
O2 + 2H2O + 4e- = 4OH-
同時陽極發(fā)生氧化反應(yīng): 4Ag + 4Cl- = 4AgCl + 4e-
 
    原電池法溶解氧測定原理同樣是電化學(xué)方法,但是它少了極化電壓,而是自發(fā)進(jìn)行的反應(yīng)。傳感器由陰陽極、電解液以及半透膜構(gòu)成。當(dāng)溶解在水中的氧分子穿過氧半透膜達(dá)到陰極發(fā)生還原反應(yīng):
O2 + 2H2O + 4e- = 4OH-
而陽極發(fā)生氧化反應(yīng):2Zn = 2Zn2+ + 42e-

 水質(zhì)分析—溶解氧測定方法應(yīng)用
圖2:原電池法測定原理圖
 
當(dāng)反應(yīng)達(dá)到平衡穩(wěn)定的條件下,該電化學(xué)反應(yīng)形成的電流和氧氣的分壓(濃度)呈一定關(guān)系:I=n ? F ? A ? D ? S ? pO2 / d
    I:    傳感器電流 [nA]
    n:   電子遷移的數(shù)量 (n = 4)
    F:   法拉第常數(shù) (F = 96485 C/mol)
    A:   陰極表面積大小 [cm2]
    D:   氧分子在膜上的擴(kuò)散系數(shù) [cm2/s]
    S:   膜的氧溶解度 [mol/(cm3*bar)]
    pO2: 氧氣分壓 [bar]
    d:   膜厚度 [cm]

    因此,根據(jù)上述電化學(xué)過程產(chǎn)生的電流強(qiáng)度就可以計算出水中的溶解氧分壓,然后再根據(jù)亨利定律就可得出水中的溶解氧濃度。

    和其他溶解氧測量技術(shù)相比較,極譜法溶氧測量技術(shù)具備應(yīng)用量程廣,精度高(特別在ppb痕量級溶氧測量應(yīng)用場合),技術(shù)成熟等特點,目前在水處理工業(yè)各種溶氧測量場合應(yīng)用最為普及和廣泛。而原電池法少了極化預(yù)熱的過程,使用則要方便些。
 
    光學(xué)法測量溶解氧基于熒光淬滅的原理:傳感器中的藍(lán)色LED光源發(fā)出一束藍(lán)色光,照射在熒光物質(zhì)上,該涂層的熒光物質(zhì)隨即被這束藍(lán)光激發(fā),此激發(fā)態(tài)并不穩(wěn)定,遇到氧以后會迅速釋放出紅色的光線并回復(fù)至原始狀態(tài)。此紅光和先前LED發(fā)射的藍(lán)光存在一個時間滯后,光電檢測器可以監(jiān)測到藍(lán)光和紅光之間的這個相位滯后,即測量熒光物質(zhì)從被藍(lán)光激發(fā)到發(fā)射紅光后恢復(fù)原態(tài)的時間,根據(jù)這個來計算水中溶解氧的含量。該相位滯后與發(fā)光體附近的溶解氧濃度成反比。當(dāng)氧氣與熒光物質(zhì)接觸后,則其產(chǎn)生的紅色光的強(qiáng)度會降低,同時其產(chǎn)生紅光的時間也會縮短,水樣中溶解的氧氣的濃度越高,則傳感器產(chǎn)生的紅光的強(qiáng)度就會越低。

 水質(zhì)分析—溶解氧測定方法應(yīng)用
圖3:熒光法測定原理圖

*熒光淬滅法測量溶氧技術(shù)具有測量便捷、穩(wěn)定性高、維護(hù)量低等優(yōu)點。除較高濃度的二氧化氯外,光學(xué)法測溶解氧不易受到其它干擾物質(zhì)的影響。

 


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