水質分析—溶解氧測定方法應用

點擊: 次時間:2017-07-07 11:36

隨著水質分析技術的不斷發展與更新，電化學溶氧測量技術已成為目前應用最為廣泛的溶氧測量技術，此項技術是由Dr. Leland Clark于1956年最先發明。電化學分為原電池法和極譜法。其中，極譜法應用最廣。電化學（極譜法）溶氧分析儀基于傳感器的結構又可以分為擴散型和平衡型兩種，相對而言，擴散型的電化學溶氧傳感器應用更為普及。

電化學（極譜法）溶氧傳感器結構如下圖所示。

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陰極發生還原反應：
O2 + 2H2O + 4e- = 4OH-
同時陽極發生氧化反應: 4Ag + 4Cl- = 4AgCl + 4e-

原電池法溶解氧測定原理同樣是電化學方法，但是它少了極化電壓，而是自發進行的反應。傳感器由陰陽極、電解液以及半透膜構成。當溶解在水中的氧分子穿過氧半透膜達到陰極發生還原反應：
O2 + 2H2O + 4e- = 4OH-
而陽極發生氧化反應：2Zn = 2Zn2+ + 42e-

圖2：原電池法測定原理圖

當反應達到平衡穩定的條件下，該電化學反應形成的電流和氧氣的分壓（濃度）呈一定關系：I=n ? F ? A ? D ? S ? pO2 / d
    I:    傳感器電流 [nA]
    n:   電子遷移的數量 (n = 4)
    F:   法拉第常數 (F = 96485 C/mol)
    A:   陰極表面積大小 [cm2]
    D:   氧分子在膜上的擴散系數 [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，根據上述電化學過程產生的電流強度就可以計算出水中的溶解氧分壓，然后再根據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相比較，極譜法溶氧測量技術具備應用量程廣，精度高（特別在ppb痕量級溶氧測量應用場合），技術成熟等特點，目前在水處理工業各種溶氧測量場合應用最為普及和廣泛。而原電池法少了極化預熱的過程，使用則要方便些。

光學法測量溶解氧基于熒光淬滅的原理：傳感器中的藍色LED光源發出一束藍色光，照射在熒光物質上，該涂層的熒光物質隨即被這束藍光激發，此激發態并不穩定，遇到氧以后會迅速釋放出紅色的光線并回復至原始狀態。此紅光和先前LED發射的藍光存在一個時間滯后，光電檢測器可以監測到藍光和紅光之間的這個相位滯后，即測量熒光物質從被藍光激發到發射紅光后恢復原態的時間，根據這個來計算水中溶解氧的含量。該相位滯后與發光體附近的溶解氧濃度成反比。當氧氣與熒光物質接觸后，則其產生的紅色光的強度會降低，同時其產生紅光的時間也會縮短，水樣中溶解的氧氣的濃度越高，則傳感器產生的紅光的強度就會越低。

圖3：熒光法測定原理圖

*熒光淬滅法測量溶氧技術具有測量便捷、穩定性高、維護量低等優點。除較高濃度的二氧化氯外，光學法測溶解氧不易受到其它干擾物質的影響。

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