Nguyên Lý Hoạt động Cảm Biến Oxy Hòa Tan Dạng điện Cực - EMIN

Ôxy hoà tan (DO_Dissolved Oxygen) là thuật ngữ dùng để đo lượng oxy hòa tan trong một đơn vị thể tích nước. Trong các ứng dụng đo lường chất lượng nước, chẳng hạn như nuôi trồng thủy sản(NTTS) (bao gồm cả nuôi cá, tôm…) và xử lý nước thải, mức độ DO phải được giữ ở mức cao. Đối với NTTS nếu nồng độ DO thấp quá thì cá sẽ ngạt thở. Trong xử lý nước thải, vi khuẩn phân hủy chất rắn. Nếu mức độ DO quá thấp, vi khuẩn sẽ chết và sự phân hủy chấm dứt; nếu mức độ DO quá cao, năng lượng sẽ bị lãng phí trong quá trình sục khí của nước. Với các ứng dụng công nghiệp bao gồm nồi hơi, nước lưu chuyển phải có mức DO thấp để ngăn ngừa sự ăn mòn và nảy nở của lò hơi ức chế sự truyền nhiệt.

Mặc dù oxy hoà tan (DO) thường được hiển thị dưới dạng mg/L hoặc ppm, các cảm biến DO không đo lượng oxy thực tế trong nước, thay vào đó nó đo áp suất riêng của oxy trong nước. Áp suất khí oxy phụ thuộc vào độ mặn và nhiệt độ.

Có hai kỹ thuật cơ bản để đo: DO-galvanic và phân cực. Cả hai đầu dò sử dụng một hệ thống điện cực mà DO phản ứng với cực âm để tạo ra dòng điện. Nếu các vật liệu điện cực được chọn để sự khác biệt về điện thế là -0,5 volt hoặc lớn hơn giữa cathode và anode, không cần phải có điện thế bên ngoài. Nếu điện áp bên ngoài được áp dụng, hệ thống được gọi là cực phân cực.

·         Các đầu dò Galvanic ổn định hơn và chính xác hơn ở các mức oxy hoà tan thấp hơn các đầu dò phân cực.

·         Các máy dò Galvanic thường hoạt động vài tháng mà không cần điện phân hoặc thay thế màng, dẫn đến chi phí bảo trì thấp hơn.

·         Các đầu dò địa chất cần phải được sạc lại sau vài tuần sử dụng cường độ cao.

Các cảm biến Galvanic DO bao gồm hai điện cực: một cực dương và cực âm, đều được nhúng trong chất điện phân (bên trong lõi cảm biến). Một màng thẩm thấu oxy tách anode và cathode ra khỏi nước đang được đo. Ôxy khuếch tán qua màng. Nó tương tác với các đầu dò để tạo ra một dòng điện (chi tiết hơn trong hình ảnh cảm biến DO). Áp suất cao hơn cho phép nhiều oxy khuếch tán qua màng và dòng điện sẽ được tạo ra nhiều hơn. Điện áp thực tế từ cảm biến là milivolts. Điều này đạt được bằng cách truyền dòng điện qua một thermistor (điện trở thay đổi nhiệt độ đầu ra).

Nhiệt kế chỉnh sửa lỗi lỗi thấm nhờ thay đổi nhiệt độ. Nói cách khác, tăng tính thấm ở nhiệt độ cao hơn cho phép nhiều oxy khuếch tán vào cảm biến, mặc dù áp suất oxy không thay đổi. Điều này sẽ cho DO sai nếu thermistor đã không được sử dụng.

Để thể hiện cho đầu ra cảm biến ở ppm hoặc mg/L, phải biết được nhiệt độ nước. Một cảm biến nhiệt độ riêng biệt có thể được sử dụng hoặc một trong những có thể được xây dựng vào cảm biến. Điều này là độc lập từ các thermistor kết nối giữa cực dương và cực âm để bù cho thay đổi thấm màng do sự thay đổi nhiệt độ.

Một số đặc điểm của đầu dò DO màng bao gồm:

·         Độ pH của dung dịch không ảnh hưởng đến hiệu suất của đầu dò màng.

·         Clo và hydrogen sulfide (H2S) gây ra các sai sót trong đầu dò DO.

·         Áp suất khí quyển (độ cao so với mực nước biển) ảnh hưởng đến độ bão hòa oxy. DO phải được hiệu chuẩn cho áp suất barometric khi đọc ở mg / l (ppm).

·         Màng dày xác định mức đầu ra của đầu dò và tốc độ phản ứng để thay đổi mức độ DO.

·         Cần phải điều chỉnh độ mặn.

Cathode là một điện cực hydro và mang một điện thế âm về anode. Điện cực bao quanh cặp điện cực và được chứa bởi màng. Không có ôxy, cực âm bị phân cực bằng hydro và chống dòng chảy của dòng điện. Khi oxy đi qua màng tế bào, cực âm sẽ bị khử cực và electron sẽ bị tiêu hao. Điện cực cathode làm giảm ôxy đến các ion hydroxyl:

O2 + 2 H2O + 4 e-4 OH-

Anode phản ứng với sản phẩm của quá trình khử cực với sự giải phóng tương ứng các điện tử.

Zn + 4 OH- = Zn (OH) 42- + 2e-

Cặp điện cực cho phép dòng chảy theo tỷ lệ trực tiếp với lượng oxy xâm nhập vào hệ thống. Mức độ hiện tại cho chúng ta một thước đo trực tiếp về lượng oxy đi vào đầu dò.

Bởi vì tất cả oxy đi vào đầu dò được sử dụng trong phản ứng hóa học, áp suất riêng của oxy trong chất điện phân là zero. Do đó, gradient áp suất một phần tồn tại qua màng và tỷ lệ oxy đi vào đầu dò là một chức năng của áp suất từng phần của oxy trong không khí hoặc nước được đo.

Do áp suất riêng của oxy hòa tan là một chức năng của nhiệt độ của mẫu, đầu dò phải được hiệu chuẩn ở nhiệt độ mẫu hoặc đồng hồ của máy dò phải tự động bù lại cho nhiệt độ mẫu khác nhau. Lưu ý rằng hiệu ứng nhiệt này khác với phản ứng nhiệt của màng được thảo luận ở trên.

Việc đọc một đầu dò DO phải được điều chỉnh cho lượng muối trong mẫu. Như trong bảng dưới đây, muối trong dung dịch sẽ làm giảm nồng độ oxy thực tế.

Trong tất cả các đầu dò DO, giao diện màng / mẫu nên có một vài cm / sec dòng chảy của mẫu để thực hiện chính xác. Nếu không có dòng chảy ở giao diện, oxy xung quanh sẽ được tiêu thụ và đọc địa phương giảm xuống.

Đầu ra của đầu dò tăng lên (đến một điểm) với chuyển động tương đối giữa đầu dò và mẫu.

Lượng oxy mà một lượng nước nhất định có thể giữ được là một chức năng của áp suất khí quyển ở giao diện không khí-nước, nhiệt độ nước, và lượng các chất hòa tan khác (như muối hoặc các khí khác) trong nước . Nhớ lại khi nhìn thấy bong bóng trong nồi nước ngay trước khi nó bắt đầu sôi. Những bong bóng này là không khí được hòa tan trong nước ở nhiệt độ phòng. Khi nước sôi, oxy hoà tan được đẩy ra – nước nóng hơn chứa DO ít hơn. Khi các chất khác, như muối, được hòa tan trong một đơn vị thể tích nước, sẽ có ít oxy hòa tan – oxy hòa tan ít hơn hầu hết các muối

Bảng dưới đây cho thấy mối quan hệ của oxy hoà tan (mg / L) với nhiệt độ và độ mặn:

Độ bão hòa oxy Căn cứ vào nhiệt độ và độ mặn

Mối quan hệ giữa nhiệt độ, độ mặn và oxy hòa tan được ước lượng bằng phương trình hàm mũ sau:

ln (C) = -139,34 + (1,5757 x 10 5 / T) – (6.6432 x 10 7 / T 2 ) + (1.2438 x 10 10 / T 3 )

– (8.6219 x 10 11 / T 4 ) – S [1.7674 x 10 -2 – (10.754 / T) + (2.1407 x 10 3 / T 2 )]

T = Nhiệt độ ở mức Kelvin S = Độ mặn trong các phần trên 1000 (ppt) C = Nồng độ mg / L

Khi áp suất không khí trên mặt nước tăng lên, sẽ có nhiều oxy hòa tan trong nước. Điều này làm tăng nồng độ oxy hoà tan. Độ hoà tan của một chất khí trong chất lỏng tỷ lệ thuận với áp suất của khí đó vượt quá định luật của chất lỏng Henry. Điều này thường được biểu hiện như sau:

p = kC (C = nồng độ DO)

Nếu các loại khí khác nhau được trộn lẫn trong một không gian hạn chế có thể tích không đổi và ở nhiệt độ xác định, mỗi loại khí có cùng áp suất như thể nó chiếm một khoảng không gian. Áp lực của hỗn hợp như là một tổng thể là áp lực riêng lẻ hoặc từng phần của các khí tạo thành hỗn hợp – luật áp suất từng phần của Dalton. Áp suất từng phần của từng loại khí tương ứng với số lượng các phân tử của khí đó trong hỗn hợp. Không khí là 20,948% oxy. Khi không khí thổi qua nước, chỉ 20% lượng oxy hòa tan sẽ tan nếu sử dụng oxy nguyên chất thay vì không khí, cùng áp suất.

Nồng độ oxy hoà tan cũng được đo bằng các đơn vị độ bão hòa%. “Độ bão hòa%” chỉ đơn giản là tỷ lệ đo mg / L oxy hòa tan chia cho mg / L oxy hòa tan ở độ bão hoà – như trong các bảng ở trên, mức bão hòa phụ thuộc vào nhiệt độ, độ mặn và áp suất. Vì độ bão hòa% là một tỷ lệ, nên nó không bị ảnh hưởng bởi các điều kiện này nếu hiệu chuẩn ở độ bão hòa 100% được thực hiện trong các điều kiện tương tự.

Độ hòa tan của chất tan như là một hàm của nhiệt độ (mg chất hòa tan trên một lít nước):

Với các đầu dò oxy hoà tan, liên tục theo dõi, nguồn oxy được đo là không khí. Như vậy, oxy hoà tan trong không khí hoặc nước bão hòa (mg / l hoặc ppm) theo chức năng của nhiệt độ được xác định bằng:

Độ tan (ml / L) x Mật độ (mg / ml) x% trong không khí = DO bão hòa trong mg / L (ppm)

Độ hòa tan (mg / L) x% trong không khí = DO bão hòa trong mg / L (ppm)

Nhiệt độ gia tăng thường làm tăng độ tan của chất rắn và chất lỏng trong khi nó làm giảm khả năng hòa tan của khí. Cũng giữ đơn vị của bạn thẳng-mg / L, ppm, ml / L, bão hòa%.

 (Nguồn: HOCDIENTU247)