Измерване на разтворен кислород

Основен етап от пречистването на отпадните води е отстраняването на съдържащите се в тях биологични замърсители. За тази цел се използват микроорганизми, които използват органичните вещества като храна.

Самият процес може да протича в аеробна или в анаеробна среда. По-често прилагани в практиката при пречистването на градски отпадни води са аеробните процеси, които протичат в присъствието на свободен кислород.

Необходимото количество кислород за протичането на биохимичното окисляване на органичните вещества е познато като биохимична потребност от кислород (БПК). Това е един от основните фактори, определящи протичането на процеса.

Разтворен кислород
С термина разтворен кислород на практика се обозначава количеството на кислорода, разтворен в единица обем на водата. Известно е, че количествата му варират в зависимост от температурата на водата, надморската височина и други.

В пречиствателните станции за протичането на процесите на пречистване на водата е необходимо нивото на количеството разтворен кислород във водата да се поддържа високо. При недостиг на разтворен кислород процесът на пречистване ще се забави, а може да настъпи и загиване на микроорганизмите.

Високите количества разтворен кислород, от своя страна, водят до повишени разходи за аерация на водата. За поддържане на количеството кислород в необходимите граници се счита за подходящо използване на системи за неговото измерване.

Обикновено количеството разтворен кислород се измерва в ppm (parts per million) или mg/l, като използваните сензори на практика не измерват действителното количество кислород във водата, а парциалното му налягане. Добре е да се има предвид, че налягането на кислорода зависи от солеността и температурата на водата.

Използвани методи за измерване
В практиката се прилагат различни сензори за измерване на разтворения във водата кислород. Изборът на конкретен сензор зависи от редица фактори, сред които необходимата точност на измерване, честотата на измерване, разходите за оборудване и други. Използваните сензори се подразделят основно на два вида - оптични и електрохимични или мембранни, като съответно към тези две категории се включват няколко вида сензори.

Електрохимичните сензори, работещи с мембрана, са сред често прилаганите. Към тази група се включват сензори, използващи галваничен и полярографски методи на измерване. Като цяло те имат общ принцип на работа, а именно при взаимодействие на сензора с кислорода се произвежда електрически сигнал, пропорционален на концентрацията на кислорода.

В повечето случаи използваните сензори работят като електрохимични клетки с положителен електрод (катод) и с отрицателен електрод (анод), потопени в електролит. Катодът е с отрицателен потенциал по отношение на анода. В отсъствието на кислород катодът се поляризира с водород, при което протичането на ток намалява.

При преминаване на кислород през мембраната катодът се деполяризира и се поглъщат електрони. Кислородът се редуцира до хидроксилни йони от катода. Анодът реагира с продукта от деполяризацията със съответното освобождаване на електрони. Електродната двойка позволява протичането на ток правопропорционално на количеството кислород, навлизащ в системата.

Полярографски метод на измерване
При полярографските сензори разликата в потенциала е по-малка и е необходимо прилагането на външен потенциал. Материалите, които се използват за катода, обикновено са злато или платина, а анодът най-често е от сребро. Като електролит често се използва разтвор на калиев хлорид във вода.

При използването на полярографски сензори е добре да се има предвид, че с течение на времето по анода се натрупва сребърен хлорид, който е добре да се почиства, тъй като при изцяло покриване на анода сензорът ще спре да работи.

Тъй като с времето се променя и химичният състав на електролита, е необходимо той да бъде сменен. Тъй като тези сензори работят с външен енергиен източник, при включване е необходимо време за поляризиране на сондата, което може да отнеме до около час.

При галваничните системи електродите са от материали, при които разликата в потенциала между катода и анода е от 0,5 V нагоре. Препоръчително е катодът да бъде от благороден метал. Сред използваните материали са сребро, злато, платина. Материалът за анода обикновено също е на основата на метал.

Сред използваните материали са олово, желязо, цинк, мед и други. Основно изискване е те да са стабилни без склонност към пасивиране. В ролята на електролит често се използва калиев хидроксид (KOH).

Галванични сензори
Галваничните сензори се характеризират с някои предимства пред полярографските. Например те не изискват време за поляризация. Обикновено галваничните сензори се характеризират и с по-бързо време на реакция, по-висока точност и по-голяма стабилност.

При мембранните сензори количеството кислород, влизащ в сондата, е функция на парциалното налягане на кислорода в измерваната среда. При по-високо парциално налягане по-голямо количество ток преминава през мембраната и, съответно, се произвежда и повече електричество.

При измерването е добре да се има предвид, че мембраната обикновено се изработва от температурно зависими материали, които оказват влияние на нейната пропускливост. Например увеличаването на пропускливостта при по-висока температура води до пропускането на повече кислород в сензора, дори и при постоянно парциално налягане на кислорода.

 Този недостатък често се коригира с използването на термистор вместо резистор, свързан между анода и катода, през които преминава токът. Също така е необходимо около мембраната да има няколко cm/sec поток на пробата, тъй като без този поток кислородът около сондата ще се консумира от самата нея, което ще доведе до грешка при измерването.

За коректната работа на сензора е важно разтвореният кислород да може да преминава свободно през мембраната. Влияние върху скоростта на дифузия, освен температурата, оказва и дебелината на самата мембрана. При мембраните с по-малка дебелина скоростта на дифузия е съответно по-висока.

Термисторът обикновено компенсира само мембраната. За коректното калибриране на сензора е необходимо да се отчете и температурата на водата. За тази цел се използва отделен или вграден в сондата температурен сензор.

Сред причините сензорите, работещи с мембрана, да са широко прилагани в практиката е, че кислородо-пропускливата мембрана разделя анода, катода и електролита от водата, която се измерва. Това е полезно, тъй като мембраната изолира електродите и от всякакви смущения в разтвора. Някои общи примери на тези смущения включват H2S, рН и проводимост. Друга важна причина е, че повечето сензори с мембранен филтър лесно могат да бъдат калибрирани.

Оптични сензори
Принципът на измерване при оптичните сензори е базиран на явлението луминесценция. Както е известно, луминисценцията е излъчването на светлина от частиците на дадено вещество, което не се дължи на топлина, а на преминаването на частиците във възбудено състояние под въздействието на различни външни фактори.

Измерването се основава на факта, че разтвореният кислород потиска продължителността и интензитета на луминесценцията. При отсъствие на разтворен кислород продължителността и интензитета на сигнала са с максимални стойности. При постъпване на разтворен кислород към чувствителния елемент те намаляват, т. е. зависимостта е обратнопропорционална.

Оптичните сензори в сравнение с електрохимичните се характеризират с някои предимства. Те се отличават с висока точност, лесно почистване при замърсяване, като в същото време наличието на замърсявания не влияе на точността на измерване, висока чувствителност и при ниски концентрации на разтворен кислород, дълъг срок на експлоатация.