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水質(zhì)分析—溶解氧測(cè)定方法應(yīng)用
點(diǎn)擊: 次 時(shí)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(cè)量技術(shù)已成為目前應(yīng)用最為廣泛的溶氧測(cè)量技術(shù)，此項(xiàng)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(duì)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。
圖1：極譜法測(cè)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(shí)陽極發(fā)生氧化反應(yīng): 4Ag + 4Cl- = 4AgCl + 4e-
原電池法溶解氧測(cè)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-
圖2：原電池法測(cè)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(jì)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(cè)量技術(shù)相比較，極譜法溶氧測(cè)量技術(shù)具備應(yīng)用量程廣，精度高（特別在ppb痕量級(jí)溶氧測(cè)量應(yīng)用場(chǎng)合），技術(shù)成熟等特點(diǎn)，目前在水處理工業(yè)各種溶氧測(cè)量場(chǎng)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(cè)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(huì)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(gè)時(shí)間滯后，光電檢測(cè)器可以監(jiān)測(cè)到藍(lán)光和紅光之間的這個(gè)相位滯后，即測(cè)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(shí)間，根據(jù)這個(gè)來計(jì)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(huì)降低，同時(shí)其產(chǎn)生紅光的時(shí)間也會(huì)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(huì)越低。
圖3：熒光法測(cè)定原理圖
*熒光淬滅法測(cè)量溶氧技術(shù)具有測(cè)量便捷、穩(wěn)定性高、維護(hù)量低等優(yōu)點(diǎn)。除較高濃度的二氧化氯外，光學(xué)法測(cè)溶解氧不易受到其它干擾物質(zhì)的影響。
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電化學(xué)（極譜法）溶氧傳感器結(jié)構(gòu)如下圖所示。
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(shí)陽極發(fā)生氧化反應(yīng): 4Ag + 4Cl- = 4AgCl + 4e-
原電池法溶解氧測(cè)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-
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(jì)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(cè)量技術(shù)相比較，極譜法溶氧測(cè)量技術(shù)具備應(yīng)用量程廣，精度高（特別在ppb痕量級(jí)溶氧測(cè)量應(yīng)用場(chǎng)合），技術(shù)成熟等特點(diǎn)，目前在水處理工業(yè)各種溶氧測(cè)量場(chǎng)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(cè)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(huì)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(gè)時(shí)間滯后，光電檢測(cè)器可以監(jiān)測(cè)到藍(lán)光和紅光之間的這個(gè)相位滯后，即測(cè)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(shí)間，根據(jù)這個(gè)來計(jì)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(huì)降低，同時(shí)其產(chǎn)生紅光的時(shí)間也會(huì)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(huì)越低。
*熒光淬滅法測(cè)量溶氧技術(shù)具有測(cè)量便捷、穩(wěn)定性高、維護(hù)量低等優(yōu)點(diǎn)。除較高濃度的二氧化氯外，光學(xué)法測(cè)溶解氧不易受到其它干擾物質(zhì)的影響。
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