اصول اولیه اندازه گیری اکسیژن محلول (DO)
فکر کردن درباره اکسیژن موجود در هوا که ما نفس میکشیم بسیار ساده است، ولی درباره مایعات اطراف ما چطور؟
فقط موجودات زنده برای زنده ماندن به اکسیژن نیاز ندارند.اکسیژن نقش بسزایی در صنایع غذایی،مدیریت آب و محیط زیست بازی میکند.نکته مهمی که باید به یاد داشته باشیم اینکه اکسیژن فقط در هوای اطرافون وجود ندارد و در مایعات نیز موجود است به همین دلیل اندازه گیری اکسیژن یکی از پارامتر های کلیدی در صنایع مختلف است.
در این متن موارد زیر یررسی می گردد:
ü اکسیژن محلول چیست؟
ü چرا اکسیژن محلول اندازه گیری می شود؟
ü اکسیژن محلول چه اثراتی دارد؟
ü چگونه اکسیژن محلول اندازه گیری می شود؟
v تیتراسیون
v الکترود های گالوانیک
v الکترود های پلوروگرافیک
v الکترود های اپتیکی
ü چه دستگاههای برای اندازه گیری اکسیژن محلول بهترین هستند؟
چرا اکسیژن محلول اندازه گیری می شود؟
چرایی اندازه گیری اکسیژن وابسته به صنعتی است که در آن قرار دارید. مثلا" چرایی اندازه گیری اکسیژن برای کسی که آب میوه تولید میکند با تکنسینی که اکسیژن محلول در آب را رصد می کند بسیار متفاوت است.
اکسیژن محلول یک کمیت حیاتی کیفیت آب در محیط زیست است و نشان دهنده سلامت عمومی اکوسیستم است. اکثر موجودات زنده پس از مرگ فاسد می شوند و به همین دلیل باعث رشد زیاد باکتری ها می شود.نتیجه این رشد مصرف اکسیزن را افزایش و سطح اکسیژن محلول را کاهش میدهد.کاهش اکسیژن محلول می تواند دلیل مرگ و میر بیشتر در مزرعه گردد که باعث مرگ همه موجودات زنده و حیوانات در آب می گردد. اندازه گیری اکسیژن در مزارع پرورش آبزیان به همین دلیل بسیار اهمیت دارد.
اکسیژن محلول به صورت مستقیم اندازه گیری می شود ولی به شکل های دیگر همچون BOD، OUR و SOUR نیز قابل اندازه گیری می باشد. BOD Biological Oxygen Demand)) استفاده شده در آب تعیین کننده مسائل اصلی فعالیت های میکروبی است.
OUR (Oxygen Uptake Rate) یک پارامتر سریعتر از BOD است که میتواند فعالیت میکروبی را در آب نشان دهد.
SOUR (Specific Oxygen Uptake Rate) مقدار اکسیژن مورد نیاز یک mg/L میکروب در یک گرم غذای مصرف شده ،می باشد. SOUR عموما" در تصفیه لجن اندازه گیری می شود.
عوامل تاثیر گذار بر اکسیژن محلول چیست؟
دما(Temperature)
یکی از فاکتور های بزرک که تاثیر مستقیم بر اکسیژن محلول دارد دما می باشد.
اندازه گیری حرکت انرژی در یک سیستم خود دماست همچنین با افزایش دما ،حرکت ذرات افزایش پیدا میکند وقتی دما بالا میرود ذرات، مولکول ها، اتم ها و غیره ... بیشتر و بیشتر انرژی می گیرند.این انرژی سبب بالا و پایین پریدن سریع آنها می شود.این حرکات ذرات سبب برخورد بیشتر انها با همدیگر می شود و پیوند هایی که با هم نگه داشتند را می شکند.ذرات DO که با بقیه ذرات پیوند دارند شکسته شده و انها می توانند از محلول بیرون بروند.
بهرحال در دمای بیشتر غلظت DO کمتری داریم و برعکس با کاهش دما حرکت ذرات کاهش می یابد و در نتیجه غلظت DO بالا میرود.
فشار (Pressure)
وقتی در اندازه گیری اکسیژن محلول از فشار صحبت می شود منظور همان فشار هوا می باشد.آیا تا به حال از مکانی که هم سطح دریا است به یک مکان با ارتفاع بالا سفر کرده اید؟
شما ممکن است توجه کرده باشید که کمی سبکترید ولی همچنین هوا رقیق تر احساس می شود.
در ارتفاع فشار هوا کمتر فشار وارد می کند.احتمالا برای تنظیم تغییر اکسیژن و فشار هوا یکی دو روز وقت بگیرد.
وقتی فشار هوا کاهش می یابد،فشار ذرات اکسیژن نیز کاهش می یابد همچنین با افزایش ارتفاع با توجه به اینکه فشار زیادی برای نگهداری اکسیژن در مایع وجود ندارد ،غلظت اکسیژن محلول کاهش می یابد.
شوری (Salinity)
شوری میتواند تاثیر بگذارد بر مقدار DO در محلول ها.این موضوع بر میگردد به علم شیمی که چگونه مولکول ها میتوانند انواع مختلف مولکول های دیگر را در خود جای دهند. مولکول های نمک
رطوبت (Humidity)
رطوبت یا بخار آب می تواند بر غلظت اکسیژن محلول تاثیر بگذارد . وقتی سطح رطوبت افزایش می یابد یک فشار موضعی اکسیژن افزایش یافته دارید و به همین دلیل سطح اکسیژن محلول افزایش می یابد.
چگونه اکسیژن محلول را اندازه گیری کنیم؟
اکسیژن محلول را میتوانیم به روشهای یودومتری ، رنگ سنجی، الکتروانالیتیکال، لومینانس اندازه گیری کنیم.
یودومتری(Iodometry)
یودومتری یک فرم از تیتراسیون می باشد. در روش تیتراسیون شما از یک ماده که غلظت مشخص دارد(Titrant) برای تعیین غلظت نامشخص ماده دیگر استفاده می کنید.منظور از یودومتری تیتراسیون ،استفاده از متد تیتراسیونی است که برای مشخص شدن پایان تیتراسیون ، یونی ظاهر یا از بین میرود.تیتراسیون استفاده شده برای تعیین غلظت DO متد Winkler نامیده می شود. این متد یک بار اندازه گیری نمونه را فراهم می سازد.
رنگ سنجی (Colorimetery)
Colorimetery اندازه گیری رنگ نمونه است. در این روش ما از ریجنت های شیمیایی که با DO واکنش دارند و باعث تغییر رنگ نمونه می شوند استفاده می کنیم.شدت رنگ اندازه گیری شده ،مقدار DO نمونه را نشان میدهد.ریجنت های استفاده شده در این روش ، ورژن اصلاح شده متد Winkler است. این متد شبیه یودومتری است.
الکترو آنالیتیکال(Electroanalytical)
متد Electroanalytical پروب های بسیار ساده اکسیژن محلول هستند.دو نوع پروب که نامیده می شوند Galvanic و Polarographic در این روش استفاده می شوند و بر اساس واکنش های اکسیداسیون و احیا (redox) ) کار می کنند.این پروبها اندازه گیری پیوسته و در لحظه را برای نمایش مقدار DO فراهم می کند. قبل از صحبت درباره الکترود ها ابتدا یک بررسی کوتاه در باره واکنش redox انجام می دهیم.
همانگونه که می دانیم واکنش اکسداسیون و احیا وقتی به وجود می آید که الکترون ها بین دو ماده تبادل شوند.اکسیداسیون و احیا دو نیمه یک واکنش هستند و شما نمی توانید یکی رو بدون دیگری داشته باشید.اسیدکننده ترجیح میدهد یک احیا شونده را اکسید کند و احیا شونده ترجیح میدهد یک اکسیدکننده را احیا کند.
گالوانیک پروب
گالوانیک پروب ها ،پروب های ممبرانی هستند و شبیه باطری هستند.این پروب ها دو قسمت دارند که مثل باطری رفتار می کنند(تولید یک ولتاژ). در کپ الکترود یک ممبران خیلی نازک وجود دارد،این ممبران خیلی مهمه و فقط اجازه میده گاز ها وارد شوند وهمه چیز های دیگر را بیرون نگه می دارد.اکسیژن از ممبران وارد می شود و اون حل می شود در الکترولیت داخل کپ پروب.سپس اکسیژن واکنش میکند با یک قسمت از الکترود که کاتد نامیده می شود،و اون یک الکترون دریافت میکند.این الکترون ارائه می شود توسط قسمت دیگر که آند نامیده میشود.این واکنش و تبادل الکترون باعث به وجود آمدن ولتاژ بین آند و کاتد پروب می شود.جریان به وجود آمده در پروب وصل شده به دستگاه تبدیل به غلظت DO می شود.
پولوگرافیک پروب
پروبهای Polarographic مقدار کمی با گالوانیک پروب ها تفاوت دارند.ولی هنوز جزء پروبهای ممبرانی به حساب می آیند.به جای اینکه به خودی خود شبیه یک باطری باشند بین آند و کاتد یک ولتاژ اعمال می گردد ،این ولتاژ اعمال شده مانند یک کاتالیست مسبب واکنش اکسیژن می گردد.مانند پروب های گالوانیک ،الکترود دارای ممبران می باشد که اجازه می دهد اکسیژن وارد الکترولیت گردد.وقتی اکسیژن به کاتد برخورد می کند به الکترون شتاب می دهد به همین دلیل جریان به وجود می آید و با میزان جریان غلظت اکسیژن محلول تعیین می گردد. با توجه به اینکه ولتاژ به پروب ها اعمال می گردد نیاز به زمان Warm-Up برای استفاده دارد.
اکسیژن محلول به روش نوری
درOptical Dissolved Oxygen هنوز برای اندازه گیری ازپروب استفاده می شود ولی به جای اندازه گیری یک واکنش ،پروب و دستگاه، تابناکی (luminescence) را اندازه گیری می کند.بوسیله پروب یک نور آبی ساطع می شود و نور آبی بوسیله یک ماده حساس به نور در کپ پروب برانگیخته می شود و یک نور قرمز آزاد میکند و نور قرمز وقتی به سنسور نوری برخورد می کند، اندازه گیری می شود. نور قرمز متوقف می شود وقنی اکسیژن محلول وجود داشته باشد. قدرت ،طول عمر و فرکانس نور قرمز غلظت اکسیژن را مشخص می کنند. پروب نوری اکسیژن محلول قابلیت اندازه گیری اکسیژن نمونه را به صورت پیوسته دارا می باشد. پروب نوری DO مفداری بیشتر نسبت به دیگر پروب ها تحت تاثیر رطوبت قرار می گیرد.
کدام دستگاه ها برای اندازه گیری اکسیژن محلول بهتر هستند؟
در حال حظر شما اندکی بیشتر درباره چرایی و چگونگی اندازه گیری DO می دانید و شما ممکن است بخواهید بدانید کدام دستگاه ها برای تست بهتر هستند.ابتدا شما نیاز دارید تصمیم بگیرید بین دستگاه های قابل حمل (Portable) یا رومیزی (Bench) یکی را در خواست نمایید.
تجهیزات پرتابل
تجهیزات پرتابل برای اندازه گیری با دقت بالا و انعطاف پذیر برای اندازه گیری در مکا نهای مختلف ساخته شده اند.آنها می توانند در طراحی ، روشهای تست و عملکرد بسیار کارآمد باشند.برخی از تجهیزات پرتابل برای اندازه گیری یک پارامتر و برخی دیگر برای اندازه گیری چند پارامتر طراحی می شوند.هنگام خرید و انتخاب میتوانید تجهیزات ضد آب را انتخاب نمایید.
آپشن های مختلفی وجود دارند تا شما بتوانید بهترین اتخاب را داشته باشید.تجهیزات پرتابل می توانند با پروب های گالوانیک ،پولوروگرافیک و اپتیک باشند و انتخاب آن به نوع نمونه و دقت قابل انتظار وابسته است.الکترود های گالوانیک و پولوگرافیک تک یا دو نقطه ای کالیبره می شوند و برای کالیبراسیون در صفر از محلول اکسیژن صفر و 100 درصد از هوای طبیعی استفاره می شود.
شرکت هانا می تواند محصولات مختلف را برای اندازه گیری DO پیشنهاد دهد.مانند:
- HI98193 Waterproof Portable Dissolved Oxygen and BOD Meter (برای شرایط سخت)
- HI98198 Optical Dissolved Oxygen Meter (برای اندازه گیری اکسیژن با قابلیت اعتماد بیشتر و آسان تر )
- HI98196 Multiparameter pH/ORP/DO/Pressure/Temp Meter (مولتی پارامتر برای اندازه گیری اکسیژن و پی اچ در کیفیت آب)
تجهیزات رومیزی
تجهیزا رو میزی همانند تجهیزات پرتابل با قابلیت ها و دقت های مختلف ساخته و بر اساس کاربرد و نیاز شما انتخاب می شوند. وقتی یک تجهیز رومیزی را انتخاب می کنید باید به فکر فضای قرار ادن آن روی میز نیز باشید.برخی از تجهیزات رومیزی مانند اسپکتروفتومتر ها فضای بیشتر از تجهیزاتی که پروب دارند فضا می گیرند.
در برخی از موارد طراحی ،نیاز به فضای روی میز وجود ندارد ،در این شرکت اکسیژن متری طراحی شده که می توان آن را روی دیوار نصب کرد.
- HI5421-01 Laboratory Research Grade Benchtop Dissolved Oxygen and BOD Meter.
دستگاه اندازه گیری اکسیژن محلول و BOD بسیار دقیق مناسب برای مراکز تحقیقاتی و دانشگاهی به همراه جبران سازی دما، فشار هوا و شوری
- HI2040-01 edge® Multiparameter DO Meter.
دستگاه چند منظوره پرتابل، رومیزی و قابل نصب بر روی دیوار با قابلیت اندازه گیری چند پارامتر از جمله اکسیژن محلول ، pH و هدایت الکتریکی و دما که به صورت استاندارد الکترود اکسیژن محلول بر روی دستگاه قرار دارد و الکترود های pH و هدایت باید جداگانه خریداری گردد.
هر دوی دستگاههای اکسیژن متر پرتابل و رومیزی می توانند تاثیر دما، فشار،شوری و رطوبت را تصحیح نمایند.
اگر شما به گزارش داده های اندازه گیری نیازدارید در هنگام خرید دقت کنید که دستگاه قابلیت ذخیره داده ها روی فلش مموری یا قابلیت اتصال به کامپیوتر را دارا باشد.
ترجمه : شرکت ستاره عرش آریا – امین جهانیان
منبع : وبلاگ شرکت Hanna Instruments
https://blog.hannainst.com/beginners-guide-to-dissolved-oxygen-measurement