اکسیژن محلول چیست و چه کاربردی در فعالیت های صنعتی دارد؟

اکسیژن محلول اندازه گیری مقدار اکسیژن گازی (به عنوان O2) محلول در آب است. اکسیژن از جو (از طریق انتشار)، از آب های زیرزمینی و همچنین به عنوان محصول جانبی فتوسنتز گیاهان آبزی وارد آب رودخانه می شود. سطوح اکسیژن در آب را می توان بر حسب واحد غلظت، میلی گرم در لیتر، یا در رابطه با حداکثر مقدار اکسیژنی که در دمای معینی در آب حل می شود، بیان کرد که «% اشباع» نامیده می شود.

چرا اکسیژن محلول را اندازه می گیریم؟

ماهی ها و زئوپلانکتون ها برای تنفس به اکسیژن آب نیاز دارند. سطوح خوب اکسیژن برای سلامت سیستم رودخانه حیاتی است. آب رودخانه آهسته و آلوده اغلب با شرایط اکسیژن کم همراه است که نمی تواند زندگی زیادی را پشتیبانی کند. همانطور که خواهیم دید اکسیژن محلول ارتباط نزدیکی با آلودگی های آلی و غنی سازی مواد مغذی دارد، بنابراین می توان اطلاعات زیادی در مورد سلامت یک رودخانه به ما گفت.

شکل نشان دهنده حساسیت قزل آلای قهوه ای به غلظت های مختلف اکسیژن محلول در آب است.

کنترل های طبیعی بر روی اکسیژن محلول چیست؟

سطح اکسیژن در آب رودخانه تعادلی بین تامین اکسیژن (از جو و فتوسنتز) و مصرف اکسیژن ناشی از تنفس گیاهان، حیوانات و میکروب ها است. باکتری ها از مواد آلی (از جمله بقایای گیاهی و حیوانی) در آب به عنوان منبع غذایی استفاده می کنند. هرچه مواد آلی بیشتر باشد، تعداد باکتری‌هایی که در آب تنفس می‌کنند بیشتر می‌شود و در نتیجه اکسیژن بیشتری توسط باکتری‌ها مصرف می‌شود. بنابراین، مواد آلی اضافی در رودخانه ها می تواند شرایط اکسیژن کم را ایجاد کند.

حلالیت اکسیژن در آب با افزایش دمای آب کاهش می یابد. این بدان معنی است که سطح اکسیژن می تواند تغییرات فصلی را نشان دهد، با اکسیژن کمتر در تابستان که دمای آب بالا است و اکسیژن بیشتری در زمستان که دما پایین است. این می تواند پیامدهای مهمی برای سلامت ماهی داشته باشد.

جریان های چلک به دلیل گیاهان آبزی خود که در ماه های بهار و تابستان رشد می کنند، ارزشمند هستند. این گیاهان در روز فتوسنتز می کنند و در شب تنفس می کنند و باعث تغییرات روزانه مشخصی در محتوای اکسیژن محلول رودخانه می شوند. سرعت فتوسنتز بسته به شدت و مدت تابش نور خورشید تغییر خواهد کرد، بنابراین یک روز آفتابی با نرخ بالاتر فتوسنتز در مقایسه با یک روز ابری همراه خواهد بود.

چگونه فعالیت انسان می تواند اکسیژن محلول را تغییر دهد؟

فاضلاب (که فاضلاب خانگی نیز نامیده می شود) حاوی مدفوع انسان است که از مواد آلی تشکیل شده است. یکی از اهداف تصفیه فاضلاب، تجزیه مواد آلی در شرایط کنترل شده است تا مواد آلی به داخل رودخانه رها نشود و به مردم و حیات رودخانه آسیب برساند. هر گونه رهاسازی فاضلاب خام در رودخانه با کاهش محتوای اکسیژن محلول همراه است زیرا باکتری هایی که از فاضلاب به عنوان منبع غذایی استفاده می کنند، تعدادشان افزایش یافته و تنفس می کنند. این تنفس به سرعت اکسیژن آب را مصرف می کند و می تواند منجر به کشتن ماهی شود.

اتصال نادرست در شبکه لوله های زیرزمینی همچنین می تواند به این معنی باشد که لوله های فاضلاب به اشتباه به سرریز رودخانه ها متصل شده اند. این اتصالات نادرست می تواند در مناطق مسکونی بسیار رایج باشد و منجر به رسیدن آب با مواد آلی بالا به رودخانه های ما شود که می تواند باعث ایجاد مشکلاتی در سطح اکسیژن شود.

چرا باید اکسیژن محلول را اندازه گیری کرد؟

اندازه گیری اکسیژن محلول (DO) در آب به دلایل مختلف در زمینه های مختلف بسیار مهم است.

1. آبزی پروری: مزارع ماهی و عملیات آبزی پروری برای حفظ سلامت و نرخ رشد ماهی به سطوح DO پایدار متکی هستند. DO کم می تواند منجر به استرس ماهی، رشد ضعیف یا حتی مرگ و میر دسته جمعی شود.
2. تصفیه فاضلاب: در تصفیه خانه ها، DO برای اطمینان از فرآیندهای بیولوژیکی کارآمد نظارت می شود. باکتری های هوازی در فرآیند تصفیه به اکسیژن کافی برای تجزیه مواد آلی نیاز دارند.
3. پیش‌بینی تغییرات اکوسیستم: نظارت منظم DO می‌تواند به‌عنوان یک سیستم هشدار اولیه برای تغییرات اکوسیستم، مانند شکوفه‌های جلبکی یا کشته شدن ماهی‌ها، عمل کند و امکان مداخلات به موقع را فراهم کند.
4. شاخص کیفیت آب: سطوح DO شاخص کلیدی سلامت اکوسیستم های آبی است. سطح اکسیژن کافی برای بقای ماهی و سایر موجودات آبزی ضروری است. DO کم می تواند منجر به شرایط هیپوکسیک شود که می تواند باعث استرس یا مرگ آبزیان شود.

• مطالعات بیولوژیکی و شیمیایی: درک دینامیک اکسیژن در بدنه های آبی برای تحقیقات در لیمنولوژی، اقیانوس شناسی و علوم محیطی ضروری است. سطوح DO بر واکنش های شیمیایی و فرآیندهای بیولوژیکی در آب تأثیر می گذارد.

عوامل موثر بر سطح اکسیژن محلول

عوامل متعددی بر غلظت اکسیژن محلول در آب تأثیر می گذارد:

دمای اکسیژن محلول

آب سردتر نسبت به آب گرمتر اکسیژن بیشتری را در خود نگه می دارد. با افزایش دما، حلالیت اکسیژن کاهش می یابد که منجر به کاهش سطح DO می شود.

شوری

شوری بیشتر توانایی آب در نگهداری اکسیژن را کاهش می دهد. بنابراین، آب شور (مانند آب دریا) به طور کلی سطوح DO کمتری نسبت به آب شیرین دارد.

فشار اتمسفر

فشار اتمسفر بالاتر باعث افزایش حلالیت اکسیژن در آب می شود. در ارتفاعات بالاتر، جایی که فشار کمتر است، آب معمولاً حاوی اکسیژن محلول کمتری است.

حرکت آب

آب متلاطم، مانند جریان‌ها یا امواج با حرکت سریع، به دلیل افزایش اختلاط آب و هوا، سطح اکسیژن بالاتری دارد.

فعالیت بیولوژیکی

تراکم و فعالیت موجودات آبزی، مانند غلظت بالای جلبک یا ماهی، می تواند به طور قابل توجهی بر سطوح DO از طریق فرآیندهای متابولیکی آنها تأثیر بگذارد.

انواع سنسور های اندازه گیری اکسیژن محلول

• اندازه گیری اکسیژن با سنسورهای آمپرومتریک
• اندازه گیری اکسیژن با سنسورهای نوری

اندازه گیری اکسیژن با سنسورهای آمپرومتریک

اندازه گیری اکسیژن با سنسورهای آمپرومتریک، پروب های اکسیژن آمپرومتریک شامل یک الکترود کار (working electrode) و یک الکترود کانتر (counter electrode ) می باشد. آنها توسط یک مایع الکترولیتی در یک محفظه مشترک احاطه شده اند و یک ولتاژ مستقیم به هر دو اعمال می شود. اکسیژن از طریق یک غشاء از محیط به الکترولیت نفوذ می کند و در الکترود کار به جریان تبدیل می شود. الکترود شمارنده سیستم را با استفاده از یک واکنش هم ارزی شیمیایی کار می کند. جریان حاصل با فشار جزئی اکسیژن در محیط متناسب است.

اندازه گیری اکسیژن با سنسورهای نوری

پروب‌های اکسیژن نوری از روش خاموش کردن فلورسانس استفاده می‌کنند و دارای یک LED، یک فتودیود و یک بخش جداکننده به محیط است که توسط یک لایه نفوذپذیر اکسیژن پوشانده شده است. این لایه حاوی مولکول های نشانگر است که توسط نور نارنجی برانگیخته می شوند و با نور فلورسانس قرمز تیره پاسخ می دهند. مولکول های اکسیژن به مولکول های نشانگر متصل می شوند و نور فلورسانس را ضعیف می کنند (خاموش می کنند). سپس فتودیود شدت نور را که فشار جزئی اکسیژن در محیط را منعکس می کند، تشخیص می دهد.

سنسور اکسیژن محلول چیست؟

سنسور اکسیژن محلول دستگاهی است که برای اندازه گیری غلظت اکسیژن محلول در مایع، معمولاً آب استفاده می شود. این سنسورها در زمینه های مختلفی مانند نظارت بر محیط زیست، تصفیه آب، آبزی پروری و فرآیندهای صنعتی ضروری هستند. آنها داده های حیاتی را برای درک سلامت و کیفیت بدنه های آبی با اندازه گیری میزان اکسیژن موجود برای موجودات آبزی ارائه می دهند.

ترانسمیتر اکسیژن محلول چیست؟

یک ترانسمیتر اکسیژن محلول از دو بخش تشکیل شده است: سنسور اکسیژن محلول و ترانسمیتر.

روش های اندازه گیری اکسیژن محلول چیست؟

اکسیژن محلول را می توان با استفاده از چندین روش اندازه گیری کرد که هر کدام برای کاربردهای مختلف مناسب هستند:

روش های شیمیایی (به عنوان مثال، تیتراسیون وینکلر):

این شامل افزودن معرف‌هایی به نمونه آب است که با اکسیژن واکنش می‌دهند و به دنبال آن یک فرآیند تیتراسیون برای تعیین غلظت اکسیژن انجام می‌شود.

روش های الکتروشیمیایی:

اینها از حسگرهایی مانند الکترودهای اکسیژن قطبی یا گالوانیکی استفاده می‌کنند که جریان الکتریکی تولید شده توسط کاهش اکسیژن را اندازه‌گیری می‌کنند و خوانش مستقیم سطوح DO را ارائه می‌دهند.

روش های نوری:

این شامل حسگرهای نوری مبتنی بر اصل خاموش کردن فلورسانس است، جایی که حضور اکسیژن بر فلورسانس ساطع شده از رنگ تأثیر می گذارد. این روش بسیار دقیق و مناسب برای نظارت مستمر است.

سوالات متداول اکسیژن محلول

• چگونه می‌توان سطح اکسیژن محلول در یک سیستم آبی را به طور مصنوعی افزایش داد؟

سطح اکسیژن محلول را می‌توان با استفاده از هوادهی (ایجاد جریان‌های هوا در آب) یا تزریق مستقیم اکسیژن به آب افزایش داد.

• آیا اکسیژن محلول در آب شور و آب شیرین به یک میزان است؟ چرا؟

خیر، آب شور اکسیژن کمتری نسبت به آب شیرین در خود نگه می‌دارد زیرا شوری بیشتر حلالیت اکسیژن را کاهش می‌دهد.

• چه تکنولوژی‌هایی برای پایش اکسیژن محلول در زمان واقعی (Real-time) وجود دارد؟

سنسورهای نوری و الکتروشیمیایی که قابلیت اتصال به سیستم‌های مانیتورینگ آنلاین دارند، برای پایش لحظه‌ای اکسیژن محلول استفاده می‌شوند.

• چه نوع مشکلات محیطی می‌تواند باعث کاهش ناگهانی اکسیژن محلول در دریاچه‌ها یا رودخانه‌ها شود؟

ریزش ناگهانی مواد آلی، کودها یا ورود فاضلاب‌ها می‌تواند باعث شکوفایی جلبک‌ها و کاهش ناگهانی اکسیژن محلول شود.

• تأثیر کودهای کشاورزی بر سطح اکسیژن محلول چیست؟

کودها باعث افزایش مواد مغذی و شکوفایی جلبک‌ها می‌شوند که پس از مرگ جلبک‌ها، تجزیه آنها اکسیژن محلول را کاهش می‌دهد.