在線溶解氧分析儀的測量原理及維護(hù)

        在污水處理過程中，通過增加污水中的含氧量，通過活性泥分解污染物，達(dá)到污水凈化的目的。氧氣含量的在線測量有助于確定曝氣池的凈化方式和經(jīng)濟(jì)配置。生物發(fā)酵過程中氧含量的測量數(shù)據(jù)可以指導(dǎo)過程，如判斷發(fā)酵過程的臨界氧濃度、發(fā)酵罐的供氧能力、細(xì)菌的活性和細(xì)菌的生長情況等。
         （一）溶解氧分析儀的測量原理
        氧氣在水中的溶解度取決于溫度、壓力和水中溶解的鹽分。溶解氧分析儀的傳感部分由金電極（陰極）、銀電極（陽極）和lu化鉀或氫氧化鉀電解液組成。當(dāng)在溶解氧分析儀的電極上施加0.6~0.8V的極化電壓時，氧氣通過膜擴(kuò)散，陰極釋放電子，陽極接受電子產(chǎn)生電流。整個反應(yīng)過程為：
        陽極 Ag+Cl→AgCl+2e-
        陰極 O2+2H2O+4e→4OH-
        根據(jù)法拉第定律：流過溶解氧分析儀電極的電流與氧分壓成正比，溫度恒定時電流與氧濃度呈線性關(guān)系。
         (2) 溶解氧含量的表示方法
        溶解氧含量有3種不同的表示方法：氧分壓（mmHg）；飽和度百分比（%）；氧濃度（mg/L或10-6），三種方法本質(zhì)上沒有區(qū)別。
         (1) 分壓表示法：氧分壓表示法是基本的、*的表示法。根據(jù)亨利定律
        ，P=(Po2+PH2O)×0.209，其中P為總壓力； Po2 為氧分壓（mmHg）； PH2O是水蒸氣的分壓； 0.209 是空氣中的氧含量。
         (2)百分比飽和度的表示：由于曝氣發(fā)酵的復(fù)雜性，氧氣分壓無法計(jì)算。在這種情況下，飽和百分比的表示是合適的。例如，當(dāng)校準(zhǔn)時溶解氧設(shè)置為 100% 時，當(dāng)零氧氣是0%，反應(yīng)過程中的溶解氧含量為校準(zhǔn)時的百分比。
         (3) 氧氣濃度的表示：根據(jù)亨利定律，氧氣濃度與其分壓成正比，即：C=Po2
         ×a，其中 C 為氧氣濃度（mg/L）； Po2 為氧分壓（mmHg）； a 為溶解系數(shù)（mg/mmHg·L）。
        溶解度系數(shù)a不僅與溫度有關(guān)，還與溶液的組成有關(guān)。對于恒溫的水溶液，a為常數(shù)，可以測出氧氣的濃度。氧氣濃度表示法在發(fā)酵工業(yè)中不常用，而是用污水處理和飲用水過程中的氧氣濃度來表示。
         (3) 影響溶解氧測量的因素
        氧氣的溶解度取決于溫度、壓力和水中溶解的鹽。此外，氧氣通過溶液的擴(kuò)散速度比通過膜的速度快。如果流速太慢，就會發(fā)生干擾。
         1、溫度的影響
        由于溫度的變化，膜的擴(kuò)散系數(shù)和氧氣的溶解度都會發(fā)生變化，直接影響溶解氧電極的電流輸出。熱敏電阻常用于消除溫度的影響。隨著溫度升高，擴(kuò)散系數(shù)增加，溶解度降低。溫度對溶解系數(shù)a的影響可以根據(jù)亨利定律估算，溫度對膜擴(kuò)散系數(shù)β的影響可以根據(jù)阿倫尼烏斯定律估算。
         (1)氧氣的溶解度系數(shù)：由于溶解度系數(shù)a不僅受溫度影響，還受溶液成分的影響
        .在相同的氧分壓下，不同組分的實(shí)際氧濃度也可能不同。根據(jù)亨利定律可知，氧濃度與其分壓成正比。對于稀溶液，溶解系數(shù)a隨溫度的變化約為2%/℃。
         (2)膜的擴(kuò)散系數(shù)：根據(jù)阿倫尼烏斯定律，溶解度系數(shù)β與溫度T的關(guān)系為：
         C=KPo2 exp(-β/T)，其中 K 和 Po2 假定為常數(shù)，則可以計(jì)算出 25°C 時 β 為 2.3%/°C。
        計(jì)算出溶解系數(shù)a后，通過比較儀器示值和分析值即可計(jì)算出膜的擴(kuò)散系數(shù)（計(jì)算過程在此省略）。 25℃時膜的擴(kuò)散系數(shù)為1.5%/℃。
        2、大氣壓的影響
        根據(jù)亨利定律，氣體的溶解度與其分壓成正比。氧氣的分壓與該地區(qū)的海拔高度有關(guān)。高原地區(qū)與平原地區(qū)的差異可達(dá)20%。使用前必須根據(jù)當(dāng)?shù)卮髿鈮哼M(jìn)行補(bǔ)償。部分儀器配備氣壓計(jì)，校準(zhǔn)時可自動校正；有些儀器沒有配備氣壓計(jì)，校準(zhǔn)時應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀笳咎峁┑臄?shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置。如果數(shù)據(jù)不正確，將導(dǎo)致較大的測量誤差。
         3.溶液中的鹽含量
        鹽水中的溶解氧明顯低于自來水。為了準(zhǔn)確測量，必須考慮鹽含量對溶解氧的影響。在恒溫條件下，含鹽量每增加100mg/L，溶解氧減少約1%。
        如果儀表在校準(zhǔn)時使用的溶液含鹽量較低，但實(shí)際測量的溶液含鹽量較高，也會造成誤差。在實(shí)際使用中，必須對測量介質(zhì)的鹽分含量進(jìn)行分析，以便準(zhǔn)確測量和正確補(bǔ)償。
         4. 樣品的流速
        氧氣通過膜的擴(kuò)散比通過樣品的慢，需要保證電極膜與溶液*接觸。對于流通式檢測方法，溶液中的氧氣會擴(kuò)散到流通池中，使靠近膜的溶液中的氧氣丟失，造成擴(kuò)散干擾，影響測量。為了準(zhǔn)確測量，應(yīng)增加溶液流過膜的流速以補(bǔ)償因擴(kuò)散而損失的氧氣，樣品的小流速為0.3 m/s。
         (4) 需要注意的問題
        對于溶解氧分析儀來說，只要選型、設(shè)置和維護(hù)得當(dāng)，一般都能滿足工藝的測量要求。溶解氧分析儀使用不良的主要問題是：使用和維護(hù)不當(dāng)；電極內(nèi)部泄漏引起的異常溫度補(bǔ)償；降低電極的輸入阻抗等。
         1、日常維護(hù)
        儀表的日常維護(hù)主要包括電極的定期清洗、校準(zhǔn)和再生。
         (1)電極應(yīng)每1~2周清洗一次。如果膜片上有污染，會導(dǎo)致測量誤差。清潔時
        小心不要損壞隔膜。用清水沖洗電極。如果污垢無法洗掉，請用軟布或棉布仔細(xì)擦洗。
         (2)2～3零點(diǎn)和跨度應(yīng)每月重新校準(zhǔn)一次。
         (3)電極的再生大約每年進(jìn)行一次。當(dāng)測量范圍無法調(diào)整時，需要對溶解氧電極進(jìn)行再生。電極再生包括更換內(nèi)部電解液、更換隔膜、清洗銀電極。如果觀察到銀電極被氧化，可用細(xì)砂紙打磨。
         (4)如果電極在使用過程中發(fā)生泄漏，必須更換電解液。
         2.儀器校準(zhǔn)
        儀器的校準(zhǔn)方法一般可用標(biāo)準(zhǔn)液校準(zhǔn)或現(xiàn)場取樣校準(zhǔn)。
         (1)標(biāo)準(zhǔn)溶液校準(zhǔn)方法：標(biāo)準(zhǔn)溶液校準(zhǔn)一般采用兩點(diǎn)校準(zhǔn)，即零點(diǎn)校準(zhǔn)和跨度校準(zhǔn)
        .調(diào)零溶液可以使用 2% Na2SO3 溶液。量程校準(zhǔn)溶液可根據(jù)儀器的量程選擇4M KCl溶液（2mg/L）； 50% 甲醇溶液 (21.9mg/L)。
         (2)現(xiàn)場取樣校準(zhǔn)法(Winkler法)：在實(shí)際使用中，常采用Winkler法對溶解氧分析儀進(jìn)行現(xiàn)場校準(zhǔn)。使用這種方法有兩種情況：采樣時儀表讀數(shù)為M1，分析分析值為A。當(dāng)儀表校準(zhǔn)時，儀表讀數(shù)仍為M1。此時只需將抄表調(diào)整為等于A即可；采樣時儀表讀數(shù)為M1，化驗(yàn)分析值為A，儀表校準(zhǔn)時儀表讀數(shù)變?yōu)镸2。此時，調(diào)整抄表不能等于A，而應(yīng)調(diào)整抄表為A/M1×M2。
        三、使用中應(yīng)注意的問題
        使用中應(yīng)注意以下問題： 由于溶氧電極的信號阻抗較高（約20MΩ），因此溶氧電極與轉(zhuǎn)換器的距離為50m；應(yīng)處于工作狀態(tài)，可連接溶解氧轉(zhuǎn)換器。放置時間長或已再生（更換電解質(zhì)或膜）的電極，使用前應(yīng)在無氧環(huán)境中極化1~2小時；由于溫度變化對電極膜的擴(kuò)散和氧溶解度有很大影響，因此需要更仔細(xì)地校準(zhǔn)。長時間（約10min），可平衡溫度補(bǔ)償電阻；氧氣的分壓與該地區(qū)的海拔高度有關(guān)，使用前必須根據(jù)當(dāng)?shù)氐拇髿鈮航o儀表充氣。當(dāng)測量溶液含鹽量較高時，校準(zhǔn)儀表時應(yīng)使用含鹽量相近的溶液；對于流通式測量方法，要求通過電極的最小流量為 0.3m/s。