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溶解氧仪的测定方法原理

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  溶解氧 仪的测定方法原理

  在污水处理过程中,通过增加污水中的氧含量使污染物通过活化泥浆被分解出来,达到污水净化的目的,测量氧含量有助于确定最佳的净化方法和最经济的曝气池配置。在生物发酵过程中氧含量的测量数据可对工艺过程进行指导,如判断发酵过程的临界氧浓度、发酵罐的供氧能力以及菌体的活性和菌体的生长量等,并根据发酵时的供氧和需氧变化来指导补料操作。

  溶解度取决于温度、压力和水中溶解的盐

  一、溶解氧分析仪测量原理氧在水中的溶解度取决于温度、压力和水中溶解的盐。溶解氧分析仪传感部分是由金电极(阴极)和银电极(阳极)及氯化钾或氢氧化钾电解液组成,氧通过膜扩散进入电解液与金电极和银电极构成测量回路。当给溶解电极加上0.6~ 0.8V 的极化电压时,氧通过膜扩散,阴极释放电子,阳极接受电子,产生电流,整个反应过程为:阳极 Ag+Cl→AgCl+2e- 阴极 O2+2H2O+4e→4OH- 根据法拉第定律:流过溶解氧分析仪电极的电流和氧分压成正比,在温度不变的情况下电流和氧浓度之间呈线性关系。

  表示方法

  二、溶解氧含量的表示方法溶解氧含量有3 种不同的表示方法:氧分压(mmHg);百分饱和度(%);氧浓度(mg/L 或10-6),这3 种方法本质上没什么不同。

  ⑴分压表示法:氧分压表示法是最基本和最本质的表示法。根据Henry 定律可得,P=(Po2+P H2O)×0.209,其中,P 为总压;Po2 为氧分压(mmHg);P H2O 为水蒸气分压;0.209 为空气中氧的含量。

  ⑵百分饱和度表示法:由于曝气发酵十分复杂,氧分压不能计算得到,在此情况下用百分饱和度的表示法是最合适的。例如将标定时溶解氧定为100%,零氧时为0%,则反应过程中的溶解氧含量即为标定时的百分数。

  ⑶氧浓度表示法:根据Henry 定律可知氧浓度与其分压成正比,即:C=Po2 ×a,其中C 为氧浓度(mg/L);Po2 为氧分压(mmHg);a 为溶解度系数(mg/mmHg·L)。溶解度系数a 不仅与温度有关,还与溶液的成分有关。对于温度恒定的水溶液,a 为常数,则可测量氧的浓度。氧浓度表示法在发酵工业中不常用,但在污水处理、生活饮用水等过程中都用氧浓度来表示。

  影响溶解氧测量的因素

  三、影响溶解氧测量的因素氧的溶解度取决于温度、压力和水中溶解的盐,另外氧通过溶液扩散比通过膜扩散快,如流速太慢会产生干扰。

  ⒈ 温度的影响由于温度变化,膜的扩散系数和氧的溶解度都将发生变化,直接影响到溶氧电极电流输出,常采用热敏电阻来消除温度的影响。温度上升,扩散系数增加,溶解度反而减小。温度对溶解度系数a 的影响可以根据Henry 定律来估算,温度对膜扩散系数β可以通过阿仑尼乌斯定律来估算。

  ⑴氧的溶解度系数:由于溶解度系数a 不仅受温度的影响,而且受溶液的成分的影响。在相同氧分压下,不同组分的实际氧浓度也可能不同。根据亨利定律可知氧浓度与其分压成正比,对于稀溶液,温度变化溶解度系数a 的变化约为2%/ ℃。

  ⑵膜的扩散系数:根据阿仑尼乌斯定律,溶解度系数β与温度T 的关系为:C=KPo2·exp(-β/T),其中假定K、Po2 为常数,则可以计算出β在25℃时为2.3%/ ℃。当溶解度系数a 计算出来后,可通过仪表指示和化验分析值对比计算出膜的扩散系数(这里略去计算过程),膜的扩散系数在25℃时为1.5%/℃。

  ⒉ 大气压的影响根据Henry 定律,气体的溶解度与其分压成正比。氧分压与该地区的海拔高度有关,高原地区和平原地区的差可达20%,使用前必须根据当地大气压进行补偿。有些仪表内部配有气压表,在标定时可自动进行校正;有些仪表未配置气压表,在标定时要根据当地气象站提供的数据进行设置,如果数据有误,将导致较大的测量误差。

  ⒊ 溶液中含盐量盐水中的溶解氧明显低于自来水中的溶解氧,为了准确测量,必须考虑含盐量对溶解氧的影响。在温度不变的情况下,盐含量每增加100mg/L,溶解氧降低约1%。如果仪表在标定时使用的溶液的含盐量低,而实际测量的溶液的含盐量高,也会导致误差。在实际使用中必须对测量介质的含盐量进行分析,以便准确测量及正确补偿。

  ⒋ 样品的流速氧通过膜扩散比通过样品进行扩散要慢,必须保证电极膜与溶液完全接触。对于流通式检测方式,溶液中的氧会向流通池内扩散,使靠近膜的溶液中的氧损失,产生扩散干扰,影响测量。为了测量准确,应增加流过膜的溶液的流量来补偿扩散失去的氧,样品的最小流速为0.3m/s。

  注意的问题

  四、注意的问题对溶解氧分析仪来说,只要选型、设置、维护得当,一般均能满足工艺的测量要求。溶解氧分析仪的使用不好的主要问题出在:使用维护不正确;电极内部泄露造成温度补偿不正常;电极输入阻抗降低等。

  ⒈ 日常维护仪表的日常维护主要包括定期对进行清洗、校验、再生。

  ⑴1~2 周应清洗一次电极,如果膜片上有污染物,会引起测量误差。时应小心,注意不要损坏膜片。将电极放入清水中涮洗,如污物不能洗去,用软布或棉布小心擦洗。

  ⑵2~3 月应重新校验一次零点和量程。

  ⑶电极的再生大约1 年左右进行一次。当测量范围调整不过来,就需要对溶解氧电极再生。电极再生包括更换内部电解液、更换膜片、清洗银电极。如果观察银电极有氧化现象,可用细砂纸抛光。⑷在使用中如发现电极泄露,就必须更换电解液。

  ⒉ 仪表标定仪表的标定方法一般可采用标准液标定或现场取样标定。

  ⑴标准溶液标定法:标定一般采用两点标定,即零点标定和量程标定。零点标定溶液可采用2%的Na2SO3 溶液。量程标定溶液可根据仪表测量量程选择4M 的KCl 溶液(2mg/L);50%的甲醇溶液(21.9mg/L)。

  ⑵现场取样标定法(Winkler 法):在实际使用中,多采用Winkler 方法对溶解氧分析仪进行现场标定。使用该方法时存在两种情况:取样时仪表读数为M1,化验分析值为A,对仪表进行标定时仪表读数仍为M1,这时只须调整仪表读数等于 A 即可;取样时仪表读数为M1,化验分析值为A,对仪表进行标定时仪表读数改变为M2,这时就不能将调整仪表读数等于A,而应将仪表读数调整为 1 M A ×M2。3. 使用中应注意的问题使用中应注意以下问题:由于溶解氧电极信号阻抗较高(约20MΩ),溶解氧电极与转换器之间距离最大为50m;溶解氧电极不用时也应处于工作状态,可接在溶解氧转换器上。久置或重新再生(更换电解液或膜)的电极,在使用前应置于无氧环境极化1~2h;由于温度变化对电极膜的扩散和氧溶解度有较大影响,标定时需较长时间(约10min),以使温补电阻达到平衡;氧分压与该地区的海拔高度有关,仪表在使用前必须根据当地大气压进行补偿;测量溶液的含盐量高时,仪表标定时应使用含盐量相当的溶液;对于流通式测量方式,要求流过电极的最小流速为0.3m/s。

  检测方法

  碘量法

  (GB7489-87)(Iodometric)

  碘量法(等效于国际标准ISO

  5813-1983)是测定水中溶解氧的基准方法,使用化学检测方法,测量准确度高,是最早用于检测溶解氧的方法。其原理是在水样中加入硫酸锰和碱性碘化钾,生成氢氧化锰沉淀。此时氢氧化锰性质极不稳定,迅速与水中溶解氧化合生成锰酸锰:

  4MnSO4+8NaOH = 4Mn(OH)2↓+4Na2SO4 ⑴

  2Mn(OH)2+O2 = 2H2MnO3↓ ⑵

  2H2MnO3+2Mn(OH)3 = 2MnMnO3↓+4H2O ⑶

  加入浓硫酸使已化合的溶解氧(以MnMnO3的形式存在)与溶液中所加入的碘化钾发生反应而析出碘:

  4KI+2H2SO4 = 4HI+2K2SO4 ⑷

  2MnMnO3+4H2SO4+HI = 4MnSO4+2I2+6H2O ⑸

  再以淀粉作指示剂,用硫代硫酸钠滴定释放出的碘,来计算溶解氧的含量[3],化学方程式为:

  2Na2S2O3+I2 = Na2S4O6+4NaI ⑹

  设V为Na2S2O3溶液的用量(mL),M为Na2S2O3的浓度(mol/L),a为滴定时所取水样体积(mL),DO可按下式计算[2]:

  DO(mol/L)= ⑺

  在没有干扰的情况下,此方法适用于各种溶解氧浓度大于0.2mg/L和小于氧的饱和度两倍(约20mg/L)的水样。当水中可能含有亚硝酸盐、铁离子、游离氯时,可能会对测定产生干扰,此时应采用碘量法的修正法。具体作法是在加硫酸锰和碱性碘化钾溶液固定水样的时候,加入NaN3溶液,或配成碱性碘化钾-叠氮化钠溶液加于水样中,Fe3+较高时,加入KF络合掩敝。碘量法适用于水源水,地面水等清洁水。碘量法是一种传统的溶解氧测量方法,测量准确度高且准确性好,其测量不确定度为0.19mg/L[4]。但该法是一种纯化学检测方法,耗时长,程序繁琐,无法满足在线测量的要求[5]。同时易氧化的有机物,如丹宁酸、腐植酸和木质素等会对测定产生干扰。可氧化的硫的化合物,如硫化物硫脲,也如同易于消耗氧的呼吸系统那样产生干扰。当含有这类物质时,宜采用电化学探头法[6],包括下面将要介绍的电流测定法以及电导测定法等。

  所用

  4.1 硫酸锰溶液 称取120g 四水硫酸锰(MnSO4.4H2O),或者96g一水硫酸锰,用水稀释至250ml,如果不澄清,过滤。

  4.2碱性碘化钾-叠氮化钠溶液 溶解125g氢氧化钠于100ml水中,溶解37.5g碘化钾于50ml水中,溶解2.5g叠氮化钠于水中。三者混合,加水稀释至250ml。

  4.3硫酸铜-氨基磺酸抑制剂 溶解32g氨基磺酸于475g水中,溶解50g硫酸铜于500ml水中,混合,加入25ml冰乙酸,混匀。

  4.4 重铬酸钾 0.025mol/l 移取0.25mol/l重铬酸钾25.00ml至250ml容量瓶中,加水至标线。

  4.5 1+5 硫酸

  4.6 1%淀粉溶液 与cod淀粉配法一致、

  4.7 硫代硫酸钠溶液 称取3.2g硫代硫酸钠溶解于煮沸冷却的水中,加入0.2g碳酸钠,用水稀释至1000ml,储存于棕色瓶中,使用前用0.025mol/l重铬酸钾标定,方法如下

  于250ml碘量瓶中,加入100ml水和1g碘化钾,加入10ml 0.025mol/l重铬酸钾溶液、5ml(1+5)硫酸,盖上塞子,摇匀,暗处静止5min,用硫代硫酸钠滴定至淡黄色,加入1ml淀粉,继续滴定到蓝色刚好褪去,记录用量V

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