水中溶氧檢測

摘 要:本文綜述了水體溶解氧的各種檢測方法及原理諸如碘量法、電流測定法(Clark溶氧電極)、電導測定法、熒光淬滅法等比較各種方法的優缺點對熒光淬滅法的應用前景進行了初步探討。 
關鍵詞:溶解氧、熒光淬滅、環境監測 
0.引言 
隨著當今世界工業、農業的迅猛發展大量的工業廢水、農田排水向江河湖海排放同時,數顯測振儀我國城市生活污水大約有80%未經處理直接排放小城鎮及廣大農村生活污水大多處于無序排放狀態[1]使得許多地方的水質日益惡化水污染和水資源短缺日益嚴重所以迫切需要對污水進行及時監控和有效處理。其中水中溶解氧含量是進行水質監測時的一項重要指標。 
溶解氧(Dissolved Oxygen)是指溶解于水中分子狀態的氧即水中的O2用DO表示。溶解氧是水生生物生存不可缺少的條件。溶解氧的一個來源是水中溶解氧未飽和時,超聲波測厚儀大氣中的氧氣向水體滲入;另一個來源是水中植物通過光合作用釋放出的氧。溶解氧隨著溫度、氣壓、鹽分的變化而變化一般說來溫度越高溶解的鹽分越大水中的溶解氧越低;氣壓越高水中的溶解氧越高。溶解氧除了被通常水中硫化物、亞硝酸根、亞鐵離子等還原性物質所消耗外也被水中微生物的呼吸作用以及水中有機物質被好氧微生物的氧化分解所消耗。所以說溶解氧是水體的資本是水體自凈能力的表示。天然水中溶解氧近于飽和值(9ppm)藻類繁殖旺盛時溶解氧含量下降。水體受有機物及還原性物質污染可使溶解氧降低對于水產養殖業來說水體溶解氧對水中生物如魚類的生存有著至關重要的影響當溶解氧低于4mg/L時就會引起魚類窒息死亡對于人類來說健康的飲用水中溶解氧含量不得小于6mg/L。當溶解氧(DO)消耗速率大于氧氣向水體中溶入的速率時溶解氧的含量可趨近于0此時厭氧菌得以繁殖使水體惡化所以溶解氧大小能夠反映出水體受到的污染特別是有機物污染的程度它是水體污染程度的重要指標也是衡量水質的綜合指標[2]。因此水體溶解氧含量的測量對于環境監測以及水產養殖業的發展都具有重要意義。 
1.水體溶解氧的各種檢測方法及原理 
1.1 碘量法(GB7489-87)(Iodometric) 
碘量法(等效于國際標準ISO 5813-1983)是測定水中溶解氧的基準方法使用化學檢測方法,測量準確度高是最早用于檢測溶解氧的方法。其原理是在水樣中加入硫酸錳和堿性碘化鉀生成氫氧化錳沉淀。此時氫氧化錳性質極不穩定迅速與水中溶解氧化合生成錳酸錳: 
4MnSO4+8NaOH = 4Mn(OH)2↓+4Na2SO4 (1) 
2Mn(OH)2+O2 = 2H2MnO3↓ (2) 
2H2MnO3+2Mn(OH)3 = 2MnMnO3↓+4H2O (3) 
加入濃硫酸使已化合的溶解氧(以MnMnO3的形式存在)與溶液中所加入的碘化鉀發生反應而析出碘: 
4KI+2H2SO4 = 4HI+2K2SO4 (4) 
2MnMnO3+4H2SO4+HI = 4MnSO4+2I2+6H2O (5) 
再以淀粉作指示劑用硫代硫酸鈉滴定釋放出的碘來計算溶解氧的含量[3]化學方程式為: 
2Na2S2O3+I2 = Na2S4O6+4NaI (6) 
設V為Na2S2O3溶液的用量(mL),M為Na2S2O3的濃度(mol/L),a為滴定時所取水樣體積(mL)DO可按下式計算[2]: 
DO(mol/L)= (7) 
在沒有干擾的情況下此方法適用于各種溶解氧濃度大于0.2mg/L和小于氧的飽和度兩倍(約20mg/L)的水樣。當水中可能含有亞硝酸鹽、鐵離子、游離氯時可能會對測定產生干擾此時應采用碘量法的修正法。具體作法是在加硫酸錳和堿性碘化鉀溶液固定水樣的時候加入NaN3溶液或配成堿性碘化鉀-疊氮化鈉溶液加于水樣中Fe3+較高時加入KF絡合掩敝。碘量法適用于水源水地面水等清潔水。碘量法是一種傳統的溶解氧測量方法測量準確度高且準確性好其測量不確定度為0.19mg/L[4]。但該法是一種純化學檢測方法耗時長程序繁瑣無法滿足在線測量的要求[5]。同時易氧化的有機物如丹寧酸、腐植酸和木質素等會對測定產生干擾?裳趸牧虻幕衔锶缌蚧锪螂逡踩缤子谙难醯暮粑到y那樣產生干擾。當含有這類物質時宜采用電化學探頭法[6],包括下面將要介紹的電流測定法以及電導測定法等。 
1.2 電流測定法(Clark溶氧電極) 
當需要測量受污染的地面水和工業廢水時必須用修正的碘量法或電流測定法。電流測定法根據分子氧透過薄膜的擴散速率來測定水中溶解氧(DO)的含量。溶氧電極的薄膜只能透過氣體透過氣體中的氧氣擴散到電解液中立即在陰極(正極)上發生還原反應: 
O2+2H2O+4e à 4OH- (8) 
在陽極(負極)如銀-氯化銀電極上發生氧化反應: 
4Ag+4Cl- à 4AgCl+4e (9) 
(8)式和(9)式產生的電流與氧氣的濃度成正比通過測定此電流就可以得到溶解氧(DO)的濃度。 
電流測定法的測量速度比碘量法要快操作簡便干擾少(不受水樣色度、濁度及化學滴定法中干擾物質的影響)而且能夠現場自動連續檢測但是由于它的透氧膜和電極比較容易老化當水樣中含藻類、硫化物、碳酸鹽、油類等物質時會使透氧膜堵塞或損壞需要注意保護和及時更換又由于它是依靠電極本身在氧的作用下發生氧化還原反應來測定氧濃度的特性測定過程中需要消耗氧氣所以在測量過程中樣品要不停地攪拌一般速度要求至少為0.3m/s且需要定期更換電解液致使它的測量精度和響應時間都受到擴散因素的限制。目前市場上的儀器大多都是屬于Clark電極類型每隔一段時間要活化透氧膜也要經常更換。張葭冬[7]對膜電極的精密度作了研究用膜電極法測量溶解氧的標準偏差為0.41mg/L,變異系數5.37%碘量法測量溶解氧的標準偏差為0.3mg/L變異系數為4.81%。同碘量法做對比實驗時每個樣品測定值絕對誤差小于0.21mg/L相對誤差不超過2.77%兩種方法相對誤差在-2.52%~2.77%之間。代表產品有美國YSI公司的系列便攜式溶解氧測量儀如YSI58型溶解氧測量儀該儀器可高質量地完成實驗室和野外環境的測試工件操作簡便攜帶方便。測量范圍為0~20mg/L,精度為±0.03mg/L。 
1.3 熒光猝滅法 
熒光猝滅法的測定是基于氧分子對熒光物質的猝滅效應原理根據試樣溶液所發生的熒光的強度來測定試樣溶液中熒光物質的含量。通過利用光纖傳感器來實現光信號的傳輸由于光纖傳感器具有體積小、重量輕、電絕緣性好、無電火花、安全、抗電磁干擾、靈敏度高、便于利用現有光通信技術組成遙測網絡等優點對傳統的傳感器能起到擴展、提高的作用在很多情況下能完成傳統的傳感器很難甚至不能完成的任務因此非常適合于熒光的傳輸與檢測。從80年代初起人們已開始了探索應用于氧探頭的熒光指示劑的工作。早期曾采用四烷基氨基乙烯為化學發光劑但由于其在應用中對氧氣的響應在12小時內逐漸衰減而很快被淘汰。芘、芘丁酸、氟蒽等是一類很好的氧指示劑〔8〕如1984年Wolfbeis等報告了一種對氧氣快速響應的熒光傳感器就是以芘丁酸為指示劑固定于多孔玻璃。這種傳感器的優點是響應速度快(可低于50ms)并有很好的穩定性。1989年Philip等〔9〕將香豆素1、香豆素103、香豆素153三種熒光指示劑分別固定于有機高聚物XAD-4、XAD-8及硅膠三種支持基體中進行實驗。從靈敏度、發射強度和穩定性幾個方面進行比較得出了香豆素102固定于XAD-4支持基體中是作為一種靈敏可逆的光纖氧傳感器的中介的最佳選擇的結論。使用這種熒光指示劑的光纖氧傳感器的應用范圍相當廣泛。 
后來過渡金屬(Ru、Os、Re、Rh和Ir)的有機化合物以其特殊的性能受到關注對光和熱以及強酸強堿或有機溶劑等都非常穩定。一般選用金屬釕鉻合物作為熒光指示劑即分子探針。金屬釕鉻合物的熒光強度與氧分壓存在一一對應的關系激發態壽命長不耗氧自身的化學成份很穩定在水中基本不溶解。釕鉻合物的基態至激發態的金屬配體電荷轉移(MLCT)過程中激發態的性質與配體結構有密切關系通常隨著配體共軛體系的增大熒光強度增強熒光壽命增大例如在熒光指示劑中把苯基插入到釕的配位空軌道上從而增強絡合物的剛性在這樣的剛性結構介質中釕的熒光壽命延長而氧分子與釕絡合物分子之間的碰撞猝滅機率提高從而可增強氧傳感膜對氧的靈敏度。目前的研究中釕化合物的配體一般局限于2,2’-聯吡啶、1,10-鄰菲洛啉及其衍生物。Brian[10]在實驗中比較了在不同pH值介質條件下制得的Ru(bpy)2+3與Ru(ph2phen)2+3兩種不同涂料的傳感器性能結果顯示在pH=7時Ru(ph2phen)2+3顯示了更高的靈敏度。為延長敏感膜在水溶液中的工作壽命較長時間保持其靈敏性呂太平〔11〕等合成Ru(Ⅱ)與4,7-二苯基-1,10-鄰菲洛啉的親脂性衍生物生成的新的熒光試劑配合物Ru(I)[4,7-雙(4’-丙苯基)-1,10-鄰菲洛啉]2(ClO4)2和Ru(Ⅱ)[4,7-雙(4’-庚苯基)-1,10-鄰菲洛啉]3(ClO4)2。Kerry[12]等合成Ru(Ⅱ)[5-丙烯酰胺基-1,10-鄰菲洛啉]3(ClO4)2。實驗均發現隨著配體碳鏈的增長熒光試劑的憎水性增大流失現象減少可延長膜的使用壽命。Ignacy[13]等研究還發現極化后的[Ru(dpp)3Cl2]氧傳感膜對氧具有更高的靈敏度。吸附在硅膠60上的釕(Ⅱ)絡合物在藍光的激發下發出既強烈又穩定的粉紅色熒光該熒光可以有效地被分子氧淬滅。 
其檢測原理是根據Stern-Vlomer的猝滅方程[14]:F0/F=1+Ksv[Q]其中F0為無氧水的熒光強度F為待檢測水樣的熒光強度Ksv為方程常數[Q]為溶解氧濃度根據實際測得的熒光強度F0、F及已知的Ksv可計算出溶解氧的濃度[Q]。 
實驗證明這種檢測方法克服了碘量法和電流測定法的不足具有很好的光化學穩定性、重現性無延遲精度高壽命長可對水中溶解氧進行實時在線監測。其測量范圍一般為0~20mg/L,精度一般≤1%響應時間≤60s。 
1.4 其他檢測方法 
電導測定法:用導電的金屬鉈或其他化合物與水中溶解氧(DO)反應生成能導電的鉈離子。通過測定水樣中電導率的增量就能求得溶解氧(DO)的濃度。實驗表明每增加0.035S/cm的電導率相當于1mg/L的溶解氧(DO)。此方法是測定溶解氧(DO)最靈敏的方法之一可連續監測。 
陽極溶出伏安法:同樣利用金屬鉈與溶解氧(DO)定量反應生成亞鉈離子: 
4Tl+O2+2H2Oà4Tl++4OH- (10) 
然后用溶出法測定Tl+離子的濃度從而間接求得溶解氧(DO)的濃度。使用該方法取樣量少靈敏度高而且受溫度影響不大。 
2.國內外在水體溶解氧檢測領域研究的現狀 
我國目前對水質檢驗的常規程序是取樣后拿到實驗室檢驗分析中間的工作環節復雜導致檢測時間長不能及時得到水質情況。國內目前一些單位和研究機構已經開發研制出一些小型溶解氧檢測儀一般都基于電流測定法如上海雷磁儀器廠生產的JPSJ-605型溶解氧分析儀北京北斗星工業化學研究所研制的H-BD5W手持式水質通用測試儀等其速度方面同國外同類儀器還有一定的差距;國內對熒光溶解氧傳感器也有一些研究[5][15]技術已經達到國外平均水平但研究實現商品化的較少。國外一般采用新型的基于熒光淬滅效應的溶解氧測量儀[16]代表產品有瑞士DMP公司的MICROXI型的溶解氧測量儀美國OXYMON氧氣測量系統等等,超聲波測厚儀測量精確快速并可以遠程測量等?偟膩碚f目前市場上大多數商品化溶解氧測量儀都是基于Clark溶氧電極的基于熒光淬滅法的光纖溶解氧傳感器較少。 
我國環境監測、監控技術在環境領域的應用等方面的研究與發達國家相比還存在顯著差距。目前國內在水質監測系統上還沒有自己開發的完整的設備大多數采用國外的設備和技術如ECOTECH公司的WQMS(水質監測系統)美國SIGMA900系列水質采樣器等等但是國外的水質檢測設備和系統大多數價格高體積大有的不完全符合中國的環境條件。據海關統計2000年我國進口各類儀器儀表總額70億美元接近我國儀器儀表工業總產值的50%。全國每年用于儀器儀表進口的費用大大超過用于購買國產儀器的費用價格昂貴、采購周期長以及各種配件難以獲得等原因嚴重地約束了我國科學技術的發展[1]。因此我國急需研究開發自行生產的環境水質自動監測儀器。 
3.小結 
目前國際上發展的主流是基于熒光淬滅原理的光纖溶解氧傳感器儀器的性能一般為:重復性誤差±0.3㎎/L,零點漂移和量程漂移±0.3㎎/L響應時間(T90)≤2min溫度補償精度±0.3㎎/LMTBF≥720h/次。根據上述熒光淬滅的特性擬使用如下方法實現溶解氧檢測儀:光源發出的光信號經濾光片送到有熒光指示劑的區域水中溶解氧與熒光指示劑相作用引起光的強度、波長、頻率、相位、偏振態等光學特征發生變化后送到光探測器和信號處理裝置得到溶解氧濃度的信息。為了防止污染物、水體生物的腐蝕、干擾儀器的抗干擾能力是關鍵。應該從傳感膜的化學穩定性儀器的防腐蝕性能電路的工作穩定性方面多加以研究。 
鑒于基于熒光淬滅法測量儀的光纖傳感器具有較高的測量精度和較強的抗干擾能力以及較好的重復性和穩定性可以用于農業中水產養殖業水質的測量以及各種農業用水污染程度的測量因此對此種傳感器的研究具有重要的實際應用價值和商品化價值。

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