水质分析—溶解氧测定方法应用
点击: 次 时间:2017-07-07 11:36
随着水质分析技术的不断发展与更新，电化学溶氧测量技术已成为目前应用最为广泛的溶氧测量技术，此项技术是由Dr. Leland Clark于1956年最先发明。电化学分为原电池法和极谱法。其中，极谱法应用最广。电化学（极谱法）溶氧分析仪基于传感器的结构又可以分为扩散型和平衡型两种，相对而言，扩散型的电化学溶氧传感器应用更为普及。
电化学（极谱法）溶氧传感器结构如下图所示。
图1：极谱法测定原理图
该传感器由阴极、阳极、电解液以及半透膜等主要部件构成，在直流极化电压作用下，溶解在水中的氧气穿过半透膜到达阴极发生还原反应：
O2 + 2H2O + 4e- = 4OH-
同时阳极发生氧化反应: 4Ag + 4Cl- = 4AgCl + 4e-
原电池法溶解氧测定原理同样是电化学方法，但是它少了极化电压，而是自发进行的反应。传感器由阴阳极、电解液以及半透膜构成。当溶解在水中的氧分子穿过氧半透膜达到阴极发生还原反应：
O2 + 2H2O + 4e- = 4OH-
而阳极发生氧化反应：2Zn = 2Zn2+ + 42e-
图2：原电池法测定原理图
当反应达到平衡稳定的条件下，该电化学反应形成的电流和氧气的分压（浓度）呈一定关系：I=n ? F ? A ? D ? S ? pO2 / d
I: 传感器电流 [nA]
n: 电子迁移的数量 (n = 4)
F: 法拉第常数 (F = 96485 C/mol)
A: 阴极表面积大小 [cm2]
D: 氧分子在膜上的扩散系数 [cm2/s]
S: 膜的氧溶解度 [mol/(cm3*bar)]
pO2: 氧气分压 [bar]
d: 膜厚度 [cm]
因此，根据上述电化学过程产生的电流强度就可以计算出水中的溶解氧分压，然后再根据亨利定律就可得出水中的溶解氧浓度。
和其他溶解氧测量技术相比较，极谱法溶氧测量技术具备应用量程广，精度高（特别在ppb痕量级溶氧测量应用场合），技术成熟等特点，目前在水处理工业各种溶氧测量场合应用最为普及和广泛。而原电池法少了极化预热的过程，使用则要方便些。
光学法测量溶解氧基于荧光淬灭的原理：传感器中的蓝色LED光源发出一束蓝色光，照射在荧光物质上，该涂层的荧光物质随即被这束蓝光激发，此激发态并不稳定，遇到氧以后会迅速释放出红色的光线并回复至原始状态。此红光和先前LED发射的蓝光存在一个时间滞后，光电检测器可以监测到蓝光和红光之间的这个相位滞后，即测量荧光物质从被蓝光激发到发射红光后恢复原态的时间，根据这个来计算水中溶解氧的含量。该相位滞后与发光体附近的溶解氧浓度成反比。当氧气与荧光物质接触后，则其产生的红色光的强度会降低，同时其产生红光的时间也会缩短，水样中溶解的氧气的浓度越高，则传感器产生的红光的强度就会越低。
图3：荧光法测定原理图
*荧光淬灭法测量溶氧技术具有测量便捷、稳定性高、维护量低等优点。除较高浓度的二氧化氯外，光学法测溶解氧不易受到其它干扰物质的影响。
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电化学（极谱法）溶氧传感器结构如下图所示。
该传感器由阴极、阳极、电解液以及半透膜等主要部件构成，在直流极化电压作用下，溶解在水中的氧气穿过半透膜到达阴极发生还原反应：
O2 + 2H2O + 4e- = 4OH-
同时阳极发生氧化反应: 4Ag + 4Cl- = 4AgCl + 4e-
原电池法溶解氧测定原理同样是电化学方法，但是它少了极化电压，而是自发进行的反应。传感器由阴阳极、电解液以及半透膜构成。当溶解在水中的氧分子穿过氧半透膜达到阴极发生还原反应：
O2 + 2H2O + 4e- = 4OH-
而阳极发生氧化反应：2Zn = 2Zn2+ + 42e-
当反应达到平衡稳定的条件下，该电化学反应形成的电流和氧气的分压（浓度）呈一定关系：I=n ? F ? A ? D ? S ? pO2 / d
I: 传感器电流 [nA]
n: 电子迁移的数量 (n = 4)
F: 法拉第常数 (F = 96485 C/mol)
A: 阴极表面积大小 [cm2]
D: 氧分子在膜上的扩散系数 [cm2/s]
S: 膜的氧溶解度 [mol/(cm3*bar)]
pO2: 氧气分压 [bar]
d: 膜厚度 [cm]
因此，根据上述电化学过程产生的电流强度就可以计算出水中的溶解氧分压，然后再根据亨利定律就可得出水中的溶解氧浓度。
和其他溶解氧测量技术相比较，极谱法溶氧测量技术具备应用量程广，精度高（特别在ppb痕量级溶氧测量应用场合），技术成熟等特点，目前在水处理工业各种溶氧测量场合应用最为普及和广泛。而原电池法少了极化预热的过程，使用则要方便些。
光学法测量溶解氧基于荧光淬灭的原理：传感器中的蓝色LED光源发出一束蓝色光，照射在荧光物质上，该涂层的荧光物质随即被这束蓝光激发，此激发态并不稳定，遇到氧以后会迅速释放出红色的光线并回复至原始状态。此红光和先前LED发射的蓝光存在一个时间滞后，光电检测器可以监测到蓝光和红光之间的这个相位滞后，即测量荧光物质从被蓝光激发到发射红光后恢复原态的时间，根据这个来计算水中溶解氧的含量。该相位滞后与发光体附近的溶解氧浓度成反比。当氧气与荧光物质接触后，则其产生的红色光的强度会降低，同时其产生红光的时间也会缩短，水样中溶解的氧气的浓度越高，则传感器产生的红光的强度就会越低。
*荧光淬灭法测量溶氧技术具有测量便捷、稳定性高、维护量低等优点。除较高浓度的二氧化氯外，光学法测溶解氧不易受到其它干扰物质的影响。
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