在線溶解氧(DO)分析儀的測量原理及維護

  在污水處理過程中,通過增加污水中的氧含量使污染物通過活化泥漿被分解出來,達到污水凈化的目的,在線測量氧含量有助于確定最佳的凈化方法和最經濟的曝氣池配置。在生物發酵過程中氧含量的測量數據可對工藝過程進行指導,如判斷發酵過程的臨界氧濃度、發酵罐的供氧能力以及菌體的活性和菌體的生長量等,并根據發酵時的供氧和需氧變化來指導補料操作。

一 、溶解氧分析儀測量原理

氧在水中的溶解度取決于溫度、壓力和水中溶解的鹽。溶解氧分析儀傳感部分是由金電極(陰極)和銀電極(陽極)及氯化鉀或氫氧化鉀電解液組成,氧通過膜擴散進入電解液與金電極和銀電極構成測量回路。當給溶解氧分析儀電極加上0.6~0.8V 的極化電壓時,氧通過膜擴散,陰極釋放電子,陽極接受電子,產生電流,整個反應過程為

陽極 Ag+Cl&rarr;AgCl+2e-<br />

陰極 O2+2H2O+4e&rarr;4OH-<br />

根據法拉第定律:流過溶解氧分析儀電極的電流和氧分壓成正比,在溫度不變的情況下電流和氧濃度之間呈線性關系。

二 、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);百分飽和度(%);氧濃度(mg/L 或10-6),這3 種方法本質上沒什么不同。

(1)分壓表示法:氧分壓表示法是最基本和最本質的表示法。根據Henry 定律可得,P=(Po2+P H2O )&times;0.209,其中,P 為總壓;Po2 為氧分壓(mmHg);P H2O為水蒸氣分壓;0.209 為空氣中氧的含量。

(2)百分飽和度表示法:由于曝氣發酵十分復雜,氧分壓不能計算得到,在此情況下用百分飽和度的表示法是最合適的。例如將標定時溶解氧定為100%,零氧時為0%,則反應過程中的溶解氧含量即為標定時的百分數。

(3)氧濃度表示法:根據Henry 定律可知氧濃度與其分壓成正比,即:C=Po2&times;a,其中C 為氧濃度(mg/L);Po2 為氧分壓(mmHg);a 為溶解度系數(mg/mmHg&middot;L)。溶解度系數a 不僅與溫度有關,還與溶液的成分有關。對于溫度恒定的水溶液,a為常數,則可測量氧的濃度。氧濃度表示法在發酵工業中不常用,但在污水處理、生活飲用水等過程中都用氧濃度來表示。

三 、影響溶解氧測量的因素

氧的溶解度取決于溫度、壓力和水中溶解的鹽,另外氧通過溶液擴散比通過膜擴散快,如流速太慢會產生干擾。

1. 溫度的影響

由于溫度變化,膜的擴散系數和氧的溶解度都將發生變化,直接影響到溶氧電極電流輸出,常采用熱敏電阻來消除溫度的影響。溫度上升,擴散系數增加,溶解度反而減小。溫度對溶解度系數a 的影響可以根據Henry 定律來估算,溫度對膜擴散系數&beta;可以通過阿侖尼烏斯定律來估算。

(1)氧的溶解度系數:由于溶解度系數a 不僅受溫度的影響,而且受溶液的成分的影響。在相同氧分壓下,不同組分的實際氧濃度也可能不同。根據亨利定律可知氧濃度與其分壓成正比,對于稀溶液,溫度變化溶解度系數a 的變化約為2%/℃。

(2)膜的擴散系數:根據阿侖尼烏斯定律,溶解度系數&beta;與溫度T 的關系為: C=KPo2&middot;exp(-&beta;/T),其中假定K、Po2 為常數,則可以計算出&beta;在25℃時為2.3%/℃。當溶解度系數a 計算出來后,可通過儀表指示和化驗分析值對比計算出膜的擴散系數(這里略去計算過程),膜的擴散系數在25℃時為1.5%/℃。

2. 大氣壓的影響根據Henry 定律,氣體的溶解度與其分壓成正比。氧分壓與該地區的海拔高度有關,高原地區和平原地區的差可達20%,使用前必須根據當地大氣壓進行補償。有些儀表內部配有氣壓表,在標定時可自動進行校正;有些儀表未配置氣壓表,在標定時要根據當地氣象站提供的數據進行設置,如果數據有誤,將導致較大的測量誤差。

3. 溶液中含鹽量鹽水中的溶解氧明顯低于自來水中的溶解氧,為了準確測量,必須考慮含鹽量對溶解氧的影響。在溫度不變的情況下,鹽含量每增加100mg/L,溶解氧降低約1%。如果儀表在標定時使用的溶液的含鹽量低,而實際測量的溶液的含鹽量高,也會導致誤差。在實際使用中必須對測量介質的含鹽量進行分析,以便準確測量及正確補償。

4. 樣品的流速氧通過膜擴散比通過樣品進行擴散要慢,必須保證電極膜與溶液完全接觸。對于流通式檢測方式,溶液中的氧會向流通池內擴散,使靠近膜的溶液中的氧損失,產生擴散干擾,影響測量。為了測量準確,應增加流過膜的溶液的流量來補償擴散失去的氧,樣品的最小流速為0.3m/s。

四 、注意的問題

對溶解氧分析儀來說,只要選型、設置、維護得當,一般均能滿足工藝的測量要求。溶解氧分析儀的使用不好的主要問題出在:使用維護不正確;電極內部泄露造成溫度補償不正常;電極輸入阻抗降低等。

1. 日常維護

儀表的日常維護主要包括定期對電極進行清洗、校驗、再生。

(1)1~2 周應清洗一次電極,如果膜片上有污染物,會引起測量誤差。清洗時應小心,注意不要損壞膜片。將電極放入清水中涮洗,如污物不能洗去,用軟布或棉布小心擦洗。

(2)2~3 月應重新校驗一次零點和量程。

(3)電極的再生大約1 年左右進行一次。當測量范圍調整不過來,就需要對溶解氧電極再生。電極再生包括更換內部電解液、更換膜片、清洗銀電極。如果觀察銀電極有氧化現象,可用細砂紙拋光。

(4)在使用中如發現電極泄露,就必須更換電解液。

2. 儀表標定

儀表的標定方法一般可采用標準液標定或現場取樣標定。

(1)標準溶液標定法:標準溶液標定一般采用兩點標定,即零點標定和量程標定。零點標定溶液可采用2%的Na2SO3 溶液。量程標定溶液可根據儀表測量量程選擇4M 的KCl 溶液(2mg/L);50%的甲醇溶液(21.9mg/L)。

(2)現場取樣標定法(Winkler 法):在實際使用中,多采用Winkler 方法對溶解氧分析儀進行現場標定。使用該方法時存在兩種情況:取樣時儀表讀數為M1,化驗分析值為A,對儀表進行標定時儀表讀數仍為M1,這時只須調整儀表讀數等于A 即可;取樣時儀表讀數為M1,化驗分析值為A,對儀表進行標定時儀表讀數改變為M2,這時就不能將調整儀表讀數等于A,而應將儀表讀數調整為1 MA &times;M2。</font></p>

3. 使用中應注意的問題

使用中應注意以下問題:由于溶解氧電極信號阻抗較高(約20M&Omega;),溶解氧電極與轉換器之間距離最大為50m;溶解氧電極不用時也應處于工作狀態,可接在溶解氧轉換器上。久置或重新再生(更換電解液或膜)的電極,在使用前應置于無氧環境極化1~2h;由于溫度變化對電極膜的擴散和氧溶解度有較大影響,標定時需較長時間(約10min),以使溫補電阻達到平衡;氧分壓與該地區的海拔高度有關,儀表在使用前必須根據當地大氣壓進行補償;測量溶液的含鹽量高時,儀表標定時應使用含鹽量相當的溶液;對于流通式測量方式,要求流過電極的最小流速為0.3m/s。


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