在线溶解氧分析仪的测量原理及维护

在线溶解氧分析仪的测量原理及维护

        在污水处理过程中，通过增加污水中的含氧量，通过活性泥分解污染物，达到污水净化的目的。氧气含量的在线测量有助于确定曝气池的净化方式和经济配置。生物发酵过程中氧含量的测量数据可以指导过程，如判断发酵过程的临界氧浓度、发酵罐的供氧能力、细菌的活性和细菌的生长情况等。
         （一）溶解氧分析仪的测量原理
        氧气在水中的溶解度取决于温度、压力和水中溶解的盐分。溶解氧分析仪的传感部分由金电极（阴极）、银电极（阳极）和lu化钾或氢氧化钾电解液组成。当在溶解氧分析仪的电极上施加0.6~0.8V的极化电压时，氧气通过膜扩散，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与氧分压成正比，温度恒定时电流与氧浓度呈线性关系。
         (2) 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）；饱和度百分比（%）；氧浓度（mg/L或10-6），三种方法本质上没有区别。
         (1) 分压表示法：氧分压表示法是基本的、*的表示法。根据亨利定律
        ，P=(Po2+PH2O)×0.209，其中P为总压力； Po2 为氧分压（mmHg）； PH2O是水蒸气的分压； 0.209 是空气中的氧含量。
         (2)百分比饱和度的表示：由于曝气发酵的复杂性，氧气分压无法计算。在这种情况下，饱和百分比的表示是合适的。例如，当校准时溶解氧设置为 100% 时，当零氧气是0%，反应过程中的溶解氧含量为校准时的百分比。
         (3) 氧气浓度的表示：根据亨利定律，氧气浓度与其分压成正比，即：C=Po2
         ×a，其中 C 为氧气浓度（mg/L）； Po2 为氧分压（mmHg）； a 为溶解系数（mg/mmHg·L）。
        溶解度系数a不仅与温度有关，还与溶液的组成有关。对于恒温的水溶液，a为常数，可以测出氧气的浓度。氧气浓度表示法在发酵工业中不常用，而是用污水处理和饮用水过程中的氧气浓度来表示。
         (3) 影响溶解氧测量的因素
        氧气的溶解度取决于温度、压力和水中溶解的盐。此外，氧气通过溶液的扩散速度比通过膜的速度快。如果流速太慢，就会发生干扰。
         1、温度的影响
        由于温度的变化，膜的扩散系数和氧气的溶解度都会发生变化，直接影响溶解氧电极的电流输出。热敏电阻常用于消除温度的影响。随着温度升高，扩散系数增加，溶解度降低。温度对溶解系数a的影响可以根据亨利定律估算，温度对膜扩散系数β的影响可以根据阿伦尼乌斯定律估算。
         (1)氧气的溶解度系数：由于溶解度系数a不仅受温度影响，还受溶液成分的影响
        .在相同的氧分压下，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，溶解系数a随温度的变化约为2%/℃。
         (2)膜的扩散系数：根据阿伦尼乌斯定律，溶解度系数β与温度T的关系为：
         C=KPo2 exp(-β/T)，其中 K 和 Po2 假定为常数，则可以计算出 25°C 时 β 为 2.3%/°C。
        计算出溶解系数a后，通过比较仪器示值和分析值即可计算出膜的扩散系数（计算过程在此省略）。 25℃时膜的扩散系数为1.5%/℃。
        2、大气压的影响
        根据亨利定律，气体的溶解度与其分压成正比。氧气的分压与该地区的海拔高度有关。高原地区与平原地区的差异可达20%。使用前必须根据当地大气压进行补偿。部分仪器配备气压计，校准时可自动校正；有些仪器没有配备气压计，校准时应根据当地气象站提供的数据进行设置。如果数据不正确，将导致较大的测量误差。
         3.溶液中的盐含量
        盐水中的溶解氧明显低于自来水。为了准确测量，必须考虑盐含量对溶解氧的影响。在恒温条件下，含盐量每增加100mg/L，溶解氧减少约1%。
        如果仪表在校准时使用的溶液含盐量较低，但实际测量的溶液含盐量较高，也会造成误差。在实际使用中，必须对测量介质的盐分含量进行分析，以便准确测量和正确补偿。
         4. 样品的流速
        氧气通过膜的扩散比通过样品的慢，需要保证电极膜与溶液*接触。对于流通式检测方法，溶液中的氧气会扩散到流通池中，使靠近膜的溶液中的氧气丢失，造成扩散干扰，影响测量。为了准确测量，应增加溶液流过膜的流速以补偿因扩散而损失的氧气，样品的小流速为0.3 m/s。
         (4) 需要注意的问题
        对于溶解氧分析仪来说，只要选型、设置和维护得当，一般都能满足工艺的测量要求。溶解氧分析仪使用不良的主要问题是：使用和维护不当；电极内部泄漏引起的异常温度补偿；降低电极的输入阻抗等。
         1、日常维护
        仪表的日常维护主要包括电极的定期清洗、校准和再生。
         (1)电极应每1~2周清洗一次。如果膜片上有污染，会导致测量误差。清洁时
        小心不要损坏隔膜。用清水冲洗电极。如果污垢无法洗掉，请用软布或棉布仔细擦洗。
         (2)2～3零点和跨度应每月重新校准一次。
         (3)电极的再生大约每年进行一次。当测量范围无法调整时，需要对溶解氧电极进行再生。电极再生包括更换内部电解液、更换隔膜、清洗银电极。如果观察到银电极被氧化，可用细砂纸打磨。
         (4)如果电极在使用过程中发生泄漏，必须更换电解液。
         2.仪器校准
        仪器的校准方法一般可用标准液校准或现场取样校准。
         (1)标准溶液校准方法：标准溶液校准一般采用两点校准，即零点校准和跨度校准
        .调零溶液可以使用 2% Na2SO3 溶液。量程校准溶液可根据仪器的量程选择4M KCl溶液（2mg/L）； 50% 甲醇溶液 (21.9mg/L)。
         (2)现场取样校准法(Winkler法)：在实际使用中，常采用Winkler法对溶解氧分析仪进行现场校准。使用这种方法有两种情况：采样时仪表读数为M1，分析分析值为A。当仪表校准时，仪表读数仍为M1。此时只需将抄表调整为等于A即可；采样时仪表读数为M1，化验分析值为A，仪表校准时仪表读数变为M2。此时，调整抄表不能等于A，而应调整抄表为A/M1×M2。
        三、使用中应注意的问题
        使用中应注意以下问题： 由于溶氧电极的信号阻抗较高（约20MΩ），因此溶氧电极与转换器的距离为50m；应处于工作状态，可连接溶解氧转换器。放置时间长或已再生（更换电解质或膜）的电极，使用前应在无氧环境中极化1~2小时；由于温度变化对电极膜的扩散和氧溶解度有很大影响，因此需要更仔细地校准。长时间（约10min），可平衡温度补偿电阻；氧气的分压与该地区的海拔高度有关，使用前必须根据当地的大气压给仪表充气。当测量溶液含盐量较高时，校准仪表时应使用含盐量相近的溶液；对于流通式测量方法，要求通过电极的最小流量为 0.3m/s。