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在線溶解氧分析儀的測量原理及維護

[2011/8/18]

　　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(jīng)濟的曝氣池配置。在生物發(fā)酵過程中氧含量的測量數(shù)據(jù)可對工藝過程進行指導，如判斷發(fā)酵過程的臨界氧濃度、發(fā)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(jù)發(fā)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(gòu)成測量回路。當給溶解氧分析儀電極加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(chǎn)生電流，整個反應(yīng)過程為：陽極Ag Cl→AgCl 2e-陰極O2 2H2O 4e→4OH-根據(jù)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(guān)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(zhì)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(zhì)的表示法。根據(jù)Henry定律可得，P=(Po2 PH2O)×0.209，其中，P為總壓;Po2為氧分壓(mmHg);PH2O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(fā)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(yīng)過程中的溶解氧含量即為標定時的百分數(shù)。

　　(3)氧濃度表示法：根據(jù)Henry定律可知氧濃度與其分壓成正比，即：C=Po2×a，其中C為氧濃度(mg/L);Po2為氧分壓(mmHg);a為溶解度系數(shù)(mg/mmHg·L)。

　　溶解度系數(shù)a不僅與溫度有關(guān)，還與溶液的成分有關(guān)。對于溫度恒定的水溶液，a為常數(shù)，則可測量氧的濃度。氧濃度表示法在發(fā)酵工業(yè)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(chǎn)生干擾。

　　1.溫度的影響

　　由于溫度變化，膜的擴散系數(shù)和氧的溶解度都將發(fā)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(shù)增加，溶解度反而減小。溫度對溶解度系數(shù)a的影響可以根據(jù)Henry定律來估算，溫度對膜擴散系數(shù)β可以通過阿侖尼烏斯定律來估算。

　　(1)氧的溶解度系數(shù)：由于溶解度系數(shù)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(jù)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(shù)a的變化約為2%/℃。

　　(2)膜的擴散系數(shù)：根據(jù)阿侖尼烏斯定律，溶解度系數(shù)β與溫度T的關(guān)系為：C=KPo2·exp(-β/T)，其中假定K、Po2為常數(shù)，則可以計算出β在25℃時為2.3%/℃。當溶解度系數(shù)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(shù)(這里略去計算過程)，膜的擴散系數(shù)在25℃時為1.5%/℃。

　　2.大氣壓的影響

　　根據(jù)Henry定律，氣體的溶解度與其分壓成正比。氧分壓與該地區(qū)的海拔高度有關(guān)，高原地區(qū)和平原地區(qū)的差可達20%，使用前必須根據(jù)當?shù)卮髿鈮哼M行補償。有些儀表內(nèi)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(jù)當?shù)貧庀笳咎峁┑臄?shù)據(jù)進行設(shè)置，如果數(shù)據(jù)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(zhì)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(nèi)擴散，使靠近膜的溶液中的氧損失，產(chǎn)生擴散干擾，影響測量。為了測量準確，應(yīng)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(shè)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(nèi)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(diào)整不過來，就需要對溶解氧電極再生。電極再生包括更換內(nèi)部電解液、更換膜片、清洗銀電極。如果觀察銀電極有氧化現(xiàn)象，可用細砂紙拋光。

　　(4)在使用中如發(fā)現(xiàn)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(xiàn)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(jù)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(xiàn)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(xiàn)場標定。使用該方法時存在兩種情況：取樣時儀表讀數(shù)為M1，化驗分析值為A，對儀表進行標定時儀表讀數(shù)仍為M1，這時只須調(diào)整儀表讀數(shù)等于A即可;取樣時儀表讀數(shù)為M1，化驗分析值為A，對儀表進行標定時儀表讀數(shù)改變?yōu)镸2，這時就不能將調(diào)整儀表讀數(shù)等于A，而應(yīng)將儀表讀數(shù)調(diào)整為A/M1×M2。

　　3.使用中應(yīng)注意的問題

　　使用中應(yīng)注意以下問題：由于溶解氧電極信號阻抗較高(約20MΩ)，溶解氧電極與轉(zhuǎn)換器之間距離最大為50m;溶解氧電極不用時也應(yīng)處于工作狀態(tài)，可接在溶解氧轉(zhuǎn)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(yīng)置于

　　無氧環(huán)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(qū)的海拔高度有關(guān)，儀表在使用前必須根據(jù)當?shù)卮髿鈮哼M行補償;測量溶液的含鹽量高時，儀表標定時應(yīng)使用含鹽量相當?shù)娜芤?對于流通式測量方式，要求流過電極的最小流速為0.3m/s。