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在線(xiàn)溶解氧(DO)分析儀的測(cè)量原理及維護(hù)
2014-12-23
在污水處理過(guò)程中通過(guò)增加污水中的氧含量使污染物通過(guò)活化泥漿被分解出來(lái)達(dá)到污水凈化的目的在線(xiàn)測(cè)量氧含量有助于確定最佳的凈化方法和最經(jīng)濟(jì)的曝氣池配置。在生物發(fā)酵過(guò)程中氧含量的測(cè)量數(shù)據(jù)可對(duì)工藝過(guò)程進(jìn)行指導(dǎo)如判斷發(fā)酵過(guò)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(zhǎng)量等，并根據(jù)發(fā)酵時(shí)的供氧和需氧變化來(lái)指導(dǎo)補(bǔ)料操作。
一 溶解氧分析儀測(cè)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(yáng)極)及氯化鉀或氫氧化鉀電解液組成氧通過(guò)膜擴(kuò)散進(jìn)入電解液與金電極和銀電極構(gòu)成測(cè)量回路。當(dāng)給溶解氧分析儀電極加上0.6～0.8V 的極化電壓時(shí)氧通過(guò)膜擴(kuò)散陰極釋放電子陽(yáng)極接受電子產(chǎn)生電流整個(gè)反應(yīng)過(guò)程為：
陽(yáng)極 Ag+Cl→AgCl+2e-
陰極 O2+2H2O+4e→4OH-
根據(jù)法拉第定律：流過(guò)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(xiàn)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(méi)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+P H2O )×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(fā)酵十分復(fù)雜氧分壓不能計(jì)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(biāo)定時(shí)溶解氧定為100％零氧時(shí)為0％則反應(yīng)過(guò)程中的溶解氧含量即為標(biāo)定時(shí)的百分?jǐn)?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(duì)于溫度恒定的水溶液a為常數(shù)則可測(cè)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(guò)程中都用氧濃度來(lái)表示。
三 影響溶解氧測(cè)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(guò)溶液擴(kuò)散比通過(guò)膜擴(kuò)散快如流速太慢會(huì)產(chǎn)生干擾。
1. 溫度的影響
由于溫度變化，測(cè)振儀膜的擴(kuò)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(lái)消除溫度的影響。溫度上升擴(kuò)散系數(shù)增加溶解度反而減小。溫度對(duì)溶解度系數(shù)a 的影響可以根據(jù)Henry 定律來(lái)估算溫度
對(duì)膜擴(kuò)散系數(shù)β可以通過(guò)阿侖尼烏斯定律來(lái)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(shí)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(duì)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(kuò)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(jì)算出β在25℃時(shí)為2.3%/℃。
當(dāng)溶解度系數(shù)a 計(jì)算出來(lái)后可通過(guò)儀表指示和化驗(yàn)分析值對(duì)比計(jì)算出膜的擴(kuò)散系數(shù)(這里略去計(jì)算過(guò)程)膜的擴(kuò)散系數(shù)在25℃時(shí)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(dá)20%使用前必須根據(jù)當(dāng)?shù)卮髿鈮哼M(jìn)行補(bǔ)償。有些儀表內(nèi)部配有氣壓表在標(biāo)定時(shí)可自動(dòng)進(jìn)行校正；有些儀表未配置氣壓表在標(biāo)定時(shí)要根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀笳咎峁┑臄?shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置如果數(shù)據(jù)有誤將導(dǎo)致較大的測(cè)量誤差。
3. 溶液中含鹽量
鹽水中的溶解氧明顯低于自來(lái)水中的溶解氧為了準(zhǔn)確測(cè)量必須考慮含鹽量對(duì)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(biāo)定時(shí)使用的溶液的含鹽量低而實(shí)際測(cè)量的溶液的含鹽量高也會(huì)導(dǎo)致誤差。在實(shí)際使用中必須對(duì)測(cè)量介質(zhì)的含鹽量進(jìn)行分析以便準(zhǔn)確測(cè)量及正確補(bǔ)償。
4. 樣品的流速
氧通過(guò)膜擴(kuò)散比通過(guò)樣品進(jìn)行擴(kuò)散要慢必須保證電極膜與溶液完全接觸。
對(duì)于流通式檢測(cè)方式溶液中的氧會(huì)向流通池內(nèi)擴(kuò)散使靠近膜的溶液中的氧損失產(chǎn)生擴(kuò)散干擾影響測(cè)量。為了測(cè)量準(zhǔn)確應(yīng)增加流過(guò)膜的溶液的流量來(lái)補(bǔ)償擴(kuò)散失去的氧樣品的最小流速為0.3m/s。
四 注意的問(wèn)題
對(duì)溶解氧分析儀來(lái)說(shuō)只要選型、設(shè)置、維護(hù)得當(dāng)一般均能滿(mǎn)足工藝的測(cè)量要求。溶解氧分析儀的使用不好的主要問(wèn)題出在：使用維護(hù)不正確；電極內(nèi)部泄露造成溫度補(bǔ)償不正常；電極輸入阻抗降低等。
1. 日常維護(hù)
儀表的日常維護(hù)主要包括定期對(duì)電極進(jìn)行清洗、校驗(yàn)、再生。
(1)1～2 周應(yīng)清洗一次電極如果膜片上有污染物會(huì)引起測(cè)量誤差。清洗時(shí)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(yàn)一次零點(diǎn)和量程。
(3)電極的再生大約1 年左右進(jìn)行一次。當(dāng)測(cè)量范圍調(diào)整不過(guò)來(lái)就需要對(duì)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(guān)察銀電極有氧化現(xiàn)象可用細(xì)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(biāo)定
儀表的標(biāo)定方法一般可采用標(biāo)準(zhǔn)液標(biāo)定或現(xiàn)場(chǎng)取樣標(biāo)定。
(1)標(biāo)準(zhǔn)溶液標(biāo)定法：標(biāo)準(zhǔn)溶液標(biāo)定一般采用兩點(diǎn)標(biāo)定即零點(diǎn)標(biāo)定和量程標(biāo)定。零點(diǎn)標(biāo)定溶液可采用2%的Na2SO3 溶液。量程標(biāo)定溶液可根據(jù)儀表測(cè)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(chǎng)取樣標(biāo)定法(Winkler 法)：在實(shí)際使用中多采用Winkler 方法對(duì)溶解氧分析儀進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定。使用該方法時(shí)存在兩種情況：取樣時(shí)儀表讀數(shù)為M1，化驗(yàn)分析值為A對(duì)儀表進(jìn)行標(biāo)定時(shí)儀表讀數(shù)仍為M1這時(shí)只須調(diào)整儀表讀數(shù)等于A(yíng) 即可；取樣時(shí)儀表讀數(shù)為M1化驗(yàn)分析值為A對(duì)儀表進(jìn)行標(biāo)定時(shí)儀表讀數(shù)改變?yōu)镸2這時(shí)就不能將調(diào)整儀表讀數(shù)等于A(yíng)而應(yīng)將儀表讀數(shù)調(diào)整為1 MA ×M2。
3. 使用中應(yīng)注意的問(wèn)題
使用中應(yīng)注意以下問(wèn)題：由于溶解氧電極信號(hào)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(shí)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(wú)氧環(huán)境極化1～2h；由于溫度變化對(duì)電極膜的擴(kuò)散和氧溶解度有較大影響標(biāo)定時(shí)需較長(zhǎng)時(shí)間(約10min)以使溫補(bǔ)電阻達(dá)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(dāng)?shù)卮髿鈮哼M(jìn)行補(bǔ)償；測(cè)量溶液的含鹽量高時(shí)儀表標(biāo)定時(shí)應(yīng)使用含鹽量相當(dāng)?shù)娜芤海粚?duì)于流通式測(cè)量方式要求流過(guò)電極的最小流速為0.3m/s。
一 溶解氧分析儀測(cè)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(yáng)極)及氯化鉀或氫氧化鉀電解液組成氧通過(guò)膜擴(kuò)散進(jìn)入電解液與金電極和銀電極構(gòu)成測(cè)量回路。當(dāng)給溶解氧分析儀電極加上0.6～0.8V 的極化電壓時(shí)氧通過(guò)膜擴(kuò)散陰極釋放電子陽(yáng)極接受電子產(chǎn)生電流整個(gè)反應(yīng)過(guò)程為：
陽(yáng)極 Ag+Cl→AgCl+2e-
陰極 O2+2H2O+4e→4OH-
根據(jù)法拉第定律：流過(guò)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(xiàn)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(méi)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+P H2O )×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(fā)酵十分復(fù)雜氧分壓不能計(jì)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(biāo)定時(shí)溶解氧定為100％零氧時(shí)為0％則反應(yīng)過(guò)程中的溶解氧含量即為標(biāo)定時(shí)的百分?jǐn)?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(duì)于溫度恒定的水溶液a為常數(shù)則可測(cè)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(guò)程中都用氧濃度來(lái)表示。
三 影響溶解氧測(cè)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(guò)溶液擴(kuò)散比通過(guò)膜擴(kuò)散快如流速太慢會(huì)產(chǎn)生干擾。
1. 溫度的影響
由于溫度變化，測(cè)振儀膜的擴(kuò)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(lái)消除溫度的影響。溫度上升擴(kuò)散系數(shù)增加溶解度反而減小。溫度對(duì)溶解度系數(shù)a 的影響可以根據(jù)Henry 定律來(lái)估算溫度
對(duì)膜擴(kuò)散系數(shù)β可以通過(guò)阿侖尼烏斯定律來(lái)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(shí)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(duì)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(kuò)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(jì)算出β在25℃時(shí)為2.3%/℃。
當(dāng)溶解度系數(shù)a 計(jì)算出來(lái)后可通過(guò)儀表指示和化驗(yàn)分析值對(duì)比計(jì)算出膜的擴(kuò)散系數(shù)(這里略去計(jì)算過(guò)程)膜的擴(kuò)散系數(shù)在25℃時(shí)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(dá)20%使用前必須根據(jù)當(dāng)?shù)卮髿鈮哼M(jìn)行補(bǔ)償。有些儀表內(nèi)部配有氣壓表在標(biāo)定時(shí)可自動(dòng)進(jìn)行校正；有些儀表未配置氣壓表在標(biāo)定時(shí)要根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀笳咎峁┑臄?shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置如果數(shù)據(jù)有誤將導(dǎo)致較大的測(cè)量誤差。
3. 溶液中含鹽量
鹽水中的溶解氧明顯低于自來(lái)水中的溶解氧為了準(zhǔn)確測(cè)量必須考慮含鹽量對(duì)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(biāo)定時(shí)使用的溶液的含鹽量低而實(shí)際測(cè)量的溶液的含鹽量高也會(huì)導(dǎo)致誤差。在實(shí)際使用中必須對(duì)測(cè)量介質(zhì)的含鹽量進(jìn)行分析以便準(zhǔn)確測(cè)量及正確補(bǔ)償。
4. 樣品的流速
氧通過(guò)膜擴(kuò)散比通過(guò)樣品進(jìn)行擴(kuò)散要慢必須保證電極膜與溶液完全接觸。
對(duì)于流通式檢測(cè)方式溶液中的氧會(huì)向流通池內(nèi)擴(kuò)散使靠近膜的溶液中的氧損失產(chǎn)生擴(kuò)散干擾影響測(cè)量。為了測(cè)量準(zhǔn)確應(yīng)增加流過(guò)膜的溶液的流量來(lái)補(bǔ)償擴(kuò)散失去的氧樣品的最小流速為0.3m/s。
四 注意的問(wèn)題
對(duì)溶解氧分析儀來(lái)說(shuō)只要選型、設(shè)置、維護(hù)得當(dāng)一般均能滿(mǎn)足工藝的測(cè)量要求。溶解氧分析儀的使用不好的主要問(wèn)題出在：使用維護(hù)不正確；電極內(nèi)部泄露造成溫度補(bǔ)償不正常；電極輸入阻抗降低等。
1. 日常維護(hù)
儀表的日常維護(hù)主要包括定期對(duì)電極進(jìn)行清洗、校驗(yàn)、再生。
(1)1～2 周應(yīng)清洗一次電極如果膜片上有污染物會(huì)引起測(cè)量誤差。清洗時(shí)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(yàn)一次零點(diǎn)和量程。
(3)電極的再生大約1 年左右進(jìn)行一次。當(dāng)測(cè)量范圍調(diào)整不過(guò)來(lái)就需要對(duì)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(guān)察銀電極有氧化現(xiàn)象可用細(xì)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(biāo)定
儀表的標(biāo)定方法一般可采用標(biāo)準(zhǔn)液標(biāo)定或現(xiàn)場(chǎng)取樣標(biāo)定。
(1)標(biāo)準(zhǔn)溶液標(biāo)定法：標(biāo)準(zhǔn)溶液標(biāo)定一般采用兩點(diǎn)標(biāo)定即零點(diǎn)標(biāo)定和量程標(biāo)定。零點(diǎn)標(biāo)定溶液可采用2%的Na2SO3 溶液。量程標(biāo)定溶液可根據(jù)儀表測(cè)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(chǎng)取樣標(biāo)定法(Winkler 法)：在實(shí)際使用中多采用Winkler 方法對(duì)溶解氧分析儀進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定。使用該方法時(shí)存在兩種情況：取樣時(shí)儀表讀數(shù)為M1，化驗(yàn)分析值為A對(duì)儀表進(jìn)行標(biāo)定時(shí)儀表讀數(shù)仍為M1這時(shí)只須調(diào)整儀表讀數(shù)等于A(yíng) 即可；取樣時(shí)儀表讀數(shù)為M1化驗(yàn)分析值為A對(duì)儀表進(jìn)行標(biāo)定時(shí)儀表讀數(shù)改變?yōu)镸2這時(shí)就不能將調(diào)整儀表讀數(shù)等于A(yíng)而應(yīng)將儀表讀數(shù)調(diào)整為1 MA ×M2。
3. 使用中應(yīng)注意的問(wèn)題
使用中應(yīng)注意以下問(wèn)題：由于溶解氧電極信號(hào)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(shí)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(wú)氧環(huán)境極化1～2h；由于溫度變化對(duì)電極膜的擴(kuò)散和氧溶解度有較大影響標(biāo)定時(shí)需較長(zhǎng)時(shí)間(約10min)以使溫補(bǔ)電阻達(dá)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(dāng)?shù)卮髿鈮哼M(jìn)行補(bǔ)償；測(cè)量溶液的含鹽量高時(shí)儀表標(biāo)定時(shí)應(yīng)使用含鹽量相當(dāng)?shù)娜芤海粚?duì)于流通式測(cè)量方式要求流過(guò)電極的最小流速為0.3m/s。
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