Pomiar tlenu jest podstawową metodą w technologii wody przemysłowej i ścieków do określania zawartości tlenu rozpuszczonego (DO) w mediach wodnych. Dostarcza kluczowych informacji na temat jakości wody, wydajności procesów biologicznych i kontroli systemów technicznych. Stężenie tlenu ma znaczący wpływ na procesy biologiczne, chemiczne i fizyczne, dlatego precyzyjny pomiar i monitorowanie są niezbędne w wielu zastosowaniach.
Spis treści
Znaczenie pomiaru tlenu
Uzdatnianie wody
- Monitorowanie czystej wody:
- Stężenie tlenu służy jako wskaźnik jakości wody w wodach naturalnych lub po uzdatnieniu wody pitnej.
- Kontrola korozji:
- Tlen sprzyja procesom korozji, szczególnie w rurociągach, wymiennikach ciepła i kotłach. Precyzyjne monitorowanie tlenu umożliwia zastosowanie ukierunkowanych środków, takich jak użycie środków wiążących tlen.
Oczyszczanie ścieków
- Biologiczne procesy czyszczenia:
- W biologicznych oczyszczalniach ścieków mikroorganizmy potrzebują tlenu do rozkładu substancji organicznych. Pomiar tlenu jest wykorzystywany do optymalizacji systemów napowietrzania.
- Unikanie beztlenowców:
- Niewystarczająca ilość tlenu może prowadzić do warunków beztlenowych, które wytwarzają niepożądane produkty przemiany materii, takie jak metan lub siarkowodór.
Zastosowania przemysłowe
- Obieg wody chłodzącej:
- Zbyt wysokie poziomy tlenu sprzyjają powstawaniu biofoulingu i korozji, podczas gdy zbyt niskie poziomy zwiększają ryzyko rozwoju mikroorganizmów beztlenowych.
- Kontrola procesu:
- Wiele procesów przemysłowych (np. fermentacja, przetwarzanie żywności) wymaga precyzyjnie określonych stężeń tlenu.
Podstawy rozpuszczonego tlenu
Definicja i rozpuszczalność
- Tlen rozpuszczony:
- Tlen, który jest fizycznie rozpuszczony w wodzie bez tworzenia wiązań chemicznych.
- Rozpuszczalność:
- W zależności od temperatury, ciśnienia i zawartości soli:
- Wyższe temperatury i zasolenie zmniejszają rozpuszczalność.
- Niższe temperatury i wyższe ciśnienie atmosferyczne zwiększają je.
- W zależności od temperatury, ciśnienia i zawartości soli:
Stężenie nasycenia
- Maksymalna ilość tlenu, jaką woda może wchłonąć w danych warunkach, znana jest jako stężenie nasycenia.
- Przykład: Przy temperaturze 20 °C i ciśnieniu atmosferycznym 1013 hPa stężenie nasycenia w wodzie słodkiej wynosi około 9 mg/l.
Czynniki wpływające
- Procesy biologiczne:
- Oddychanie mikroorganizmów i roślin obniża stężenie tlenu.
- Fotosynteza i dyfuzja z powietrza zwiększają ją.
- Procesy chemiczne:
- Reakcje utleniania zużywają tlen.
- Wpływy fizyczne:
- Turbulencje i wentylacja zwiększają pobór tlenu.
Zdjęcie: Zbiornik napowietrzający z naszego ALMA BHU BIO
Metody pomiaru tlenu rozpuszczonego
1. amperometryczny pomiar tlenu (elektroda Clarka)
- Zasada działania:
- Ogniwo elektrochemiczne mierzy zawartość tlenu poprzez redukcję tlenu na katodzie.
- Wynikowy prąd elektryczny jest proporcjonalny do stężenia tlenu.
- Struktura:
- Anoda (srebro lub platyna) i katoda (złoto lub platyna) są osadzone w roztworze elektrolitu.
- Membrana przepuszczająca tlen oddziela komórkę pomiarową od medium.
- Zastosowania:
- Zastosowanie w oczyszczalniach ścieków, wodzie procesowej i akwakulturze.
- Zalety:
- Wysoka precyzja, nawet przy niskich stężeniach tlenu.
- Wady:
- Wymagają konserwacji, ponieważ membrany i elektrolit muszą być regularnie wymieniane.
2. optyczny pomiar tlenu (metoda luminescencji)
- Zasada działania:
- Tlen wpływa na czas życia fluorescencji materiału czujnika, który jest wzbudzany przez światło.
- Zmiana fluorescencji jest wykorzystywana do określenia stężenia tlenu.
- Struktura:
- Czujniki optyczne wykorzystują specjalne folie wrażliwe na tlen, które współpracują z diodami LED i fotodetektorami.
- Zastosowania:
- Reaktory napowietrzane, kontrola procesu fermentacji, monitorowanie wody pitnej i ścieków.
- Zalety:
- Niskie koszty utrzymania, brak konieczności stosowania roztworu elektrolitu, szybki czas reakcji.
- Wady:
- Wyższe koszty pozyskania w porównaniu do metody amperometrycznej.
3. metoda Winklera (miareczkowanie)
- Zasada działania:
- Tlen reaguje z jonami manganu(II) i tworzy tlenek manganu(IV). Jest on redukowany przez jodek, przy czym ilość uwalnianego jodu jest proporcjonalna do stężenia tlenu.
- Zastosowanie:
- Metoda laboratoryjna, odpowiednia do kalibracji i pomiarów referencyjnych.
- Zalety:
- Bardzo precyzyjny, niezależny od wpływów elektrycznych.
- Wady:
- Czasochłonne, nieodpowiednie do pomiarów ciągłych.
Obszary zastosowania i praktyczne przykłady
Oczyszczalnie ścieków
- Cel pomiaru tlenu:
- Kontrola napowietrzania w zbiorniku osadu czynnego.
- Unikanie nadmiernej wentylacji w celu zmniejszenia kosztów energii.
- Zapewnienie wystarczającej ilości tlenu dla mikroorganizmów.
- Lokalizacje pomiarowe:
- Wlot, zbiornik napowietrzający, osadnik wtórny.
- Wartości docelowe:
- Typowe stężenie tlenu: 2-4 mg/l w zbiornikach napowietrzających.
Uzdatnianie wody pitnej
- Cel pomiaru tlenu:
- Kontrola tlenu w celu zapobiegania korozji.
- Zapewnienie stabilności chemicznej.
- Lokalizacje pomiarowe:
- Dopływ wody surowej, etapy utleniania, woda końcowa.
- Wartości docelowe:
- Często zbliżone do stężenia nasycenia (ok. 8-10 mg/l przy 20 °C).
Obieg wody chłodzącej
- Cel pomiaru tlenu:
- Unikanie korozji tlenowej.
- Kontrola zapobiegania porastaniu przy użyciu reduktorów tlenu lub biocydów.
- Lokalizacje pomiarowe:
- Wlot i wylot wymienników ciepła, powrót kondensatu.
- Wartości docelowe:
- Oft < 0,5 mg/L, insbesondere in geschlossenen Systemen.
Monitorowanie wody
- Cel pomiaru tlenu:
- Ocena jakości wody.
- Monitorowanie deficytu tlenu przy obciążeniu biologicznym.
- Wartości docelowe:
- Dobry stan ekologiczny wymaga co najmniej 5 mg/l tlenu w rzekach i jeziorach.
Zdjęcie: System napowietrzania zbiornika napowietrzającego (proces: ALMA BHU BIO)
Wyzwania i optymalizacje
Wpływ usterek
- Zakłócenia spowodowane osadami, biofilmami lub zabrudzeniami na czujnikach mogą fałszować wyniki pomiarów.
- Rozwiązanie:
- Regularne czyszczenie i kalibracja czujników.
- Zastosowanie czujników samoczyszczących lub zintegrowanych mechanizmów szczotkowych.
Wahania w procesie
- Dynamiczne obciążenia tlenem spowodowane zmieniającymi się obciążeniami wlotowymi lub wahaniami temperatury.
- Rozwiązanie:
- Zastosowanie systemów pomiarowych online z monitorowaniem w czasie rzeczywistym i automatyczną kontrolą wentylacji.
Zużycie energii
- Nieefektywne sterowanie systemami wentylacyjnymi może zwiększyć zapotrzebowanie na energię.
- Rozwiązanie:
- Optymalizacja wentylacji za pomocą dmuchaw sterowanych częstotliwością w połączeniu z czujnikami tlenu.
Wnioski
Pomiar tlenu jest niezbędnym instrumentem w technologii wody przemysłowej i ścieków. Umożliwia precyzyjne monitorowanie i kontrolę procesów biologicznych, chemicznych i fizycznych, które zależą od dostępności tlenu. Nowoczesne metody pomiarowe, takie jak metoda luminescencji optycznej, oferują wysoką dokładność i łatwość konserwacji, podczas gdy klasyczne metody, takie jak pomiar amperometryczny, nadal są przekonujące w wielu zastosowaniach. Niezawodny pomiar tlenu nie tylko przyczynia się do optymalizacji procesu, ale jest również decydującym czynnikiem dla zgodności z normami środowiskowymi i jakościowymi.
Aby uzyskać więcej informacji na temat naszych produktów, prosimy skontaktować się z nami w dowolnym momencie!
