¿Qué es un sensor de oxígeno disuelto? ¿Y cómo usarlo?

En el ecosistema, el oxígeno juega un papel vital en la supervivencia humana, y para la vida acuática, el oxígeno en la forma disuelta es necesario para su entorno. El oxígeno disuelto (DO) es significativo en las industrias; Se requiere DO en las plantas de tratamiento de aguas residuales durante el proceso de digestión aeróbica. Además, el nivel DO se monitorea continuamente en las centrales de energía de vapor para evitar la corrosión dentro del equipo. Por lo tanto, es crucial monitorear este parámetro vital; Para eso, los sensores de oxígeno disuelto son equipos ampliamente utilizados para la medición.

Los sensores de oxígeno disuelto (DO) tienen amplias aplicaciones industriales y uso; Por ejemplo, monitoreo ambiental, plantas de tratamiento de aguas residuales, industrias farmacéuticas y de procesos, acuicultura, uso de laboratorio y muchas más. A Hacer sensor mide el oxígeno en el agua; Hay dos medias: medición óptica, que utiliza luminiscencia, y el método electroquímico, que se basa en reacciones químicas en electrodos. Para usar de manera efectiva estos sensores, el manejo debe hacerse con cuidado; Se requieren más calibración y mantenimiento para funcionar según el procedimiento y las recomendaciones adecuadas.   

1. Comprensión del oxígeno disuelto (do)

1 .1. ¿Qué es el oxígeno disuelto?

El oxígeno disuelto es la cantidad de oxígeno disuelto en una unidad de agua. El oxígeno entra al agua de tres maneras diferentes:

• Fotosíntesis a través de plantas bajo el agua. Las plantas liberan naturalmente el oxígeno como subproducto y absorben dióxido de carbono a la luz del sol.
• Aero: la aireación es el proceso por el cual el contenido de oxígeno del agua aumenta a través del movimiento turbulento.
• Difusión: es el movimiento de partículas de una alta concentración a una baja concentración. En la atmósfera, el contenido de oxígeno es del 21%; Cuando la concentración de oxígeno en el agua es menor que este valor, el oxígeno de la atmósfera se difunde en la superficie del agua.

1 .2. Importancia del monitoreo de oxígeno disuelto

¡Emergencia! ¡Emergencia! Cuando los humanos se derrumban debido a la falta de saturación. Lo mismo ocurre con la vida acuática debido a niveles inapropiados de oxígeno disuelto. Se requiere un nivel suficiente de DO para el crecimiento y la sostenibilidad. DO BAJO significa aumentar la contaminación y el crecimiento de las algas, mientras que los niveles altos causan enfermedades de burbujas de gas en los peces que afectan la biodiversidad. Los procesos industriales como el tratamiento de aguas residuales no pueden permitirse pasar por alto este parámetro; DO permite el desarrollo de bacterias aeróbicas que ayudan a descomponer los desechos orgánicos. Además, las granjas de pescado se conservan para proporcionar un ambiente saludable para el crecimiento y la productividad. Por estas razones, el monitoreo DO es esencial usar un sensor de oxígeno disuelto.

1 .3. Unidades de medición para oxígeno disuelto

¿Por qué unidades? ¿Alguna vez lo has pensado? Imagine cómo los datos se comunicarán, compararán y analizarán sin él. Las unidades definidas proporcionan una forma estándar de calcular y decidir según estos resultados. Unidades como miligramos por litro (mg/l), piezas por millón (ppm) y porcentaje de saturación (% de saturación) se usan regularmente para medir el nivel de oxígeno disuelto en el agua. El número de miligramos de oxígeno en un litro de agua es Mg/L. 1 mg/L se conoce como un PPM a temperatura y presión estándar. Estas unidades midieron la cantidad absoluta de oxígeno, mientras que el % de saturación es relativo a la cantidad máxima de oxígeno en el agua a una temperatura y presión específicas.

La solubilidad del oxígeno en el agua trabaja en la ley de presión parcial de Henry, que establece que la cantidad de gas disuelto en un líquido es directamente proporcional a la presión parcial de ese gas por encima del líquido. Por ejemplo, si la presión parcial del oxígeno es baja en la atmósfera, entonces su solubilidad en el agua disminuye, disminuyendo el % de saturación. Do se mantiene y monitorea de acuerdo con su entorno; En lagos y ríos, varía de 4 a 10 mg/L, en zonas muertas es inferior a 2 mg/l, y en tanques de aireación en plantas de tratamiento de residuos está entre 1 y 3 mg/l         

2 . ¿Qué es un sensor de oxígeno disuelto?

2 .1. Definición y propósito de un sensor DO

Los sensores son equipos utilizados para fines de detección. Un sensor de oxígeno disuelto mide uno de los indicadores clave de la calidad del agua: la concentración de oxígeno en el agua. La función principal de un Sensor de oxígeno disuelto de agua es monitorear y detectar la cantidad precisa de oxígeno en el agua para verificar que el medio ambiente es seguro y los procesos funcionan correctamente.

En las plantas de tratamiento de aguas residuales, el monitoreo en tiempo real de DO se realiza utilizando sensores de IoT avanzados, que proporcionan información y datos registrados para el análisis y la toma de decisiones apropiadas. Los sensores DO modernos también se utilizan para el monitoreo ambiental para mantener ecosistemas sostenibles.

2 .2. Diferentes tipos de sensores de oxígeno disuelto

¿Cuáles son las opciones disponibles? Antes de hacer cualquier selección, es importante saber qué opciones están disponibles y si esta será la mejor opción según el entorno. Los sensores de oxígeno disuelto tienen dos tipos principales: sensores electroquímicos y ópticos.

Hay dos subtipos de sensores electroquímicos: galvánico y polarográfico. El principio de trabajo es el mismo: cuando el sensor se introduce en agua, se produce una reacción redox (oxidación de reducción) entre el oxígeno y el electrodo dentro de él, generando una corriente medible directamente proporcional a la concentración de oxígeno disuelto en la muestra. La diferencia significativa entre los dos sensores es que Galvanic no requiere ninguna corriente externa para iniciar la reacción, mientras que Polarográfica requiere una corriente externa. Por otro lado, un sensor óptico usa luz para detectar DO; La alta luminiscencia significa alta concentración. Si el brillo se apaga, significa una gran cantidad de oxígeno.

El sensor galvánico tiene una respuesta rápida y no requiere potencia externa, pero necesita un mantenimiento frecuente y puede dar resultados incorrectos a un flujo bajo. El sensor polarográfico es el más adecuado para el uso de laboratorio y tiene una alta precisión. El mantenimiento de la membrana y el calentamiento son algunos contras de este equipo. Los sensores ópticos son caros pero tienen una estabilidad de bajo mantenimiento y a largo plazo.

2 .3. Componentes clave de un sensor DO típico

Los componentes de un sensor de oxígeno disuelto dependen de su tipo: un sensor óptico o electroquímico. Sin embargo, la mayoría de los sensores tienen los siguientes componentes clave:

• Alojamiento:  Todo el equipo debe cubrirse con viviendas protegidas, generalmente de acero inoxidable, para evitar daños internos y duras condiciones ambientales.
• Elemento de detección:  Es la parte fundamental que interactúa con el oxígeno disuelto.
• Membrana:  Se usa para proteger contra la entrada de contaminantes y solo permite que el oxígeno lo pase a través de él. Estas membranas están presentes solo en sensores electroquímicos.
• Electrolito (para electroquímico):  Una solución que actúa como un medio conductor entre el ánodo y el cátodo.
• Ventana óptica:  Es una parte del sensor óptico que transmite y proporciona blindaje a la capa del sensor luminiscente.
• Sensor de temperatura: La solubilidad de oxígeno depende de la temperatura; Por lo tanto, se coloca un sensor de temperatura para detectar la temperatura del agua.

3 . Principio de trabajo del sensor de oxígeno disuelto (tipos electroquímicos)

3 .1. Cómo funcionan los sensores electroquímicos (descripción general general)

Se produjo una reacción redox cuando el agua con oxígeno disuelto entró en contacto con el sensor. En el ánodo, se produce una reacción de oxidación que libera electrones, y en el cátodo, la reducción (ganancia de electrones) tiene lugar para formar agua. Durante el flujo de electrones hacia el cátodo desde el ánodo, se produce una corriente eléctrica medible, directamente proporcional a la concentración de DO, que luego se procesa para mostrar lecturas en MG/L o PPM.

3 .2. Sensores de hacer polarográfico: un aspecto más cercano

Los sensores de oxígeno disuelto polarográfico proporcionan lecturas precisas y precisas; Por lo tanto, son ampliamente utilizados en laboratorios y aplicaciones industriales. Se aplica un voltaje constante de 0.6 ~ 0.8 voltios para comenzar la reacción redox.

La investigación está en curso para reemplazar metales nobles con nanomateriales en sonda de oxígeno disuelto como cátodos y anodes. Aún así, los metales de oro y platino son opciones insustituibles como cátodos, mientras que la plata se usa como ánodo. La membrana en el sensor permite selectivamente la difusión de moléculas de oxígeno en el cátodo sin contaminar la solución electrolítica. El oxígeno que ingresa al sensor genera una corriente eléctrica, lo que refleja la cantidad de oxígeno disuelto en el agua. Las siguientes son las reacciones que tienen lugar en el ánodo y el cátodo durante este proceso.:

En el ánodo, cuando se oxida la plata, libera un electrón. La reacción se da por      

Agotamiento→ AG + (E & MINUS;)

En el cátodo, el oxígeno se reduce electroquímicamente al agua, que está dado por

O2+ 4 (H+)+ 4 (E & menos;) → 2H2​O

3 .3. Sensores Galvanic Do: un enfoque autopotente

¿Produce su voltaje? ¿Cómo? El voltaje se genera a través de una reacción espontánea; Debido a los metales diferentes, un cátodo noble y un ánodo reactivo en una solución electrolítica, se crea una diferencia de potencial natural en los sensores de oxígeno disuelto galvánico. El flujo de electrones comenzó cuando el oxígeno pasó a través de la membrana del sensor y alcanzó el cátodo, donde se sometió a una reducción, mientras que el ánodo se oxidó. El ánodo está hecho de plomo (Pb) o zinc (Zn), que puede oxidado fácilmente, mientras que el cátodo, que tiene buena conductividad, está hecho de oro (Au) o plata (Ag). La característica autopotera es una ventaja que permite que estos sensores se usen de forma remota, y el diseño se simplifica en comparación con los sensores polarográficos.

3 .4. El papel del electrolito

En un sensor de oxígeno disuelto, la solución electrolítica es un medio entre el ánodo y el cátodo que facilita las reacciones redox. Asegura que la reacción sea continua y sostenida para dar una concentración precisa de oxígeno disuelto. Sin esta solución, el flujo de electrones se detendrá a medida que se bloquea el proceso de intercambio iónico.

4 . Principio de trabajo del sensor de oxígeno disuelto (tipo óptico)

4 .1. Cómo funcionan los sensores ópticos (descripción general general)

Cuando se hace referencia a la palabra enfriamiento, significa enfriarse, amortiguar, reducir o detenerse. En los sensores de oxígeno disuelto óptico, la fluorescencia se apaga cuando el oxígeno disuelto está presente en la muestra. Este sensor DO tiene un tinte fluorescente y una capa de detección; El tinte se excita por una longitud de onda de luz específica de una fuente de luz incorporada. Después de la excitación, el colorante emite luz a diferentes longitudes de onda, y en presencia de oxígeno disuelto, la intensidad de esta fluorescencia se reduce.

4 .2. El elemento de detección fluorescente

Cuando se introduce en una fuente de luz externa (azul o violeta), la luz es emitida por un elemento de detección fluorescente, que es el corazón del sensor de gas disuelto óptico. Este elemento consiste en tinte luminiscente, que, cuando se excita con la luz externa, ingresa al estado excitado y luego regresa al estado fundamental liberando la luz de una longitud de onda más larga (rojo o verde). El oxígeno, con una propiedad de enfriamiento, reduce la energía antes de la emisión de luz al interactuar con el tinte excitado. A medida que aumente la cantidad de oxígeno, el enfriamiento de fluorescencia aumentará, y la intensidad de la luz emitida será menor.

4 .3. El sistema de medición óptica

La fluorescencia se mide mediante un sistema de medición óptica que consiste en una fuente de luz, un tinte fluorescente y un fotodetector. Los cambios en el nivel de fluorescencia informan sobre los niveles de oxígeno disuelto. El diodo emisor de luz (LED) emite luz con una longitud de onda particular, en su mayoría azul o violeta, que se dirige hacia el tinte fluorescente. El tinte se emociona y emite fluorescencia, que detecta un fotodetector. Un fotodetector mide y analiza la luz emitida de dos maneras: midiendo la intensidad (alta intensidad significa baja cantidad de oxígeno disuelto) y la vida útil de la fluorescencia (midiendo el retraso entre la excitación y la emisión; retraso corto significa menos oxígeno). Según el sistema de medición óptica, el sensor de oxígeno disuelto tiene bajos costos de mantenimiento, ya que no hay electrolito o químico para el deterioro físico; Proporciona lecturas precisas y confiables, y el proceso es físico, por lo que no se consume oxígeno. Esto significa que es independiente del flujo y puede usarse en agua estancada.

5 . ¿Cómo medir el oxígeno disuelto usando un sensor?

5.1. Calibración del sensor DO

Los humanos monitorean la salud utilizando sus registros de salud y chequeos, al igual que los instrumentos tienen tarjetas de calibración que salvaguardan la precisión. La calibración es la alineación del sensor con el valor de referencia. La calibración asegura que el sensor de oxígeno disuelto proporcione valores realistas. Hay dos métodos estándar para la calibración de sensores DO.

• Calibración del aire: este método se utiliza para sensores electroquímicos y ópticos. El sensor entró en contacto con el aire saturado, que tiene una cantidad fija/máxima de oxígeno a una temperatura y presión específicas.
• Calibración de oxígeno cero: este método es lo opuesto a la calibración del aire, donde el sensor está expuesto a una solución (agua con sulfato de sodio) sin trazas de oxígeno disueltas. Por lo tanto, la calibración se realiza para cero oxígeno.

La calibración debe ser realizada por los expertos que siguen al fabricante’S Instrucciones proporcionadas en los manuales para evitar cualquier daño al sensor o inexactitud en los resultados.

5 .2. Despliegue e inmersión del sensor

Los sensores deben instalarse cuidadosamente en las industrias para obtener resultados precisos, y en los laboratorios, deben sumergirse adecuadamente en la muestra para realizar su función prevista. Evite los sensores que interactúan con burbujas de aire o escombros. Tome la muestra o coloque el sensor donde represente las condiciones reales. Para los sensores de oxígeno disuelto electroquímicos, el flujo de agua adecuado es esencial para que el consumo de oxígeno proporcione lecturas precisas.    

5 .3. Leer e interpretar el resultado

El paso final es leer, analizar e interpretar los datos sobre la calidad del agua proporcionada por el sensor de oxígeno disuelto. La salida obtenida se encuentra en miligramos por litro (mg/L), lo que muestra cuánto oxígeno se disuelve en un litro, o partes por millón (ppm), lo que muestra el nivel de oxígeno en comparación con su valor estándar a una temperatura y presión específicas. La lectura de DO se ve drásticamente afectada por la temperatura y la salinidad; Cuanto mayor sea la temperatura, menos oxígeno disuelto está presente, y mayor es la salinidad, menor es la solubilidad de oxígeno. Los sensores modernos con sensores de temperatura incorporados deben usarse para evitar este problema.

6 . Factores que afectan las mediciones de oxígeno disuelto

El sensor de oxígeno disuelto no está dando resultados precisos; Póngase en contacto con el proveedor para la calibración o el reemplazo. Espera, antes de tomar cualquier acción, primero debes verificar los siguientes factores:

• Temperatura:  Sí, la temperatura afecta los resultados. Debe verificarse si el sensor es compensado por la temperatura para dar resultados precisos.
• Salinidad:  Cuando se muestrean agua salb que se debe realizar la corrección durante la calibración o mientras analiza los datos para la salinidad. Reduce la solubilidad del oxígeno en el agua.
• Presión:  Las estimaciones del % de saturación de oxígeno disuelto pueden verse afectadas por aumentos y disminuciones en la presión.
• Ensuciamiento de la ventana de membrana/óptica:  Se requiere un mantenimiento oportuno para evitar ensuciar la membrana u ventana óptica, lo que puede causar fluctuaciones de lectura y deriva.
• Caudal (para electroquímico): Se obtienen resultados confiables cuando se produce un flujo de agua mínimo a través de la membrana, ya que se consume oxígeno durante la reacción redox en el sensor DO electroquímico.

7 . Ejemplo práctico con sensor de oxígeno disuelto RK500-04

El Rika RK500-04 utiliza el principio de fluorescencia para medir los niveles de oxígeno en el agua. El tipo de sensor le permite proporcionar alta precisión, bajo mantenimiento y rendimiento estable durante un largo período. El sensor en línea puede alcanzar el 90% de su lectura final en menos de 100 segundos (t90<100s).

Rika RK500-04 es un instrumento práctico con aplicaciones que abarcan acuicultura, procesamiento químico, monitoreo ambiental y biodegradación. Su compensación de temperatura con resistencia de alta presión de 0.3MPa lo hace adecuado para diferentes temperaturas y ambientes de alta presión. Además, la calificación IP68 la hace duradera e impermeable para entornos de trabajo desafiantes. Estas son algunas de las características clave del sensor que lo convierten en una opción ideal.:

Conclusión

¿Verificar la calidad del agua? Uno de sus parámetros clave es el oxígeno disuelto. El oxígeno disuelto se mide usando sensores, ya sea electroquímicos (polarográfico o galvánico) u óptico. Estos sensores son ampliamente utilizados en plantas de tratamiento de aguas residuales, industrias de acuicultura, monitoreo ambiental y laboratorios.

A diferencia de cualquier otro sensor, Sensores de oxígeno disuelto requiere calibración y mantenimiento oportunos (por instrucciones de proveedor) para realizar su función prevista durante un período prolongado. Comprender el sensor’El proceso de trabajo y los factores que afectan estos valores, como la temperatura, la velocidad de flujo, la salinidad y el ensuciamiento, son vitales para obtener información valiosa de los datos obtenidos.

En conclusión, la confiabilidad de un sensor depende de la persona que lo use. Con el conocimiento y la conciencia, el sensor DO puede ayudar a las industrias y las agencias ambientales a tomar decisiones para garantizar entornos y procesos sostenibles.  

Preguntas frecuentes (preguntas frecuentes)

• ¿Se puede usar un sensor de oxígeno disuelto en ambientes de agua dulce y de agua salada?

Sí, el sensor DO es factible para ambos entornos. Sin embargo, el factor de salinidad, especialmente para los entornos de agua salada, debe tenerse en cuenta, ya que afecta la solubilidad del oxígeno, lo que resulta en resultados incorrectos.

• ¿Cuál es la vida útil de un sensor de oxígeno disuelto?

Los sensores ópticos DO tienen una vida útil mayor de alrededor de 2 a 5 años que los sensores electroquímicos de DO, que duran de 1 a 2 años. La vida útil depende en gran medida del uso, el entorno en el que operan y el mantenimiento. En condiciones duras, el mantenimiento frecuente y la calibración regular pueden aumentar la vida útil del equipo.

• ¿Con qué frecuencia debo reemplazar la membrana de un sensor de oxígeno disuelto?

Las membranas son el componente en los sensores de oxígeno disuelto electroquímicos que necesitan un reemplazo frecuente. Dependiendo de las condiciones, necesitan reemplazo después de 3 a 6 meses, cuando observa el tiempo de respuesta lento, la deriva y la suciedad del miembro.

Consejo: Cuando se realiza la calibración, se recomienda que verifique la salud de la membrana; si  es Encontrado degradado, realice ambas tareas de una sola vez.

• ¿Se pueden usar sensores de oxígeno disuelto en aplicaciones de tratamiento de aguas residuales?

Estos sensores se usan ampliamente en las plantas de tratamiento de aguas residuales en el proceso de aireación. Para apoyar el crecimiento de bacterias aeróbicas, el oxígeno disuelto debe estar dentro de los límites; Por lo tanto, los sensores DO se colocan en tanques de tratamiento aeróbico para monitorear su nivel. Ambos tipos de sensores de oxígeno disuelto pueden usarse para aplicaciones de tratamiento de aguas residuales.