Apa itu Sensor Oksigen Terlarut? Dan Bagaimana Cara Menggunakannya?

Dalam ekosistem, oksigen memainkan peran vital dalam kelangsungan hidup manusia, dan bagi kehidupan akuatik, oksigen dalam bentuk terlarut sangat diperlukan untuk lingkungan mereka. Oksigen terlarut (DO) sangat penting dalam industri; DO dibutuhkan di instalasi pengolahan air limbah selama proses pencernaan aerobik. Selain itu, kadar DO terus dipantau di pembangkit listrik tenaga uap untuk menghindari korosi di dalam peralatan. Oleh karena itu, sangat penting untuk memantau parameter vital ini; untuk itu, sensor oksigen terlarut banyak digunakan sebagai peralatan pengukuran.

Sensor oksigen terlarut (DO) memiliki aplikasi dan penggunaan industri yang luas; misalnya, pemantauan lingkungan, instalasi pengolahan air limbah, industri farmasi dan proses, akuakultur, penggunaan laboratorium, dan masih banyak lagi. Sensor DO mengukur oksigen dalam air; ada dua cara: pengukuran optik, yang menggunakan luminesensi, dan metode elektrokimia, yang bergantung pada reaksi kimia pada elektroda. Untuk menggunakan sensor ini secara efektif, penanganannya harus dilakukan dengan hati-hati; kalibrasi dan perawatan lebih lanjut diperlukan untuk dilakukan sesuai dengan prosedur dan rekomendasi yang tepat.

1. Memahami Oksigen Terlarut (DO)

1.1 . Apa itu Oksigen Terlarut?

Oksigen terlarut adalah jumlah oksigen yang terlarut dalam satu unit air. Oksigen masuk ke dalam air melalui tiga cara berbeda:

• Fotosintesis melalui tumbuhan di bawah air. Tumbuhan secara alami melepaskan oksigen sebagai produk sampingan dan menyerap karbon dioksida dari sinar matahari.
• Aerasi: Aerasi adalah proses di mana kandungan oksigen dalam air meningkat melalui gerakan turbulen.
• Difusi: Ini adalah pergerakan partikel dari konsentrasi tinggi ke konsentrasi rendah. Di atmosfer, kandungan oksigen adalah 21%; ketika konsentrasi oksigen dalam air lebih rendah dari nilai ini, oksigen dari atmosfer berdifusi ke permukaan air.

1.2 . Pentingnya Memantau Oksigen Terlarut

Darurat! Darurat! Ketika manusia pingsan karena kekurangan oksigen. Hal yang sama berlaku untuk kehidupan akuatik karena kadar oksigen terlarut yang tidak sesuai. Kadar oksigen terlarut yang cukup diperlukan untuk pertumbuhan dan keberlanjutan. Kadar oksigen terlarut yang rendah berarti peningkatan polusi dan pertumbuhan alga, sementara kadar tinggi menyebabkan penyakit gelembung gas pada ikan yang memengaruhi keanekaragaman hayati. Proses industri seperti pengolahan air limbah tidak boleh mengabaikan parameter ini; oksigen terlarut memungkinkan perkembangan bakteri aerobik yang membantu menguraikan limbah organik. Selain itu, budidaya ikan menjaga kadar oksigen terlarut untuk menyediakan lingkungan yang sehat bagi pertumbuhan dan produktivitas. Karena alasan ini, pemantauan oksigen terlarut sangat penting menggunakan sensor oksigen terlarut.

1.3 . Satuan Pengukuran untuk Oksigen Terlarut

Mengapa Satuan? Pernahkah Anda memikirkannya? Bayangkan bagaimana data akan dikomunikasikan, dibandingkan, dan dianalisis tanpa satuan. Satuan yang terdefinisi memberikan cara standar untuk menghitung dan mengambil keputusan berdasarkan hasil tersebut. Satuan seperti miligram per liter (mg/L), bagian per juta (ppm), dan persentase saturasi (% saturasi) secara teratur digunakan untuk mengukur kadar oksigen terlarut dalam air. Jumlah miligram oksigen dalam satu liter air adalah mg/L. 1 mg/L disebut sebagai satu ppm pada suhu dan tekanan standar. Satuan-satuan ini mengukur jumlah oksigen absolut, sedangkan % saturasi relatif terhadap jumlah oksigen maksimum dalam air pada suhu dan tekanan tertentu.

Kelarutan oksigen dalam air bekerja berdasarkan hukum tekanan parsial Henry, yang menyatakan bahwa jumlah gas yang terlarut dalam cairan berbanding lurus dengan tekanan parsial gas tersebut di atas cairan. Misalnya, jika tekanan parsial oksigen rendah di atmosfer, maka kelarutannya dalam air menurun, sehingga persentase saturasi juga menurun. DO (oksigen terlarut) dipertahankan dan dipantau sesuai dengan lingkungannya; di danau dan sungai, berkisar antara 4 hingga 10 mg/L, di zona mati kurang dari 2 mg/L, dan di tangki aerasi di instalasi pengolahan limbah antara 1 dan 3 mg/L.

2. Apa itu Sensor Oksigen Terlarut?

2.1 . Definisi dan Tujuan Sensor DO

Sensor adalah peralatan yang digunakan untuk tujuan deteksi. Sensor oksigen terlarut mengukur salah satu indikator utama kualitas air: konsentrasi oksigen dalam air. Fungsi utama sensor oksigen terlarut dalam air adalah untuk memantau dan mendeteksi jumlah oksigen yang akurat dalam air untuk memverifikasi bahwa lingkungan aman dan proses berjalan dengan benar.

Di instalasi pengolahan air limbah, pemantauan DO secara real-time dilakukan menggunakan sensor IoT canggih, yang memberikan informasi dan merekam data untuk analisis dan pengambilan keputusan yang tepat. Sensor DO modern juga digunakan untuk pemantauan lingkungan guna menjaga ekosistem yang berkelanjutan.

2.2 . Berbagai Jenis Sensor Oksigen Terlarut

Apa saja pilihan yang tersedia? Sebelum membuat pilihan apa pun, penting untuk mengetahui pilihan apa saja yang tersedia dan apakah ini akan menjadi pilihan terbaik sesuai dengan lingkungan. Sensor oksigen terlarut memiliki dua jenis utama: sensor elektrokimia dan sensor optik.

Terdapat dua subtipe sensor elektrokimia: galvanik dan polarografik. Prinsip kerjanya sama: ketika sensor dimasukkan ke dalam air, reaksi redoks (reduksi-oksidasi) terjadi antara oksigen dan elektroda di dalamnya, menghasilkan arus terukur yang berbanding lurus dengan konsentrasi oksigen terlarut dalam sampel. Perbedaan signifikan antara kedua sensor tersebut adalah bahwa sensor galvanik tidak memerlukan arus eksternal untuk memulai reaksi, sedangkan sensor polarografik memerlukan arus eksternal. Di sisi lain, sensor optik menggunakan cahaya untuk mendeteksi DO; luminesensi tinggi berarti konsentrasi tinggi. Jika cahaya padam, itu berarti jumlah oksigen tinggi.

Sensor galvanik memiliki respons cepat dan tidak memerlukan daya eksternal, tetapi membutuhkan perawatan yang sering dan dapat memberikan hasil yang tidak akurat pada aliran rendah. Sensor polarografik paling cocok untuk penggunaan laboratorium dan memiliki akurasi tinggi. Perawatan membran dan pemanasan awal merupakan beberapa kekurangan dari peralatan ini. Sensor optik mahal tetapi memiliki perawatan rendah dan stabilitas jangka panjang.

2.3 . Komponen Utama Sensor DO Khas

Komponen-komponen sensor oksigen terlarut bergantung pada jenisnya: sensor optik atau elektrokimia. Namun, sebagian besar sensor memiliki komponen-komponen utama berikut:

• Pelindung: Seluruh peralatan perlu ditutupi dengan pelindung, biasanya dari baja tahan karat, untuk menghindari kerusakan internal dan kondisi lingkungan yang keras.
• Elemen Penginderaan: Ini adalah bagian fundamental yang berinteraksi dengan oksigen terlarut.
• Membran: Digunakan untuk melindungi dari masuknya kontaminan dan hanya memungkinkan oksigen melewatinya. Membran ini hanya terdapat pada sensor elektrokimia.
• Elektrolit (untuk elektrokimia): Suatu larutan yang bertindak sebagai media penghantar antara anoda dan katoda.
• Jendela Optik: Merupakan bagian dari sensor optik yang mentransmisikan dan memberikan perlindungan pada lapisan sensor luminescent.
• Sensor Suhu: Kelarutan oksigen bergantung pada suhu; oleh karena itu, sensor suhu ditempatkan untuk mendeteksi suhu air.

3. Prinsip Kerja Sensor Oksigen Terlarut (Tipe Elektrokimia)

3.1 . Cara Kerja Sensor DO Elektrokimia (Gambaran Umum)

Reaksi redoks terjadi ketika air yang mengandung oksigen terlarut bersentuhan dengan sensor. Di anoda, terjadi reaksi oksidasi yang melepaskan elektron, dan di katoda, terjadi reduksi (penambahan elektron) untuk membentuk air. Selama aliran elektron menuju katoda dari anoda, dihasilkan arus listrik yang terukur, yang berbanding lurus dengan konsentrasi DO, yang kemudian diproses untuk menampilkan pembacaan dalam mg/L atau ppm.

3.2 . Sensor Polarografi DO: Tinjauan Lebih Mendalam

Sensor oksigen terlarut polarografik memberikan pembacaan yang tepat dan akurat; oleh karena itu, sensor ini banyak digunakan di laboratorium dan aplikasi industri. Tegangan konstan sebesar 0,6~0,8 volt diterapkan untuk memulai reaksi redoks.

Penelitian sedang berlangsung untuk menggantikan logam mulia dengan nanomaterial dalam probe oksigen terlarut sebagai katoda dan anoda. Namun, logam emas dan platinum tetap menjadi pilihan yang tak tergantikan sebagai katoda, sedangkan perak digunakan sebagai anoda. Membran dalam sensor secara selektif memungkinkan difusi molekul oksigen di katoda tanpa mencemari larutan elektrolit. Oksigen yang masuk ke sensor menghasilkan arus listrik, yang mencerminkan jumlah oksigen terlarut dalam air. Berikut adalah reaksi yang terjadi di anoda dan katoda selama proses ini:

Di anoda, ketika perak teroksidasi, ia melepaskan elektron. Reaksi tersebut diberikan oleh

Ag→ Ag + (e−)

Di katoda, oksigen direduksi secara elektrokimia menjadi air, yang diberikan oleh

O2 + 4 (H+) + 4(e−) → 2H2O

3.3 . Sensor DO Galvanik: Pendekatan Mandiri

Apakah sensor ini menghasilkan tegangannya sendiri? Bagaimana caranya? Tegangan dihasilkan melalui reaksi spontan; karena logam yang berbeda, katoda mulia dan anoda reaktif dalam larutan elektrolit, perbedaan potensial alami tercipta pada sensor oksigen terlarut galvanik. Aliran elektron dimulai ketika oksigen melewati membran sensor dan mencapai katoda, di mana oksigen mengalami reduksi, sementara anoda mengalami oksidasi. Anoda terbuat dari timbal (Pb) atau seng (Zn), yang mudah teroksidasi, sedangkan katoda, yang memiliki konduktivitas yang baik, terbuat dari emas (Au) atau perak (Ag). Fitur mandiri daya merupakan keunggulan yang memungkinkan sensor ini digunakan dari jarak jauh, dan desainnya lebih sederhana dibandingkan dengan sensor polarografik.

3.4 . Peran Elektrolit

Dalam sensor oksigen terlarut, larutan elektrolit adalah medium antara anoda dan katoda yang memfasilitasi reaksi redoks. Larutan ini memastikan reaksi berlangsung terus-menerus dan berkelanjutan untuk memberikan konsentrasi oksigen terlarut yang akurat. Tanpa larutan ini, aliran elektron akan terhenti karena proses pertukaran ion terhambat.

4. Prinsip Kerja Sensor Oksigen Terlarut (Tipe Optik)

4.1 . Cara Kerja Sensor DO Optik (Gambaran Umum)

Ketika kata "quench" disebutkan, artinya adalah mendinginkan, meredam, mengurangi, atau menghentikan. Pada sensor oksigen terlarut optik, fluoresensi dipadamkan ketika oksigen terlarut hadir dalam sampel. Sensor DO ini memiliki pewarna fluoresen dan lapisan penginderaan; pewarna tersebut tereksitasi oleh panjang gelombang cahaya tertentu dari sumber cahaya internal. Setelah eksitasi, pewarna memancarkan cahaya pada panjang gelombang yang berbeda, dan dengan adanya oksigen terlarut, intensitas fluoresensi ini berkurang.

4.2 . Elemen Sensor Fluoresensi

Ketika disinari sumber cahaya eksternal (biru atau ungu), cahaya dipancarkan oleh elemen penginderaan fluoresen, yang merupakan inti dari sensor gas terlarut optik. Elemen ini terdiri dari pewarna luminesen, yang, ketika dieksitasi dengan cahaya eksternal, memasuki keadaan tereksitasi dan kemudian kembali ke keadaan dasar dengan melepaskan cahaya dengan panjang gelombang yang lebih panjang (merah atau hijau). Oksigen, yang memiliki sifat pemadaman (quenching), mengurangi energi sebelum emisi cahaya ketika berinteraksi dengan pewarna yang tereksitasi. Seiring bertambahnya jumlah oksigen, pemadaman fluoresensi akan meningkat, dan intensitas cahaya yang dipancarkan akan lebih rendah.

4.3 . Sistem Pengukuran Optik

Fluoresensi diukur oleh sistem pengukuran optik yang terdiri dari sumber cahaya, pewarna fluoresen, dan fotodetektor. Perubahan tingkat fluoresensi menunjukkan tingkat oksigen terlarut. Dioda pemancar cahaya (LED) memancarkan cahaya dengan panjang gelombang tertentu, sebagian besar biru atau ungu, yang diarahkan ke pewarna fluoresen. Pewarna tersebut tereksitasi dan memancarkan fluoresensi, yang dideteksi oleh fotodetektor. Fotodetektor mengukur dan menganalisis cahaya yang dipancarkan dengan dua cara: dengan mengukur intensitas (intensitas tinggi berarti jumlah oksigen terlarut rendah) dan waktu paruh fluoresensi (mengukur penundaan antara eksitasi dan emisi; penundaan singkat berarti lebih sedikit oksigen). Berdasarkan sistem pengukuran optik, sensor oksigen terlarut memiliki biaya perawatan yang rendah, karena tidak ada elektrolit atau bahan kimia yang menyebabkan kerusakan fisik; sensor ini memberikan pembacaan yang akurat dan andal, dan prosesnya bersifat fisik, sehingga tidak ada oksigen yang dikonsumsi. Ini berarti sensor ini tidak bergantung pada aliran dan dapat digunakan di air yang stagnan.

5. Bagaimana Cara Mengukur Oksigen Terlarut Menggunakan Sensor?

5.1. Kalibrasi Sensor DO

Manusia memantau kesehatan mereka menggunakan catatan kesehatan dan pemeriksaan rutin, sama seperti instrumen yang memiliki kartu kalibrasi yang menjaga keakuratan. Kalibrasi adalah penyelarasan sensor dengan nilai referensi. Kalibrasi memastikan bahwa sensor oksigen terlarut memberikan nilai yang realistis. Ada dua metode standar untuk kalibrasi sensor DO.

• Kalibrasi Udara: Metode ini digunakan untuk sensor elektrokimia dan optik. Sensor tersebut bersentuhan dengan udara jenuh, yang memiliki jumlah oksigen tetap/maksimum pada suhu dan tekanan tertentu.
• Kalibrasi Nol Oksigen: Metode ini merupakan kebalikan dari kalibrasi udara, di mana sensor terpapar pada larutan (air dengan natrium sulfat) tanpa jejak oksigen terlarut. Oleh karena itu, kalibrasi dilakukan untuk kondisi nol oksigen.

Kalibrasi harus dilakukan oleh para ahli sesuai dengan petunjuk pabrikan yang tercantum dalam manual untuk menghindari kerusakan pada sensor atau ketidakakuratan hasil.

5.2 . Penempatan dan Perendaman Sensor

Sensor harus dipasang dengan hati-hati di industri untuk mendapatkan hasil yang akurat, dan di laboratorium, sensor harus terendam sepenuhnya dalam sampel agar dapat menjalankan fungsinya. Hindari sensor berinteraksi dengan gelembung udara atau kotoran. Ambil sampel atau tempatkan sensor di tempat yang mewakili kondisi sebenarnya. Untuk sensor oksigen terlarut elektrokimia, aliran air yang tepat sangat penting untuk konsumsi oksigen agar memberikan pembacaan yang akurat.

5.3 . Membaca dan Menafsirkan Hasil Keluaran

Langkah terakhir adalah membaca, menganalisis, dan menafsirkan data tentang kualitas air yang diberikan oleh sensor oksigen terlarut. Hasil yang diperoleh adalah dalam miligram per liter (mg/L), yang menunjukkan berapa banyak oksigen yang terlarut dalam satu liter, atau bagian per juta (ppm), yang menunjukkan tingkat oksigen dibandingkan dengan nilai standarnya pada suhu dan tekanan tertentu. Pembacaan DO sangat dipengaruhi oleh suhu dan salinitas; semakin tinggi suhu, semakin sedikit oksigen terlarut yang ada, dan semakin tinggi salinitas, semakin rendah kelarutan oksigen. Sensor modern dengan sensor suhu terintegrasi harus digunakan untuk menghindari masalah ini.

6. Faktor-faktor yang Mempengaruhi Pengukuran Oksigen Terlarut

Sensor oksigen terlarut tidak memberikan hasil yang akurat; hubungi vendor untuk kalibrasi atau penggantian. Tunggu, sebelum mengambil tindakan apa pun, Anda harus memeriksa faktor-faktor berikut terlebih dahulu:

• Suhu: Ya, suhu memengaruhi hasilnya. Harus diperiksa apakah sensor telah dikompensasi suhu untuk memberikan hasil yang akurat.
• Salinitas: Saat mengambil sampel air payau, koreksi harus dilakukan selama kalibrasi atau saat menganalisis data salinitas. Hal ini mengurangi kelarutan oksigen dalam air.
• Tekanan: Perkiraan persentase saturasi oksigen terlarut dapat dipengaruhi oleh peningkatan dan penurunan tekanan.
• Pengotoran membran/jendela optik: Perawatan tepat waktu diperlukan untuk menghindari pengotoran pada membran atau jendela optik, yang dapat menyebabkan fluktuasi dan penyimpangan pembacaan.
• Laju aliran (untuk elektrokimia): Hasil yang andal diperoleh ketika terjadi aliran air minimum melintasi membran, karena oksigen dikonsumsi selama reaksi redoks dalam sensor DO elektrokimia.

7. Contoh Praktis dengan Sensor Oksigen Terlarut RK500-04

Rika RK500-04 menggunakan prinsip fluoresensi untuk mengukur kadar oksigen dalam air. Jenis sensor ini memungkinkan untuk memberikan akurasi tinggi, perawatan rendah, dan kinerja stabil dalam jangka waktu lama. Sensor inline ini dapat mencapai 90% dari pembacaan akhirnya dalam waktu kurang dari 100 detik (T90<100s).

Rika RK500-04 adalah instrumen praktis dengan aplikasi yang mencakup akuakultur, pengolahan kimia, pemantauan lingkungan, dan biodegradasi. Kompensasi suhunya dengan ketahanan tekanan tinggi 0,3MPa membuatnya cocok untuk berbagai suhu dan lingkungan bertekanan tinggi. Selain itu, peringkat IP68 membuatnya tahan lama dan tahan air untuk lingkungan kerja yang menantang. Berikut beberapa fitur utama sensor yang menjadikannya pilihan ideal:

Kesimpulan

Memeriksa kualitas air? Salah satu parameter kuncinya adalah oksigen terlarut. Oksigen terlarut diukur menggunakan sensor, baik elektrokimia (polarografik atau galvanik) maupun optik. Sensor-sensor ini banyak digunakan di instalasi pengolahan air limbah, industri akuakultur, pemantauan lingkungan, dan laboratorium.

Berbeda dengan sensor lainnya, sensor oksigen terlarut memerlukan kalibrasi dan perawatan tepat waktu (sesuai petunjuk vendor) agar dapat menjalankan fungsinya dalam jangka waktu yang lama. Memahami proses kerja sensor dan faktor-faktor yang memengaruhi nilai-nilai tersebut, seperti suhu, laju aliran, salinitas, dan pengotoran, sangat penting untuk mendapatkan wawasan berharga dari data yang diperoleh.

Kesimpulannya, keandalan sensor bergantung pada orang yang menggunakannya. Dengan pengetahuan dan kesadaran, sensor DO dapat membantu industri dan lembaga lingkungan dalam mengambil keputusan untuk memastikan lingkungan dan proses yang berkelanjutan.

Pertanyaan yang Sering Diajukan (FAQ)

• Bisakah sensor oksigen terlarut digunakan di lingkungan air tawar dan air asin?

Ya, sensor DO (oksigen terlarut) dapat digunakan di kedua lingkungan tersebut. Namun, faktor salinitas, terutama untuk lingkungan air asin, perlu diperhitungkan karena memengaruhi kelarutan oksigen, sehingga menghasilkan hasil yang tidak akurat.

• Berapa lama masa pakai sensor oksigen terlarut?

Sensor DO optik memiliki masa pakai yang lebih lama, sekitar 2 hingga 5 tahun, dibandingkan sensor DO elektrokimia yang hanya bertahan 1 hingga 2 tahun. Masa pakai sangat bergantung pada penggunaan, lingkungan tempat beroperasi, dan perawatan. Dalam kondisi yang berat, perawatan yang sering dan kalibrasi rutin dapat memperpanjang masa pakai peralatan.

• Seberapa sering saya harus mengganti membran sensor oksigen terlarut?

Membran adalah komponen dalam sensor oksigen terlarut elektrokimia yang perlu sering diganti. Tergantung pada kondisinya, membran perlu diganti setelah 3 hingga 6 bulan, ketika Anda mengamati waktu respons yang lambat, pergeseran, dan kotoran pada membran.

Tip: Saat melakukan kalibrasi, disarankan untuk memeriksa kondisi membran; jika ditemukan kerusakan, lakukan kedua tugas tersebut sekaligus.

• Apakah sensor oksigen terlarut dapat digunakan dalam aplikasi pengolahan air limbah?

Sensor-sensor ini banyak digunakan di instalasi pengolahan air limbah dalam proses aerasi. Untuk mendukung pertumbuhan bakteri aerobik, oksigen terlarut perlu berada dalam batas yang ditentukan; oleh karena itu, sensor DO ditempatkan di tangki pengolahan aerobik untuk memantau kadarnya. Kedua jenis sensor oksigen terlarut dapat digunakan untuk aplikasi pengolahan air limbah.