O que é um sensor de oxigênio dissolvido? E como usá-lo?

No ecossistema, o oxigênio desempenha um papel vital na sobrevivência humana e, para a vida aquática, o oxigênio dissolvido é essencial para o seu ambiente. O oxigênio dissolvido (OD) é significativo nas indústrias; o OD é necessário em estações de tratamento de efluentes durante o processo de digestão aeróbica. Além disso, o nível de OD é monitorado continuamente em usinas termelétricas para evitar a corrosão interna dos equipamentos. Portanto, é crucial monitorar esse parâmetro vital; para isso, os sensores de oxigênio dissolvido são equipamentos amplamente utilizados para medição.

Os sensores de oxigênio dissolvido (OD) têm ampla aplicação e uso industrial, como em monitoramento ambiental, estações de tratamento de efluentes, indústrias farmacêuticas e de processos, aquicultura, laboratórios e muitos outros. Um sensor de OD mede o oxigênio na água por dois métodos: a medição óptica, que utiliza luminescência, e o método eletroquímico, que se baseia em reações químicas em eletrodos. Para usar esses sensores de forma eficaz, o manuseio deve ser feito com cuidado, e a calibração e a manutenção subsequentes são necessárias, seguindo os procedimentos e recomendações adequados.

1. Compreendendo o Oxigênio Dissolvido (OD)

1.1 . O que é oxigênio dissolvido?

O oxigênio dissolvido é a quantidade de oxigênio dissolvida em uma unidade de água. O oxigênio entra na água de três maneiras diferentes:

• Fotossíntese em plantas subaquáticas. As plantas liberam oxigênio naturalmente como subproduto e absorvem dióxido de carbono da luz solar.
• Aeração: A aeração é o processo pelo qual o teor de oxigênio da água aumenta através do movimento turbulento.
• Difusão: É o movimento de partículas de uma região de alta concentração para uma região de baixa concentração. Na atmosfera, o teor de oxigênio é de 21%; quando a concentração de oxigênio na água é inferior a esse valor, o oxigênio da atmosfera difunde-se para a superfície da água.

1.2 . Importância do monitoramento do oxigênio dissolvido

Emergência! Emergência! Quando os seres humanos entram em colapso devido à falta de oxigênio dissolvido, o mesmo acontece com a vida aquática devido a níveis inadequados de oxigênio dissolvido. Um nível suficiente de OD (oxigênio dissolvido) é necessário para o crescimento e a sustentabilidade. Baixos níveis de OD significam aumento da poluição e proliferação de algas, enquanto níveis elevados causam doenças causadas por bolhas de gás em peixes, afetando a biodiversidade. Processos industriais, como o tratamento de efluentes, não podem ignorar esse parâmetro; o OD permite o desenvolvimento de bactérias aeróbicas que ajudam a decompor resíduos orgânicos. Além disso, a piscicultura preserva o OD para proporcionar um ambiente saudável para o crescimento e a produtividade. Por esses motivos, o monitoramento do OD é essencial, utilizando um sensor de oxigênio dissolvido.

1.3 . Unidades de Medida para Oxigênio Dissolvido

Por que unidades? Já parou para pensar nisso? Imagine como os dados seriam comunicados, comparados e analisados ​​sem elas. Unidades definidas fornecem uma maneira padronizada de calcular e tomar decisões com base nesses resultados. Unidades como miligramas por litro (mg/L), partes por milhão (ppm) e porcentagem de saturação (% saturação) são usadas regularmente para medir o nível de oxigênio dissolvido na água. O número de miligramas de oxigênio em um litro de água é mg/L. 1 mg/L corresponde a 1 ppm em condições normais de temperatura e pressão. Essas unidades medem a quantidade absoluta de oxigênio, enquanto a % saturação é relativa à quantidade máxima de oxigênio na água a uma temperatura e pressão específicas.

A solubilidade do oxigênio na água é regida pela lei de Henry das pressões parciais, que afirma que a quantidade de gás dissolvido em um líquido é diretamente proporcional à pressão parcial desse gás acima do líquido. Por exemplo, se a pressão parcial do oxigênio for baixa na atmosfera, sua solubilidade na água diminui, reduzindo a porcentagem de saturação. O oxigênio dissolvido (OD) é mantido e monitorado de acordo com o ambiente; em lagos e rios, varia de 4 a 10 mg/L, em zonas mortas é inferior a 2 mg/L e em tanques de aeração em estações de tratamento de esgoto fica entre 1 e 3 mg/L.

2. O que é um sensor de oxigênio dissolvido?

2.1 . Definição e finalidade de um sensor de OD

Sensores são equipamentos utilizados para fins de detecção. Um sensor de oxigênio dissolvido mede um dos principais indicadores da qualidade da água: a concentração de oxigênio na água. A função principal de um sensor de oxigênio dissolvido é monitorar e detectar a quantidade precisa de oxigênio na água para verificar se o ambiente é seguro e se os processos estão funcionando corretamente.

Em estações de tratamento de águas residuais, o monitoramento em tempo real do oxigênio dissolvido (OD) é realizado utilizando sensores avançados de IoT, que fornecem informações e registram dados para análise e tomada de decisões adequadas. Sensores modernos de OD também são utilizados para monitoramento ambiental, visando a manutenção de ecossistemas sustentáveis.

2.2 . Diferentes tipos de sensores de oxigênio dissolvido

Quais são as opções disponíveis? Antes de fazer qualquer escolha, é importante saber quais opções estão disponíveis e se essa será a melhor escolha de acordo com o ambiente. Os sensores de oxigênio dissolvido são de dois tipos principais: sensores eletroquímicos e sensores ópticos.

Existem dois subtipos de sensores eletroquímicos: galvânicos e polarográficos. O princípio de funcionamento é o mesmo: quando o sensor é introduzido na água, ocorre uma reação redox (redução-oxidação) entre o oxigênio e o eletrodo em seu interior, gerando uma corrente mensurável diretamente proporcional à concentração de oxigênio dissolvido na amostra. A principal diferença entre os dois sensores é que o galvânico não requer corrente externa para iniciar a reação, enquanto o polarográfico requer. Por outro lado, um sensor óptico utiliza luz para detectar o oxigênio dissolvido; alta luminescência significa alta concentração. Se a luminescência diminuir, significa uma alta quantidade de oxigênio.

O sensor galvânico tem resposta rápida e não requer alimentação externa, mas necessita de manutenção frequente e pode apresentar resultados incorretos em baixas vazões. O sensor polarográfico é mais adequado para uso em laboratório e possui alta precisão. A manutenção da membrana e o aquecimento são algumas desvantagens desse equipamento. Os sensores ópticos são caros, mas exigem pouca manutenção e oferecem estabilidade a longo prazo.

2.3 . Componentes principais de um sensor de OD típico

Os componentes de um sensor de oxigênio dissolvido dependem do seu tipo: sensor óptico ou eletroquímico. No entanto, a maioria dos sensores possui os seguintes componentes principais:

• Invólucro: Todo o equipamento precisa ser coberto por um invólucro protetor, geralmente de aço inoxidável, para evitar danos internos e condições ambientais adversas.
• Elemento sensor: É a parte fundamental que interage com o oxigênio dissolvido.
• Membrana: Utilizada para proteger contra a entrada de contaminantes, permitindo apenas a passagem de oxigênio. Essas membranas estão presentes somente em sensores eletroquímicos.
• Eletrólito (para eletroquímica): Uma solução que atua como meio condutor entre o ânodo e o cátodo.
• Janela Óptica: É uma parte do sensor óptico que transmite a luz e fornece proteção à camada luminescente do sensor.
• Sensor de temperatura: A solubilidade do oxigênio depende da temperatura; portanto, um sensor de temperatura é instalado para detectar a temperatura da água.

3. Princípio de funcionamento do sensor de oxigênio dissolvido (tipos eletroquímicos)

3.1 . Como funcionam os sensores eletroquímicos de OD (Visão geral)

Uma reação redox ocorre quando a água com oxigênio dissolvido entra em contato com o sensor. No ânodo, ocorre uma reação de oxidação que libera elétrons, e no cátodo, ocorre a redução (ganho de elétrons) para formar água. Durante o fluxo de elétrons do ânodo para o cátodo, uma corrente elétrica mensurável é produzida, diretamente proporcional à concentração de OD (oxigênio dissolvido), que é então processada para exibir leituras em mg/L ou ppm.

3.2 . Sensores de OD polarográficos: uma análise mais detalhada

Os sensores polarográficos de oxigênio dissolvido fornecem leituras precisas e exatas; portanto, são amplamente utilizados em laboratórios e aplicações industriais. Uma tensão constante de 0,6 a 0,8 volts é aplicada para iniciar a reação de oxirredução.

A pesquisa continua para substituir metais nobres por nanomateriais em sondas de oxigênio dissolvido, tanto como cátodos quanto como ânodos. Ainda assim, ouro e platina são escolhas insubstituíveis como cátodos, enquanto a prata é usada como ânodo. A membrana no sensor permite seletivamente a difusão de moléculas de oxigênio no cátodo sem contaminar a solução eletrolítica. O oxigênio que entra no sensor gera uma corrente elétrica, refletindo a quantidade de oxigênio dissolvido na água. As reações que ocorrem no ânodo e no cátodo durante esse processo são as seguintes:

No ânodo, quando a prata é oxidada, ela libera um elétron. A reação é dada por:

Ag → Ag + (e−)

No cátodo, o oxigênio é reduzido eletroquimicamente a água, que é fornecida por

O₂ + 4 (H⁺) + 4 (e⁻) → 2H₂O

3.3 . Sensores Galvânicos de OD: Uma Abordagem Autossuficiente

Ele gera voltagem? Como? A voltagem é gerada por meio de uma reação espontânea; devido à presença de metais diferentes, um cátodo nobre e um ânodo reativo em uma solução eletrolítica, cria-se uma diferença de potencial natural nos sensores galvânicos de oxigênio dissolvido. O fluxo de elétrons inicia-se quando o oxigênio passa pela membrana do sensor e atinge o cátodo, onde sofre redução, enquanto o ânodo se oxida. O ânodo é feito de chumbo (Pb) ou zinco (Zn), que se oxidam facilmente, enquanto o cátodo, que possui boa condutividade, é feito de ouro (Au) ou prata (Ag). A capacidade de gerar sua própria energia é uma vantagem que permite o uso remoto desses sensores, e seu design é simplificado em comparação com os sensores polarográficos.

3.4 . O Papel do Eletrólito

Em um sensor de oxigênio dissolvido, a solução eletrolítica atua como um meio entre o ânodo e o cátodo, facilitando as reações de oxirredução. Ela garante que a reação seja contínua e sustentada, fornecendo uma concentração precisa de oxigênio dissolvido. Sem essa solução, o fluxo de elétrons seria interrompido, pois o processo de troca iônica seria bloqueado.

4. Princípio de funcionamento do sensor de oxigênio dissolvido (tipo óptico)

4.1 . Como funcionam os sensores ópticos de oxigênio dissolvido (visão geral)

Quando se fala em "quench", significa resfriar, atenuar, reduzir ou interromper. Em sensores ópticos de oxigênio dissolvido, a fluorescência é suprimida quando há oxigênio dissolvido na amostra. Este sensor de OD possui um corante fluorescente e uma camada sensora; o corante é excitado por um comprimento de onda específico proveniente de uma fonte de luz interna. Após a excitação, o corante emite luz em diferentes comprimentos de onda e, na presença de oxigênio dissolvido, a intensidade dessa fluorescência é reduzida.

4.2 . O Elemento Sensor Fluorescente

Quando exposto a uma fonte de luz externa (azul ou violeta), o elemento sensor fluorescente emite luz, sendo este o componente principal do sensor óptico de gases dissolvidos. Este elemento consiste em um corante luminescente que, ao ser excitado pela luz externa, entra em um estado excitado e retorna ao estado fundamental emitindo luz de comprimento de onda maior (vermelho ou verde). O oxigênio, por possuir a propriedade de atenuação da fluorescência, reduz a energia antes da emissão de luz ao interagir com o corante excitado. À medida que a quantidade de oxigênio aumenta, a atenuação da fluorescência também aumenta, resultando em uma menor intensidade da luz emitida.

4.3 . O Sistema de Medição Óptica

A fluorescência é medida por um sistema de medição óptica composto por uma fonte de luz, um corante fluorescente e um fotodetector. As alterações no nível de fluorescência indicam os níveis de oxigênio dissolvido. O diodo emissor de luz (LED) emite luz com um comprimento de onda específico, geralmente azul ou violeta, que é direcionada para o corante fluorescente. O corante é excitado e emite fluorescência, que é detectada por um fotodetector. Um fotodetector mede e analisa a luz emitida de duas maneiras: medindo a intensidade (alta intensidade significa baixa quantidade de oxigênio dissolvido) e o tempo de vida da fluorescência (medindo o intervalo entre a excitação e a emissão; um intervalo curto significa menos oxigênio). Baseado no sistema de medição óptica, o sensor de oxigênio dissolvido tem baixos custos de manutenção, pois não há eletrólitos ou produtos químicos que possam sofrer deterioração física; ele fornece leituras precisas e confiáveis, e o processo é físico, portanto, não consome oxigênio. Isso significa que ele é independente do fluxo e pode ser usado em água parada.

5. Como medir o oxigênio dissolvido usando um sensor?

5.1. Calibração do sensor de OD

Os seres humanos monitoram a saúde por meio de seus registros médicos e exames, assim como os instrumentos possuem cartões de calibração que garantem a precisão. A calibração consiste no alinhamento do sensor com o valor de referência. Ela assegura que o sensor de oxigênio dissolvido forneça valores realistas. Existem dois métodos padrão para a calibração de sensores de OD (oxigênio dissolvido).

• Calibração por ar: Este método é utilizado tanto para sensores eletroquímicos quanto ópticos. O sensor entra em contato com ar saturado, que possui uma quantidade fixa/máxima de oxigênio a uma temperatura e pressão específicas.
• Calibração com Oxigênio Zero: Este método é o oposto da calibração com ar, onde o sensor é exposto a uma solução (água com sulfato de sódio) sem traços de oxigênio dissolvido. Portanto, a calibração é feita em condições de oxigênio zero.

A calibração deve ser feita por especialistas seguindo as instruções do fabricante fornecidas nos manuais para evitar danos ao sensor ou imprecisão nos resultados.

5.2 . Implantação e Imersão de Sensores

Em indústrias, os sensores devem ser instalados com cuidado para obter resultados precisos e, em laboratórios, devem ser adequadamente imersos na amostra para desempenharem sua função. Evite que os sensores interajam com bolhas de ar ou detritos. Colete a amostra ou posicione o sensor em um local que represente as condições reais. Para sensores eletroquímicos de oxigênio dissolvido, um fluxo de água adequado é essencial para o consumo de oxigênio e, consequentemente, para leituras precisas.

5.3 . Leitura e interpretação da saída

A etapa final consiste em ler, analisar e interpretar os dados sobre a qualidade da água fornecidos pelo sensor de oxigênio dissolvido. O resultado obtido é expresso em miligramas por litro (mg/L), que indica a quantidade de oxigênio dissolvido em um litro, ou em partes por milhão (ppm), que mostra o nível de oxigênio em comparação com o valor padrão a uma temperatura e pressão específicas. A leitura de OD é drasticamente afetada pela temperatura e salinidade; quanto maior a temperatura, menor a quantidade de oxigênio dissolvido, e quanto maior a salinidade, menor a solubilidade do oxigênio. Sensores modernos com sensores de temperatura integrados devem ser utilizados para evitar esse problema.

6. Fatores que afetam as medições de oxigênio dissolvido

O sensor de oxigênio dissolvido não está fornecendo resultados precisos; entre em contato com o fornecedor para calibração ou substituição. Aguarde, antes de tomar qualquer providência, verifique os seguintes fatores:

• Temperatura: Sim, a temperatura afeta os resultados. É preciso verificar se o sensor está calibrado para compensar a temperatura e fornecer resultados precisos.
• Salinidade: Ao coletar amostras de água salobra, a correção da salinidade deve ser feita durante a calibração ou na análise dos dados. A salinidade reduz a solubilidade do oxigênio na água.
• Pressão: As estimativas da porcentagem de saturação de oxigênio dissolvido podem ser afetadas por aumentos e diminuições na pressão.
• Incrustação da membrana/janela óptica: A manutenção oportuna é necessária para evitar a incrustação na membrana ou na janela óptica, o que pode causar flutuações e desvios na leitura.
• Taxa de fluxo (para eletroquímico): Resultados confiáveis ​​são obtidos quando ocorre um fluxo mínimo de água através da membrana, pois o oxigênio é consumido durante a reação redox no sensor de OD eletroquímico.

7. Exemplo prático com o sensor de oxigênio dissolvido RK500-04

O Rika RK500-04 utiliza o princípio da fluorescência para medir os níveis de oxigênio na água. O tipo de sensor permite alta precisão, baixa manutenção e desempenho estável por um longo período. O sensor em linha atinge 90% da sua leitura final em menos de 100 segundos (T90 < 100 s).

O Rika RK500-04 é um instrumento prático com aplicações que abrangem aquicultura, processamento químico, monitoramento ambiental e biodegradação. Sua compensação de temperatura com alta resistência à pressão de 0,3 MPa o torna adequado para ambientes com temperaturas variáveis ​​e alta pressão. Além disso, a classificação IP68 o torna durável e à prova d'água para ambientes de trabalho desafiadores. Aqui estão alguns dos principais recursos do sensor que o tornam uma escolha ideal:

Conclusão

Precisa verificar a qualidade da água? Um dos seus parâmetros principais é o oxigênio dissolvido. O oxigênio dissolvido é medido por meio de sensores, sejam eles eletroquímicos (polarográficos ou galvânicos) ou ópticos. Esses sensores são amplamente utilizados em estações de tratamento de esgoto, na indústria da aquicultura, no monitoramento ambiental e em laboratórios.

Diferentemente de outros sensores, os sensores de oxigênio dissolvido exigem calibração e manutenção periódicas (conforme instruções do fabricante) para desempenharem sua função adequadamente por um período prolongado. Compreender o funcionamento do sensor e os fatores que afetam esses valores, como temperatura, vazão, salinidade e incrustações, é fundamental para obter informações valiosas a partir dos dados coletados.

Em conclusão, a confiabilidade de um sensor depende da pessoa que o utiliza. Com conhecimento e conscientização, o sensor de oxigênio dissolvido pode ajudar indústrias e agências ambientais a tomar decisões que garantam ambientes e processos sustentáveis.

Perguntas frequentes (FAQs)

• Um sensor de oxigênio dissolvido pode ser usado tanto em ambientes de água doce quanto em ambientes de água salgada?

Sim, o sensor de OD é viável para ambos os ambientes. No entanto, o fator salinidade, especialmente em ambientes de água salgada, precisa ser levado em consideração, pois afeta a solubilidade do oxigênio, resultando em leituras incorretas.

• Qual é a vida útil de um sensor de oxigênio dissolvido?

Os sensores ópticos de OD (oxigênio dissolvido) têm uma vida útil maior, de cerca de 2 a 5 anos, em comparação com os sensores eletroquímicos de OD, que duram de 1 a 2 anos. A vida útil depende muito do uso, do ambiente em que operam e da manutenção. Em condições adversas, a manutenção frequente e a calibração regular podem aumentar a vida útil do equipamento.

• Com que frequência devo substituir a membrana de um sensor de oxigênio dissolvido?

As membranas são o componente dos sensores eletroquímicos de oxigênio dissolvido que necessitam de substituição frequente. Dependendo das condições, elas precisam ser substituídas após 3 a 6 meses, quando se observa lentidão na resposta, deriva e acúmulo de sujeira no componente.

Dica: Ao realizar a calibração, recomenda-se verificar o estado da membrana; caso esteja degradada, realize ambas as tarefas de uma só vez.

• Sensores de oxigênio dissolvido podem ser usados ​​em aplicações de tratamento de águas residuais?

Esses sensores são amplamente utilizados em estações de tratamento de efluentes no processo de aeração. Para favorecer o crescimento de bactérias aeróbicas, o oxigênio dissolvido precisa estar dentro de limites específicos; portanto, sensores de OD (oxigênio dissolvido) são instalados em tanques de tratamento aeróbico para monitorar seu nível. Ambos os tipos de sensores de oxigênio dissolvido podem ser utilizados em aplicações de tratamento de efluentes.