Анализатор растворенного кислорода с оптическим датчиком

Контроль содержания растворенного кислорода (РК) в воде – чрезвычайно важная проблема, в решении которой заинтересованы практически все отрасли народного хозяйства. Существующие методы измерения имеют ряд существенных недостатков (влияние окислителей, восстановителей, взвешенных и окрашенных веществ), ограничивающих круг анализируемых объектов, и часто неспособны давать достоверные результаты из-за различных мешающих факторов. Предлагаемый нами способ, основанный на тушении кислородом фосфоресценции молекулы-индикатора, лишен недостатков традиционных методов и позволяет измерять содержание РК в широком диапазоне концентраций. При этом измерительный прибор является компактным и портативным. Кроме того, возможно «бесконтактное» измерение в герметичном сосуде под давлением, а так же непрерывный контроль в образцах со сложной матрицей, например, в процессе очистки сточных вод.

Категория
Лучшая проектная идея - инженерия и машиностроение
Автор проекта
Научное направление
Анализаторы жидкости
Описание

Растворенный кислород (РК) постоянно присутствует в поверхностных водах, и его содержание имеет важнейшее значение для оценки экологического и санитарного состояния водоемов. Он обеспечивает дыхание гидробионтов, а также необходим для самоочищения водоемов, т.к. участвует в процессах окисления органических и других примесей, разложения отмерших организмов. Поэтому кислород должен содержаться в воде в достаточном количестве. Снижение концентрации РК как правило свидетельствует о загрязнении водоема.

Контроль содержания кислорода в воде – чрезвычайно важная проблема, в решении которой заинтересованы практически все отрасли народного хозяйства, включая сельское хозяйство, биологию, рыбную и пищевую промышленность, медицину, службы охраны окружающей среды, черную и цветную металлургию, химическую промышленность.

Содержание РК определяют как в незагрязненных природных водах, так и в сточных водах после очистки. Процессы очистки сточных вод всегда сопровождаются контролем содержания кислорода. Определение РК является частью анализа при определении другого важнейшего показателя качества воды – биохимического потребления кислорода (БПК).

Существует множество причин, вызывающих повышение или снижение концентрации РК в воде. Его содержание зависит от температуры, атмосферного давления, степени турбулизации воды, количества осадков, минерализации воды др. При каждом значении температуры существует равновесная концентрация кислорода, которую можно определить по специальным справочным таблицам, составленным для нормального атмосферного давления. Растворимость кислорода возрастает с уменьшением температуры и минерализации и с увеличением атмосферного давления. Степень насыщения воды кислородом, соответствующая равновесной концентрации, принимается равной 100%.

Содержание РК в поверхностных водах может колебаться от 0 до 14 мг/л и подвержено значительным сезонным и суточным колебаниям. В воде водоемов в любой период года до 12 часов дня концентрация РК должна быть не менее 4 мг/л. ПДК растворенного в воде кислорода для рыбохозяйственных водоемов установлена на уровне 6 мг/л (для ценных пород рыбы) либо 4 мг/л (для остальных пород).

Другой областью, где также необходимо контролировать содержание РК, является тепловая энергетика. Вода, используемая в системах ТЭЦ и АЭС, должна содержать минимальное количество РК, т.к. кислород вызывает коррозию труб и оборудования, сокращая их срок службы.

Таким образом, можно сформулировать следующие основные задачи при определении РК:

  1. Поддержание необходимого высокого уровня:
    • в водоемах;
    • реакторах биохимических производств;
    • при обезвреживании сточных вод.
  2. Поддержание необходимого низкого уровня: Определение как часть процесса измерения БПК.
    • технологические воды для тепловой и ядерной энергетики.

 

Измерить содержание РК можно следующими способами (подпунктами отмечены достоинства и недостатки):

  1. Йодометрическое титрование по Винклеру (ПНД Ф 14.1:2.101-97).

           + низкая стоимость;

           + арбитражный метод;

            - «мокрая» химия;

            - необходимы реагенты;

            - долгий и трудоемкий;

            - мешают: взвешенные и окрашенные вещества, восстановители, окислители, биологически активные взвешенные вещества.

  1. Амперометрический датчик Кларка.

            + экспрессный метод (возможно непрерывное измерение);

            + малое время отклика;

            - требуется поляризация (выход на режим);

            - расходование растворенного кислорода в процессе анализа;

            - датчик отравляется сероводородом и другими серосодержащими соединениями.

  1. Оптический датчик (тушение фосфоресценции).

            + экспрессный метод (возможно непрерывное измерение);

            + малое время отклика;

            + высокоселективен (нет мешающих влияний от других растворенных веществ);

            + не требуется выход на режим;

            + кислород не расходуется в процессе анализа;

            + не отравляется сероводородом и другими серосодержащими соединениями.

Принцип нового метода – тушение фосфоресценции красителя под действием кислорода. Ниже описана последовательность стадий процесса:

  1. возбуждение молекулы индикатора светом;
  2. внутримолекулярный безызлучательный переход;
  3. переход в основное состояние одним из способов:
    • в виде фосфоресценции при отсутствии кислорода;
    • передача энергии молекуле кислорода (тушение фосфоресценции), сопровождающееся её переходом в синглетное состояние.

 

Чем больше содержание кислорода, тем быстрее происходит тушение фосфоресценции красителя. Данная зависимость описывается уравнением Штерна-Фольмера. С его помощью прибор рассчитывает концентрацию кислорода.

Измеритель состоит из компактного датчика с источником света, фотоприемником и сменной насадкой с нанесенным красителем, а также измерительного преобразователя. Возможно исполнение в едином корпусе. Имеется встроенный аккумулятор, позволяющий работать автономно в течение нескольких недель. Возможна передача текущих показаний на ПК или мобильное устройство по USB, Bluetooth и Wi-Fi.

В настоящее время в ассортименте продукции отечественных производителей подобные приборы отсутствуют. Импортные аналоги дороги, что значительно тормозит внедрение данной технологии. Создаваемый анализатор по стоимости будет сравним с повсеместно применяющимися сейчас амперометрическими датчиками Кларка, т.е. станет доступен широкому кругу потребителей, при этом обладая значительно превосходящими эксплуатационными показателями.

Практическая значимость

Применяемые в настоящее время методы определения растворенного кислорода имеют ряд недостатков, ограничивающий круг анализируемых объектов. Например, практически невозможно определять титрованием или с помощью датчика Кларка содержание РК в сточных водах.

Создаваемый анализатор растворенного кислорода с оптическим датчиком будет лишен недостатков традиционных методов, благодаря своей высокой селективности и практически отсутствию мешающих влияний (окислителей, восстановителей, взвешенных и окрашенных веществ). С его помощью станет возможным, например, непрерывный контроль содержания кислорода в процессе очистки сточных вод, который сейчас практически отсутствует, но является очень важным показателем.

Другим преимуществом новой технологии является невосприимчивость датчика к давлению. Т.е. возможно проводить измерение непосредственно в трубопроводе или сосуде под давлением через прозрачный иллюминатор, не нарушая герметичность.

Уровень активности
00






Отправить ссылку: