اکسیژن محلول چیست؟

اکسیژن محلول یا Dissolved Oxygen عبارت است از میزان اکسیژن آزادی که به صورت حل شده در آب وجود دارد و با عنوان DO نیز نمایش داده میشود که واحد این پارامتر میلی گرم بر لیتر (mg/L) است. این اکسیژن میتواند از طریق اتمسفر و یا گیاهان موجود در آب که اکسیژن تولید میکنند تامین شود. میزان اکسیژن محلول در آب‌های رونده مانند رودخانه‌ها بسیار بیشتر از آب‌های ساکن مانند دریاچه‌ها است.

«اکسیژن آزاد به آن دسته از مولکول‌های اکسیژن میگویند که در محلول به صورت خالص وجود دارند و با ماده‌ی دیگری ترکیب نشده‌اند.»

اندازه‌گیری اکسیژن محلول از آن جهت اهمیت دارد که تمام موجودات زنده‌ی داخل آب برای ادامه‌ی حیات خود به آن نیاز دارند. گاهی اوقات در محیط آبی به دلیل تجزیه مواد آلی اضافی به دست میکرو ارگانیسم‌ها شرایط ویژه‌ای به وجود می‌آید که در آن اکسیژن بسیار کم (هیپوکسیا) میشود و یا به صفر (آنوکسیا) میرسد؛ این حالت معمولا در عمق محیط‌ های آبی رخ میدهد و به صورت جدی حیات آبزیان ساکن در رسوبات را تهدید میکند.

(نمودار اکسیژن محلول برای آبزیان)

با توجه به آنچه که تاکنون گفته شد میزان اکسیژن محلول موجود در محیط‌ های آبی برای محققان محیط زیست با اهمیت است زیرا نشانگر مستقیم توانایی یک منبع آبی برای حمایت از زندگی آبزیان است. هر ارگانیسم محدوده تحمل DO خود را دارد، به طور کلی سطوح DO کمتر از 3 میلی گرم در لیتر (mg/L) نگران کننده است و آب‌ هایی با سطوح کمتر از 1 میلی گرم در لیتر هیپوکسیک و معمولاً فاقد حیات در نظر گرفته می شوند.

عوامل موثر بر میزان اکسیژن محلول:

• دمای آب: هرچه دمای آب کمتر باشد، میزان اکسیژن محلول نیز افزایش میابد.
• شوری آب: هرچه میزان نمک محلول در آب بیشتر باشد، DO کمتر است.
• فشار هوا: با افزایش ارتفاع و کاهش فشار، میزان DO داخل آب کم میشود.
• سطح در تماس با هوا: هرچه یک محیط آبی سطح بیشتری را در تماس با هوا داشته باشد شانس بیشتری برای حل کردن اکسیژن در خود دارد. به عنوان مثال یک محیط آبی عمیق یا سطح تماس کم با هوا اکسیژن محلول کمتری نسبت به یک محیط آبی کم عمق وسیع دارد.
• تنفس هوازی گیاهان: تنفس هوازی و جذب اکسیژن برای استفاده از ترکیبات کربن غنی و تبدیل آن به انرژی بسیار لازم است. بنابراین، غلظت اکسیژن محلول معمولاً در اواسط تا اواخر بعد از ظهر که نرخ فتوسنتز در بالاترین حد است، بالاترین مقدار خواهد بود و درست قبل از طلوع خورشید به کمترین غلظت خواهد رسید. به این الگوی نوسان DO اصطلاحا چرخه‌ی اکسیژن روزانه میگویند.
• میزان اکسیژن خواهی بیولوژیکی یا BOD: علاوه بر تنفس هوازی توسط بخش تولید کننده اکسیژن سایر موجودات زنده مانند آبزیان نیز اکسیژن را مصرف کرده و به CO₂ تبدیل میکنند. علاوه بر آبزیان باکتری‌ها و قارج‌هایی که وظیفه‌ی تجزیه گیاهان و جانوران مرده در آب را دارند نیز برای تجزیه مواد آلی به اکسیژن نیاز دارند که به این اکسیژن مورد نیاز BOD میگویند. زمانی که میزان کربن دی اکسید از حد مشخصی بالاتر میرود پارامتر BOD از اهمیت ویژه‌ای برخوردار میشود.

روش‌های اندازه‌گیری اکسیژن محلول:

محققان برای اندازه‌گیری میزان اکسیژن محلول در آب به طور کلی از دو روش استفاده میکنند که به شرح زیر است:

• روش تیتراسیون یا متد وینکلر:ابتدا با اضافه کردن منگنز پراکسید و سدیم هیدروکسید به ظرف نمونه بعد از مدتی شاهد تشکیل منگنز هیدروکسید(II) یا (manganese hydroxide (II)) خواهیم بود. حال این رسوب منگنز هیدروکسید با اکسیژن محلول در آب واکنش داده و با توجه به مقدار DO اکسید می شود و رسوب قهوه ای رنگی را تشکیل می دهد. اکنون اگر این رسوب قهوه رنگ را در حضور یون‌های ید منفی یک در اسید حل کنید با توجه به مقدار DO محلول، ید(I₂) آزاد میشود که اگر آن را با سدیم تیوسولفات تیتراته کنیم میتوان میزان DO را بدست آوریم.
• روش الکترود غشایی:این روش به صورت گسترده‌ای برای اندازه‌ گیری سطح اکسیژن محلول موجود در مایع استفاده میشود. در این روش با استفاده از الکترود با یک غشایی که بسیار در برابر اکسیژن نفوذپذیر است در کنار آمپر متر به اندازه‌گیری میزان اکسیژن محلول میپردازند . این روش خود به دو دسته‌ی الکترودهای گالوانیک و الکترودهای پولاروگرافیک تقسیم میشوند که جلوتر درباره‌ی آن صحبت خواهیم کرد.

(دستگاه DO متر پرتابل شرکت جنوی)

نحوه عملکرد اکسیژن متر:

به طور معمول اندازه‌گیری سطح DO یا همان اکسیژن محلول برعهده اکسیژن متر است. اکسیژن مترها که از روش الکترود غشایی استفاده میکنند با توجه به نوع الکترودشان به دو دسته کلی تقسیم میشوند:

• دستگاه‌های استفاده کننده از الکترودهای گالوانیک: پراب‌های گالوانیک DO با انتشار اکسیژن به داخل الکترود از طریق غشای نیمه هادی خود که فقط به اکسیژن اجازه عبور میدهد ولتاژ تولید کرده و با استفاده از ولتاژ تولید شده میتوانند میزان اکسیژن را اندازه‌گیری کنند. به طور خلاصه با عبور O2 از غشاء و محلول الکترولیتی به سمت الکترودها، اکسیژن در داخل درپوش پراب که حاوی الکترولیت بافری است حل می شود که به O2 اجازه می دهد با کاتد (الکترود پلاتین) واکنش دهد و در نتیجه یک الکترون به دست می آورد. این الکترونی است که به مولکول O2 داده می شود که ولتاژی بین آند (الکترود کلرید نقره) و کاتد داخل پروب DO ایجاد می کند؛ حال دستگاه با اندازه‌گیری جریان ایجاد شده میتواند میزان اکسیژن محلول را به دست آورد.
• دستگاه‌های استفاده کننده از الکترودهای پولاروگرافیک: پروب های DO پلاروگرافیک نیز حاوی یک غشای نیمه تراوا نازک هستند، با این حال، ولتاژ بین آند و کاتد در پروب DO اعمال می شود. با رسیدن O2 به کاتد، یک الکترون به مولکول O2 اضافه می شود که جریانی ایجاد می کند. این ولتاژ است که واکنش O2 را هدایت می کند و غلظت DO را تعیین می کند.

(دستگاه سنجش اکسیژن محلول شرکت میلواکی)

چگونگی کالیبراسیون اکسیژن متر:

بدون شک کالیبراسیون صحیح اکسیژن مترها بخش مهمی از روند انجام آزمایشاتی مانند BOD است. کالیبراسیون این دستگاه‌ها به جهت وابستگی پارامتر اکسیژن محلول به دما و فشار پیچیدگی‌های خاصی دارد که در این قسمت میخواهیم به نحوه انجام کالیبراسیون آن‌ها بپردازیم. برای کالیبراسیون اکسیژن متر‌ها ما نیاز به محلول اشباع شده با اکسیژن و محلول خالی از اکسیژن نیاز داریم.

برای این کار ابتدا یک حوله یا اسفنج خیس در ظرف کالیبراسیون قرار داده و سپس پراب و ممبران خشک و تمیز شده را در آن قرار میدهیم؛ مدت 10 الی 15 دقیقه زمان لازم است تا کامل فضای داخل ظرف با اکسیژن اشباع شود و دستگاه با دمای محیط یکسان شود؛ حال پس از قرائت نتیجه از روی دستگاه و یادداشت آن به سراغ اندازه‌گیری فشار هوای غیر اصلاح شده به کمک یک فشارسنج که در محل آزمایش است میرویم و با در اختیار داشتن دما به کمک جدول زیر حداکثر مقدار محاسباتی اکسیژن محلول را بدست می آوریم و با عددی که دستگاه اکسیژن متر نشان میدهد مقایسه میکنیم.

(جدول اکسیژن اشباع وابسته به دما و فشار)

در صورتی که عدد خوانده شده به وسیله‌ی DO متر در محدوده‌ی 0.2 میلی گرم بر لیتر از عدد تئوری جدول باشد میگوییم که دستگاه کالیبره است.« توجه داشته باشید که عدد گفته شده میزان استاندارد است و ممکن است برای دستگاه مورد استفاده‌ی شما این عدد متفاوت باشد لذا حتما دفترچه‌ی راهنمای دستگاه را مطالعه فرمایید.»

حال که کالیبراسیون در حالت اشباع انجام شد باید به سراغ حالت بلنک یا همان محلول بدون اکسیژن برویم. برای این کار ابتدا محلولی با همین مشخصات را تهیه کرده و همانند مرحله‌ی قبلی فشار هوای محیط و دما را وارد اکسیژن متر میکنیم و تا اعلام نتیجه صبر میکنیم؛ اگر عدد قرائت شده روی دستگاه کمتر 0.5 میلی گرم بر لیتر یا صفر را نشان داد میگوییم دستگاه کاملا کالیبره شده و آماده‌ی انجام آزمایش است(در این مرحله دقت دستگاه 0.2 در نظر گرفته شده است).

نکات مهم در نگهداری و استفاده از اکسیژن متر:

• الکترود دستگاه‌های DO متر سنجش اکسیژن محلول باید بعد از پایان آزمایش به خوبی تمیز شوند.
• برای تمیز کردن غشاء الکترود ابتدا یک پارچه‌ی کتان نرم یا یک دستمال غشاء را به آرامی تمیز کرده و سپس با آب بشویید. *مراقب باشید غشاء خراشیده نشود*
• برای نگهداری از الکترود باید آن را داخل محلول کالیبراسیون قرار دهیم
• قبل از انجام آزمایش حتما دستگاه DO متر را کالیبره کنید تا به نتایج دقیقی برسید