溶解氧(DO)理论指南(1)

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1 溶解氧(DO)原理

氧是宇宙中第三大常见元素，也是地壳中最常见的元素(49％)。然而，由于氧具有高活性，因此大部分氧与其他元素结合形成化合物。氧元素的两种同素异形体O2和O3(臭氧)仅存在于我们地球上。这是因为它源于与地球有关的生物过程(主要是光合作用)。

因此，氧元素及其产生与生命和化学活动有关。 由于其活性高，它也有助于不太理想的过程，例如腐蚀或火灾危险。

测量溶解在水中的氧气浓度对于监测栖息地(如湖泊，海洋或水族馆)、生产过程(如啤酒或奶酪发酵)、废水处理或腐蚀敏感过程非常重要。

1.1 溶解氧和分压

通过将电极浸入样品来测量其溶解氧浓度。在传统的测量原理中，氧气可以通过选择性渗透膜进入和离开电极，这导致样品和电极之间的氧活度(浓度)平衡。然后在电极内测量氧浓度(详见第2章)。该测量原理的结果是它不直接测量溶解氧的浓度，而是测量其分压。

分压可以看作氧离开溶液的趋势，并且可以以空气饱和度的百分比表示。 例如，在空气中稳定的溶液是100％空气饱和的。如果浓度高于100％，则过量的氧气会离开溶液并进入空气。 如果低于100％，溶液会缓慢吸收空气中的氧气。

类似地，如果溶液中的分压高于电极中的分压，则氧气将进入电极，反之亦然。

在平衡时，电极内部的分压等于溶液中的分压。但是，这并不意味着浓度相等。哪种浓度对应于100％饱和度的分压，取决于氧在溶液中的溶解度。对于最常见的溶剂水，这种溶解度是众所周知的，饱和度可以转换成浓度，单位为mg/L。

1.2 氧气在水中的溶解度

DO主要在水样中测量。O2在水中的溶解度取决于溶液的盐度、温度和大气压(见表1.1和图1.1)。 需要用这些值来将分压(电极测量的)转换为DO浓度，单位为mg/L。


表1.1和图1.1中的数据可以概括为：在标准压力下，氧气在水中的溶解度随着温度和盐度的降低而增加。随着大气压的增加，氧在水中的溶解度增加(数据未显示)。

1.3 溶解氧对生物的重要性

水中的氧浓度对水体的生物活性有很大影响。氧气通常由水生植物和藻类产生，但也可以从空气中吸收。所有的动物和真菌都依靠氧气来生存和繁殖。举几个例子：底栖鱼，螃蟹，牡蛎和蠕虫需要最少量的氧气(1-6mg/L)，而浅水鱼需要更多的氧气(4-15mg/L)。普遍认为，鱼不能在DO浓度低于3mg/L的水中生存。大多数鱼甚至不能在4-5mg/L的DO水平下存活。此外，鱼卵和生长的鱼比成年鱼需要更多的氧气，因此足以成年鱼类存活的DO水平仍然可能因胚胎/幼年发育条件的不可持续而导致灭绝。因此，改变长期的DO浓度可以大大改变水生生态系统。

由于大多数水生动物都是冷血动物，温度也会在耗氧量方面发挥作用。例如，由于其新陈代谢增加，鳟鱼在24˚C时的氧消耗量比在4˚C时高6倍。

由于氧在水中的溶解度取决于温度，因此DO水平的下降可能是由于水温上升。这是许多工业过程将温水(用于冷却)泵入溪流和湖泊的相关环境副作用。

同样，来自农业的高浓度肥料将导致水生植物的高速增长。当这些植物死亡时，它们被细菌分解会消耗大量氧气，导致DO水平急剧下降。产生的生物群落被称为死区。

由于这些因素，测量DO是水监测计划不可或缺的工具。

由于水质的重要性，一些官方机构已经审查了淡水质量中DO水平(以及其他参数)对鱼类生存、生长和繁殖方面的影响。随后，出版了保护水生生物及其用途的DO浓度指南。这些机构包括美国环境保护局(美国EPA 1986，美国EPA SESD)和欧洲内陆渔业咨询委员会(EIFAC 1973)。

1.4 溶解氧对工业的重要性

因为氧是一种活性分子，它在溶液中的浓度对氧化性质有很大影响。特别是金属部件会因腐蚀而迅速恶化。例如，铁可以在氧和水的存在下快速氧化形成氧化铁(即锈)。这种DO测量的应用几乎完全是预防性的，以便尽可能长时间地保存金属部件。

类似的预防性应用是控制食品(和其他生物制品)的保质期。因为这些产品的大多数腐烂过程由需氧发酵(即它们消耗氧气)组成，所以确保低水平的DO是保证长保质期的必要步骤。

未完，待续。。。。。。