Định nghĩa và phương pháp đo oxy hòa tan (DO) trong nước

Oxy hòa tan là gì?

Dissolved oxygen (DO) là oxy phân tử tan trong nước. Đơn vị đo lường là mg/L, có nghĩa là bao nhiêu miligam oxy trong mỗi lít nước. Mức độ oxy có thể phản ánh khả năng tự làm sạch trong nước. Trong một môi trường có nồng độ DO cao, việc phân hủy các chất ô nhiễm khác nhau và làm cho nước được làm sạch nhanh hơn là có lợi. Ngược lại, trong một môi trường có nồng độ DO thấp, các chất ô nhiễm trong nước sẽ phân hủy chậm hơn.
Mức độ DO bị ảnh hưởng bởi nhiêt độ, áp suất không khí và độ mặn của nước. Nồng độ oxy giảm khi nhiệt độ nước tăng, càng cao thì nồng độ oxy càng thấp. Giá trị oxy tan trong nước là cơ sở để nghiên cứu khả năng tự làm sạch của nước. Trong một con sông chảy, lấy mẫu nước từ các đoạn khác nhau để xác định nồng độ oxy. Có thể hiểu được khả năng tự làm sạch của sông tại các vị trí khác nhau. Thông thường, nồng độ oxy trong nước ít nhất là 4mg/L, để nước có chất lượng tốt hơn. Trong quá trình xử lí nước thải, giá trị nồng độ oxy cũng là một chỉ số quan trọng.

Hình 2. Dissolved-oxygen-levels

Các yếu tố chính ảnh hướng đến mức độ oxy hòa tan trong nước là nhiệt độ, độ mặn và áp suất khí quyển.

Nhiệt độ ảnh hướng tới oxy hòa tan như thế nào?

Khi nhiệt độ tăng lên, nồng độ oxy dần giảm. Trong nước ngọt, oxy tan chủ yếu đến từ hai phần: một là oxy được giải phóng bởi quang hợp thực vật, chiếm khoảng 60%. Một phần khác là oxy trong không khí tan trong nước, chiếm khoảng 40%. Khi nhiệt độ tăng lên, khoảng cách giữa các phần tử nước trở nên nhỏ hơn, oxy trong những khoảng trống này bị ép ra và nồng độ oxy giảm. Thông thường, nồng độ DO trong nước thấp nhất vào mùa hè.

Nồng độ oxy hòa tan bão hòa trong nước và nhiệt độ tương ứng

Nhiệt độ

DO (mg/L)

Nhiệt độ

DO (mg/L)

(oF)

(oC)

(oF)

(oC)

32

0

14.6

74

23.3

8.5

34

1.1

14.1

76

23.4

8.3

36

2.2

13.7

78

25.6

8.2

38

3.3

13.3

80

26.7

8.0

40

4.4

12.9

82

27.8

7.8

42

5.6

12.2

84

28.9

7.7

44

6.7

11.9

86

30

7.5

46

7.8

11.6

88

31.1

7.4

48

8.9

11.3

90

32.2

7.3

50

10

11.0

92

33.3

7.1

52

11.1

10.7

94

34.4

7.0

54

12.2

10.4

96

35.6

6.9

56

13.3

10.2

98

36.7

6.8

58

14.4

9.9

100

37.8

6.6

60

15.6

9.7

102

38.9

6.5

62

16.7

9.5

104

40

6.4

64

17.8

9.3

106

41.1

6.3

66

18.9

9.1

108

42.2

6.2

68

20

8.9

110

43.3

6.1

70

21.1

8.7

112

44.4.

6.0

72

22.2

 

114

45.6

5.9

 
Mọi người ai đã thấy nước sôi đều biết rằng các bong bóng khí hình thành ở các bên và đáy nồi trong quá trình làm nóng. Số lượng và kích thước của các bong bóng tăng theo nhiệt độ. Đó là những bong bóng khí đã tan trong nước. Chúng ta có thể tưởng tượng nước như một chất đồng nhất. Nó có nhiều lỗ hổng được phân tán khắp một phần của thể tích của nó. Áp suất khí trên bề mặt nước sẽ làm đầy những lỗ hổng này bằng khí. Vì vậy, khi nhiệt độ tăng, khí này bị ép tách khỏi các phần tử nước. Những bong bóng này cũng chứa oxy, do đó nồng độ oxy sẽ giảm.

Độ mặn ảnh hưởng đến oxy hòa tan trong nước như thế nào?

Khi nồng độ muối tăng, mức độ oxy hòa tan cũng giảm. Bởi vì khi muối tăng trong nước những phân tử muối này chiếm dụng những khoảng trống giữa các phân tử nước, từ đó làm giảm nồng độ oxy. Ví dụ, trong một chai đựng đá, rót một ít cát mịn vào, thì sẽ có ít không khí hơn trong chai. Vì cát mịn lấp đầy khoảng trống giữa các viên đá.

Mối quan hệ giữa oxy hòa tan (DO), nhiệt độ và độ mặn trong nước ở áp suất khí quyển chuẩn (mg/L)

Nhiệt độ (oC)

Độ mặn

0

5

10

15

20

25

30

35

40

20

9.1

8.8

8.7

8.3

8.1

7.9

7.7

7.4

7.2

22

8.7

8.5

8.2

8.0

7.8

7.6

7.3

7.1

6.9

24

8.4

8.1

7.9

7.7

7.5

7.3

7.1

6.9

6.7

26

8.1

7.8

7.6

7.4

7.2

7.0

6.8

6.6

6.4

28

7.8

7.6

7.4

7.2

7.0

6.8

6.6

6.4

6.2

30

7.5

7.3

7.1

6.9

6.7

6.5

6.3

6.2

6.0

32

7.3

7.1

6.8

6.7

6.5

6.3

6.1

6.0

5.8

34

7.0

6.8

6.6

6.4

6.3

6.1

5.9

5.8

5.6

36

6.8

6.6

6.4

6.2

6.1

5.8

5.7

5.6

5.4

38

6.5

6.3

6.2

6.0

5.8

5.7

5.5

5.4

5.2

40

6.3

6.2

5.9

5.8

5.6

5.7

5.3

5.2

5.0

 

Áp suất không khí ảnh hướng tới oxy hòa tan trong nước như thế nào?

Áp suất không khí càng lớn thì càng có nhiều phân tử oxy có thể được áp vào nước, và nước có nhiều oxy hơn. Áp lực từ phía trên cho phép nước giữ nhiều phân tử oxy hơn. Ngược lại, áp suất không khí càng nhỏ, oxy trong nước càng dễ tràn ra. Thông thường, nồng độ oxy tan rất thấp khi áp suất không khí thấp, chẳng hạn trước khi mưa, đặc biệt là trước những cơn mưa lớn vào mùa hè.

Tại sao oxy hòa tan lại quan trọng?

Tương tự như con người sử dụng phổi của mình để hít thở oxy từ không khí, các sinh vật trong nước cũng cần hấp thụ oxy từ nước để tồn tại. Oxy tan trong nước rất quan trọng đối với các sinh vật sống dưới nước. Cá, động vật không xương sống, cua và các loài động vật sống dưới nước khác sử dụng mang của chúng để lấy oxy từ nước. Tảo và các vi sinh vật khác cần tiêu thụ oxy để hô hấp khi không có ánh sáng để quang hợp. Khi vi sinh vật như vi khuẩn và nấm phân hủy chất hữu cơ trong nước, chúng cũng cần tiêu thụ oxy. Khi oxy trong nước đủ đầy, các loài động thực vật trong nước có thể phát triển mạnh.

Hình 3. Dissolved-oxygen-in-water

Trong các ao hồ hoặc sông, mức độ oxy hòa tan dao động định kỳ và theo mùa cho các lý do sinh thái tự nhiên. Khi lượng oxy hòa ta giảm, cá sẽ di chuyển gần hơn đến mặt nước và thậm chí đưa đầu ra khỏi nước. Nếu thiếu oxy nghiêm trọng, cá sẽ bị ốm hoặc thậm chí chết. Mức độ oxy đủ trong nước có thể ức chế các chất độc hại và phân hủy chúng một cách hiệu quả. Khi oxy không đủ, ammonia và hydrogen sulfide khó phân hủy và chuyển hóa, điều này sẽ ảnh hưởng đến chất lượng nước và sức khỏe sinh học.
Khi nước càng sâu, nồng độ oxy hòa tan càng it. Điều này cũng tạo ra đa dạng loài. Các sinh vật khác nhau hoạt động trong tầng nước phù hợp với nhu cầu của chúng. Các sinh vật ở vùng nước sâu, chẳng hạn như cua, hàu,… cần ít oxy hơn (1-6 mg/L), nhưng cá sống ở vùng nước cạn cần nhiều oxy hơn (4-15 mg/L). 

Làm thế nào để đo oxy hòa tan?

Phương pháp Titrasyon

Phương pháp titrasyon là phương pháp thêm từng giọt dung dịch chuẩn với nồng độ cố định vào dung dịch được thử nghiệm (hoặc thêm dung dịch được thử nghiệm vào dung dịch chuẩn) cho đến khi hai dung dịch phản ứng hoàn toàn. Sau đó đo lượng dung dịch chuẩn đã tiêu thụ và nồng độ của dung dịch chuẩn để tính toán nồng độ của chất được đo lường.

Hình 4. Titration-Method

Thêm dung dịch mangan peroxide và dung dịch hidroxit natri vào nước mẫu đo sẽ tạo thành kết tủa hydroxit mangan. Hydroxit mangan hóa học rất không ổn định và phản ứng với oxy hòa tan trong nước để tạo thành kết tủa màu nâu. Trong môi trường có ion idoua (I-), thêm axit sulfuric đặc để thúc đẩy phản ứng hoàn toàn của kết tủa màu nâu. Giải phóng chậm của iod. Càng có nhiều oxy hòa tan trong nước, càng giải phỏng nhiều iod và dung dịch càng đậm màu. Sau đó, iod được giải phóng được tritrasi với natri thiosulfat và lượng iod được xác định. Tính lượng oxy trong nước.
Titrantion là phương pháp đầu tiên được sử dụng để đo lượng oxy hòa tan trong nước và nó phù hợp để đo mẫu nước có lượng oxy hòa tan lớn hơn 0.2mg/L. Phương pháp này có thể được sử dụng để xác định nồng độ oxy trong nước tinh khiết, nhưng không phù hợp để xác định oxy hòa tan trong nước thải công nghiệp hoặc nhà máy xử lí nước thải. Đặc biết là khi nước chứa một số chất khử như nitrit natri, sulfide, thiourea hoặc axit humic, nó sẽ gây ảnh hưởng đến dữ liệu đo, dẫn đến sai số lớn trong dữ liệu đo.

Phương pháp Fluorescense

Phương pháp oxy hòa tan bằng Fluorescence sử dụng nguyên lý Fluorescence quenching để đo lường nồng độ oxy. Khi áng sáng màu xanh được vào chất phát quang, chất phát quang sẽ được kích thích và phát ra ánh sáng màu đỏ. Vì phân tử oxy có thể lấy đi năng lượng (hiệu ứng quenching), thời gian và cường độ ánh sáng đỏ là nghịch đảo với nồng độ phân tử oxy. Bằng cách đo pha chênh lệch giữa ánh sáng đỏ bị kích thích và ánh sáng tham chiếu, và so sánh nó với giá trị hiệu chuẩn nội, nồng độ oxy có thể được tính toán. Cảm biến oxy hòa tan phổ biến nhất được dựa trên nguyên lý phương pháp Fluorescence.
 

Hình 5. Fluorescence-Dissolved-Oxygen

So với các phương pháp khác, cảm biến oxy hòa tan huỳnh quang dễ sử dụng hơn và dữ liệu đo được chính xác hơn. Bạn chỉ cần đưa điện cực vào dung dịch cần kiểm tra và chờ 1-2 giây, sau đó bạn có thể nhận được giá trị đo được từ hiển thị kỹ thuật số. Toàn bộ quá trình không tiêu thụ nhiều oxy trong nước. Loại cảm biến này được sử dụng rộng rãi trong việc giám sát xử lý nước thải đô thị và nhà máy xử lý nước thải công nghiệp.

Phương pháp điện cực màng

Điện cực được sử dụng trong phương pháp điện cực màng bao gồm một buồng nhỏ. Buồng chứa hai điện cực kim loại và được diền điện phân, và khoang nhỏ được đóng bằng màng lọc chọn lọc. Nước và ion hòa tan không thể vượt qua màng lọc, nhưng oxy và ion có tính thủy phân có thể. Đo lường oxy hòa tan được thực hiện bằng cách ngâm điện cực trong nước.

Sự khác điện thế giữa các điện cực được tạo ra bởi một pin hoặc điện áp được áp dụng. Sự khác điện thế này gây ra các ion kim loại nhập vào dung dịch tại cực anot, trong khi oxy thấm qua màng lọc được khử ở cực catot. Dòng điện điện tử kết quả tỉ lệ với tốc độ vận chuyển oxy và do đó tỉ lệ với áp suất bán phần của oxy trong nước. Điều chỉnh nhiệt độ là cần thiết vì độ thấm của màng lọc thay đổi theo nhiệt độ. Bạn có thể sử dụng toán học, hoặc bạn có thể sử dụng bộ điều khiển. Hoặc đền bù có thể được đạt bằng cách lắp đặt cảm biến nhiệt trong mạch. Một số thiết bị cũng có thể bù cho sự thay đổi trong khả năng hòa tan oxy ở các nhiệt độ khác nhau.

Phương pháp đo này phù hợp cho nước tự nhiên, nước thải và nước mặn. Nếu bạn muốn đo nước lợ như nước biển hoặc nước cảng, bạn sửa đổi nồng độ muối. So với phương pháp tráng tiêu chuẩn, phương pháp này có thể đo được nước có màu sắc và độ đực cao. Nó thậm chí được sử dụng để xác định các chất chứa sắt và các chất có thể tương tác với iodin. Nếu trong mẫu nước có phân tử khí có thể khuếch tán và đi qua màng lọc, nó sẽ gây nhiễu lên dòng điện đo được. Dung môi, dầu, sulfide, carbonate và tảo trong nước có thể gây tắc màng lọc, hư hại màng lọc hoặc ăn mòn điện cực.

Phương pháp phân tích màu sắc

Có hai phương pháp đo nồng độ oxy bằng phương pháp định màu. Đó là phương pháp Indigo Carmine và phương pháp Rhodazine D. Cả hai phương pháp này đều sử dụng các chất thử màu sắc. Chúng phản ứng và thay đổi màu sắc khi tác dụng với oxy trong nước. Những tương tác này dựa trên các phản ứng oxi hóa, và sự thay đổi màu sắc tỉ lệ thuận với nồng độ oxy. Kết quả đo màu sắc có thể so sánh với máy quang phổ, máy đo màu hoặc máy so sánh khác. Kết quả sủ dụng máy quang phổ hoặc máy đo màu sẽ chính xác hơn. Việc sử dụng máy so sánh màu sắc là nhanh chóng và rẻ tiền, nhưng nó có thể gây ra một số sai sót do tính khách quan của mắt người.
=> Theo phương pháp Indigo carmine, màu xanh đậm càng cao nồng độ oxy càng cao.
Phương pháp Indigo carmine đo nồng độ oxy trong khoảng từ 0,2 đến 15 ppm (mg/L). Phương pháp này tạo ra màu xanh với độ đậm phụ thuộc vào nồng độ oxy hòa tan. Sắt, sắt (III), nitrit và bisulfite natri có thể ảnh hưởng đến phương pháp này. Ngoài ra, chất thử nên được tránh tiếp xúc với ánh sáng mạnh, vì thời gian tiếp xúc dài sẽ làm giảm chất lượng của indigo carmine. Tuy nhiên, phương pháp này không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, độ mặn
hoặc khí hòa tan. Các bài thử phạm vi thấp phụ thuộc vào thời gian và nên được phân tích trong vòng 30 giấy, trong khi các bài thử phạm vi cao cần 2 phút xử lí.

Hình 6. Indigo-Carmine

=> Phương pháp Rhodazine D tạo ra màu hồng hoặc màu hồng đào.

Phương pháp Rhodazine D có thể đo được nồng độ oxy rất thấp. Chất khử rhodazine D phản ứng với oxy hòa tan trong tử mỗi tỷ (ppd) để tạo ra một dung dịch màu hồng đậm. Phương pháp định lượng màu không bị ảnh hưởng bởi độ mặn hoặc sulfide trong nước. Tuy nhiên, các chất oxy hóa (clo, đồng và sắt) có thể ảnh hưởng đến kết quả đo DO. Những nguyên nhân gây sai lệch khác là polysulfides, boron và hydrogen peroxide. Màu sắc và độ đục của mẫu nước có thể ảnh hưởng đến độ chính xác. Phương pháp này tương đối tốn thời gian và mẫu nước phải được phân tích trong vòng 30 giây sau khi thêm chất thử.

Hình 7. Rhodazine-D

 

Làm thế nào để tăng oxy trong nước?

Khi nồng độ oxy trong nước không đủ, nó sẽ gây ra tác động tiêu cực đến động vật thủy sinh. Chất lượng nước suy giảm, ảnh hưởng đến đời sống thủy sinh. Gây hại cho sự phát triển, sinh sản và thậm chí là sự tồn tại của chúng. Trong trường hợp nhẹ, thể lực giảm và tốc độ tăng trưởng chậm lại, và trường hợp nặng, gây ra một số lượng lớn cá chết. Do đó, trong ngành chăn nuôi thủy sản, việc theo dõi nồng độ oxy và tăng cường oxy đúng lúc rất quan trọng.

          Oxy hóa sinh học

Cây thủy sinh có thể sản xuất oxy thông qua quá trình quang hợp và đưa nó trực tiếp vào nước. Đây là phương pháp kinh tế và khoa học nhất. Nó sử dụng các phương pháp tự nhiên để tăng oxy trong ao và sẽ không ảnh hưởng đén sinh vật. Lá xanh của tế bào thực vật sử dụng năng lượng ánh sáng để chuyển đổi khí cacbonic và nước thành glucose và oxy. Vì vậy, việc tăng oxy bằng cách thêm thực vật tảo vào nước là cách hiệu quả. Thêm chất dinh dưỡng cần thiết cho sự sinh sản của tảo vào nước thường xuyên. Thúc đẩy sinh trưởng và sinh sản của tảo. Việc sử dụng phương pháp này để tăng DO yêu cầu cân nhắc đến đủ ánh sáng và chất dinh dưỡng. Vì khi có đủ ánh sáng, các thực vật thủy sinh chỉ thực hiện quang hợp. Vào ban đêm hoặc khi không có ánh sáng, các thực vật thực hiện hô hấp, tiêu thụ oxy trong nước.

          Oxy hóa vật lý

Sử dụng máy móc và thiết bị, như máy phun khí, để liên tục bơm khí vào nước. Tăng diện tích tiếp xúc giữa nước và khí, cho phép khí tốt hơn kết hợp với nước và tăng hàm lượng oxy trong nước. Hoặc trực tiếp vận chuyển khí xuống đáy hồ để tăng diện tích tiếp xúc và thời gian tiếp xúc giữa khí và cơ thể nước. Vào một buổi chiều nắng, bật máy phun khí một cách phù hợp để nước lưu chuyển. Khuấy động một số chất tiêu thụ oxy ở đáy lên lớp giữa và trên, để chúng oxy hóa và phân hủy và giảm tiêu thụ oxy ở đáy.

          Oxy hóa hóa học

Rải các viên nén tăng oxy, hydrogen peroxide và một số chất hoạt động bề mặt lên hồ để tăng hàm lượng oxy trong nước trong thời gian ngắn. Phương pháp này thích hợp để sử dụng trong trường hợp khẩn cấp khi nước bị thiếu oxy nghiêm trọng và không có máy phun khí.
 
Các ý kiến đóng góp các bạn gửi về các kênh sau:
Facebook: https://www.facebook.com/epcb.vn
Zalo: 0367 939 867
Email: epcbtech@gmail.com