مقدمه: چرا اکسیژن محلول اهمیت دارد؟
اکسیژن محلول در آب یکی از شاخص‌های اصلی سنجش کیفیت آب است. وجود یا نبود این گاز حیاتی، مستقیماً بر سلامت اکوسیستم‌های آبی، حیات ماهیان و کارایی تصفیه‌خانه‌ها اثر می‌گذارد. در آزمایشگاه آب، اندازه‌گیری دقیق اکسیژن محلول (Dissolved Oxygen – DO) یک آزمون کلیدی برای پایش و تحلیل شرایط منابع آبی است که می‌خواهیم در ادامه بیشتر آن را مورد بررسی قرار دهیم.
تعریف اکسیژن محلول در آب
اکسیژن محلول (DO) مقدار گاز اکسیژن آزاد حل‌شده در آب است که بر حسب میلی‌گرم بر لیتر (mg/L) یا قسمت در میلیون (ppm) بیان می‌شود.
واحدهای رایج اندازه‌گیری DO:
- mg/L یا ppm → پرکاربردترین واحد در آزمایشگاه‌ها
- درصد اشباع (%Sat) → مقایسه بین آب‌ها در دما و شوری مختلف
- ml/L یا µmol/kg → بیشتر در علوم دریایی و پژوهش‌های تخصصی
اهمیت اندازه‌گیری اکسیژن محلول
وجود سطح مناسب DO برای سلامت و پایداری آب ضروری است و از چندین وجه مهم در نظر گرفته می‌شود:
- زیست آبزیان: کاهش DO منجر به مرگ و ایجاد “مناطق مرده” در آب می‌شود.
- کیفیت آب آشامیدنی: شاخصی کلیدی در کنترل کیفیت آب.
- تصفیه فاضلاب: تعیین تقاضای اکسیژن بیولوژیکی (BOD) وابسته به DO است.
- صنایع غذایی و نوشیدنی: مانند آبجوسازی که کیفیت محصول به سطح اکسیژن بستگی دارد.
- پایش محیط‌زیست: در برنامه‌های جهانی مانند HELCOM برای بررسی غنی‌شدن مواد مغذی در آب‌ها.
روش‌های اندازه‌گیری اکسیژن محلول
برای سنجش اکسیژن محلول در آب، روش‌های مختلفی وجود دارد که هر یک بسته به شرایط آزمایش، دقت مورد نیاز و امکانات موجود در آزمایشگاه آب انتخاب می‌شوند. در ادامه مهم‌ترین این روش‌ها را بررسی می‌کنیم.
۱. روش تیتراسیون (وینکلر)
روش تیتراسیون بر پایه یک واکنش شیمیایی دقیق بنا شده است. در ابتدا اکسیژن موجود در نمونه با یون‌های منگنز (II) در محیط قلیایی واکنش داده و ترکیبات اکسیدشده تشکیل می‌دهد. سپس با افزودن اسید، یدید به ید آزاد تبدیل می‌شود و در نهایت، ید آزاد با محلول تیوسولفات سدیم استاندارد تیتر می‌شود. مقدار تیوسولفات مصرف‌شده به طور مستقیم با غلظت اکسیژن محلول در آب متناسب است.
مزایا:
- دقت بسیار بالا (با قابلیت تشخیص تا ۰.۰۲ ml/L).
- روش مرجع در آزمایشگاه‌های آب و محیط‌زیست، مورد پذیرش سازمان‌های بین‌المللی.
- مناسب برای اعتبارسنجی سایر روش‌ها و کالیبراسیون تجهیزات.
معایب:
- تنها برای یک نمونه در لحظه قابل اجراست (Spot Measurement).
- مستعد خطای انسانی در فرآیند تیتراسیون و آماده‌سازی نمونه.
- حساس به مواد مداخله‌گر مثل آهن فریک، نیترات یا سولفات‌ها.
- نیازمند نمونه‌برداری بسیار دقیق است؛ کوچک‌ترین تماس نمونه با هوا یا ایجاد حباب می‌تواند نتایج را مخدوش کند.
به دلیل همین ویژگی‌ها، روش وینکلر بیشتر در شرایط آزمایشگاهی و برای نمونه‌های مرجع استفاده می‌شود، نه در پایش‌های میدانی طولانی‌مدت.
۲. روش‌های الکتروشیمیایی (پروب‌های DO)
روش‌های الکتروشیمیایی با استفاده از سنسورهای مجهز به غشاهای نیمه‌تراوا، اکسیژن محلول را اندازه‌گیری می‌کنند. اکسیژن از غشا عبور کرده و وارد محفظه‌ای می‌شود که واکنش‌های الکتروشیمیایی در آن جریان دارند.
حسگرهای گالوانیک
- بر پایه اختلاف پتانسیل بین دو فلز (مانند کاتد نقره و آند روی یا سرب) عمل می‌کنند.
- نیاز به منبع ولتاژ خارجی ندارند و مانند یک باتری خودکار عمل می‌کنند.
- زمان آماده‌سازی ندارند و بلافاصله پس از قرارگیری در آب، قابل استفاده‌اند.
معایب: عمر کوتاه‌تر به دلیل مصرف دائمی الکترودها و الکترولیت، و حساسیت به گازهایی مثل سولفید هیدروژن.
حسگرهای پلاروگرافیک
- نیازمند اعمال ولتاژ خارجی بین الکترودها هستند.
- از نظر پایداری و طول عمر نسبت به نوع گالوانیک برتری دارند.
- نسبت به تداخل سولفید هیدروژن مقاوم‌ترند و برای پروفیل‌برداری در عمق‌های مختلف آب مناسب‌تر هستند.
عیب اصلی: نیاز به زمان پیش‌گرمایش (Warm-up) قبل از استفاده.
این دسته از پروب‌ها در پروژه‌های میدانی و پایش‌های طولانی‌مدت کاربرد فراوانی دارند و به دلیل دسترسی آسان و قابلیت اتصال به دستگاه‌های CTD (Conductivity-Temperature-Depth) برای تحقیقات اقیانوسی نیز پرکاربرد هستند.
۳. روش نوری (لومینسانس یا اپتیکال)
روش نوری بر اساس پدیده خاموشی فلورسانس (Quenching) عمل می‌کند. در پروب نوری، یک LED نور آبی را به ماده حساس به نور (دای) می‌تاباند. این ماده پس از برانگیخته شدن، نور قرمز ساطع می‌کند. حضور اکسیژن محلول باعث کاهش شدت و طول عمر این تابش می‌شود. با تحلیل این تغییرات، مقدار DO به‌طور دقیق محاسبه می‌گردد.
مزایا:
- دقت بالا به‌ویژه در غلظت‌های بسیار پایین اکسیژن.
- عدم نیاز به الکترولیت و تعویض غشا، که باعث افزایش عمر مفید دستگاه می‌شود.
- حساسیت کمتر به رسوب و آلودگی سطح غشا (Fouling).
- عملکرد پایدار در محیط‌های دارای گازهای مزاحم مثل سولفید هیدروژن.
معایب:
- زمان پاسخ نسبتاً کندتر (۱ تا ۲ ثانیه) در تغییرات سریع DO.
- هزینه بالاتر نسبت به حسگرهای الکتروشیمیایی.
۴. روش رنگ‌سنجی (Colorimetric)
در آخرین روش یعنی روش رنگ‌سنجی، معرف‌های شیمیایی به نمونه آب اضافه می‌شوند. این معرف‌ها با اکسیژن واکنش داده و باعث ایجاد تغییر رنگ می‌شوند. شدت رنگ تولید شده، متناسب با میزان DO موجود است و توسط دستگاه‌هایی مانند اسپکتروفتومتر یا حتی مقایسه‌گرهای ساده (Comparator) اندازه‌گیری می‌شود.
مزایا:
- تجهیزات مقرون‌به‌صرفه و قابل حمل.
- مناسب برای تست‌های سریع میدانی یا در شرایطی که تجهیزات پیچیده در دسترس نیست.
- امکان استفاده برای غلظت‌های بسیار پایین اکسیژن (با معرف‌هایی مانند Rhodazine D).
معایب:
- دقت پایین‌تر نسبت به روش‌های وینکلر یا نوری.
- حساسیت به برخی ترکیبات مزاحم مانند یون‌های آهن یا کلر آزاد.
- نیازمند قرائت سریع پس از افزودن معرف، زیرا تغییر رنگ ناپایدار است.
از روش رنگ‌سنجی بیشتر برای پایش‌های مقدماتی یا در پروژه‌های آموزشی و میدانی با امکانات محدود استفاده می‌شود.
عوامل مؤثر بر اکسیژن محلول را بشناسید!
پس از شناخت راهکارهای پایش و سنجش دقیق، لازم است بدانیم چه عواملی بر میزان اکسیژن محلول در آب اثر مستقیم می‌گذارند. این عوامل می‌توانند شرایط زیستی و شیمیایی آب را تغییر دهند و کیفیت آن را تحت تأثیر قرار دهند:
- دما: با افزایش دما، حلالیت اکسیژن کاهش می‌یابد.
- شوری: آب شور اکسیژن محلول کمتری نسبت به آب شیرین دارد.
- فشار اتمسفری: در ارتفاعات بالا، DO کمتر است.
- فعالیت زیستی: فتوسنتز گیاهان آبی موجب افزایش DO و تنفس موجودات موجب کاهش آن می‌شود.
جدول مقایسه روش‌های اندازه‌گیری DO
برای انتخاب هوشمندانه از بین روش‌های موجود، باید به دقت، سرعت، تجهیزات مورد نیاز و کاربرد اصلی هر روش توجه داشت. این جدول دیدی شفاف برای تصمیم‌گیری بهتر فراهم می‌کند:
| روش اندازه‌گیری | دقت | سرعت | تجهیزات | کاربرد اصلی |
| تیتراسیون وینکلر | بسیار بالا | کند | آزمایشگاهی | مرجع استاندارد |
| الکتروشیمیایی | بالا | متوسط | قابل حمل | پایش میدانی و آزمایشگاهی |
| نوری (لومینسانس) | بالا | متوسط | پیشرفته | پژوهش‌های طولانی‌مدت |
| رنگ‌سنجی | متوسط | سریع | ساده | کاربرد میدانی و آموزشی |
ملاحظات نمونه‌برداری و کنترل کیفیت
جهت دستیابی به نتایج معتبر و قابل استناد، رعایت استانداردهای نمونه‌برداری و کنترل کیفیت بسیار ضروری است:
- نمونه باید بدون حباب هوا و در ظروف شیشه‌ای مخصوص گرفته شود.
- تثبیت نمونه باید بلافاصله پس از برداشت انجام گیرد.
- نگهداری در شرایط تاریک و دمای ثابت، حداکثر تا ۱۲ ساعت مجاز است.
- در آزمایشگاه آب، کالیبراسیون تجهیزات و استفاده از استانداردهای ISO/IEC 17025 ضروری است.
جمع‌بندی
اندازه‌گیری اکسیژن محلول در آب یک روش حساب‌شده برای ارزیابی کیفیت منابع آبی و اطمینان از سلامت اکوسیستم‌هاست. این پارامتر، هم در مدیریت منابع طبیعی و هم در مصارف صنعتی و آزمایشگاهی جایگاهی حیاتی دارد. با انتخاب روش مناسب، رعایت اصول نمونه‌برداری و توجه به عوامل محیطی، می‌توان داده‌هایی دقیق و کاربردی به دست آورد. بنابراین:
پایش مداوم DO کیفیت آب را برای استفاده‌های انسانی و صنعتی تضمین خواهد کرد.
سوالات متداول (FAQ)
۱. حد مطلوب اکسیژن محلول برای آب آشامیدنی چقدر است؟
بیش از ۵ میلی‌گرم بر لیتر برای آب‌های آشامیدنی و زیستگاه ماهیان توصیه می‌شود.
۲. پایین بودن اکسیژن محلول چه پیامدی دارد؟
باعث مرگ ماهیان، کاهش کیفیت آب و ایجاد بو و طعم نامطلوب می‌شود.
۳. بهترین روش برای پایش میدانی چیست؟
پروب‌های الکتروشیمیایی و نوری به دلیل سرعت و سهولت، گزینه مناسب‌تری برای میدانی هستند.
منابع:
https://www.horiba.com/int/water-quality/support/electrochemistry/the-story-of-dissolved-oxygen/methods-for-measuring-dissolved-oxygen-levels/
https://atlas-scientific.com/blog/how-to-test-dissolved-oxygen-in-water/?srsltid=AfmBOopSTwX7p3HOIZkiT0qRqHL81Kbp61YI3QJdizW4RsASo5Zjszo2
https://helcom.fi/wp-content/uploads/2019/08/Guidelines-for-sampling-and-determination-of-dissolved-oxygen.pdf
