溶解氧：理論與實(shí)踐入門

氧氣是大多數(shù)生命活動(dòng)的物質(zhì)，也是大量自然過程和工業(yè)過程中的關(guān)鍵元素。它通常以無色、無味氣體的形式存在，約占地球大氣的 21%。從元素豐度看，氧也是地殼中含量的元素之一。

對(duì)水質(zhì)分析來說，氧氣關(guān)注的特性不是它在空氣中的含量，而是它在液體中的溶解能力。尤其在水和水溶液中，溶解氧直接影響水生生物、微生物活動(dòng)以及許多生物化學(xué)反應(yīng)。因此，理解溶解氧測(cè)量時(shí)涉及的幾個(gè)核心參數(shù)，對(duì)實(shí)際監(jiān)測(cè)非常重要。

氧分壓

氧氣和許多氣體一樣，可以溶解在液體中。它的溶解程度主要受兩個(gè)因素影響：

1. 空氣中氧氣的分壓；

2. 液體溫度。

溶解氧測(cè)量本質(zhì)上是一種分壓測(cè)量。處于平衡狀態(tài)時(shí)，溶液中溶解氧所對(duì)應(yīng)的壓力，與液面上方空氣中的氧分壓相關(guān)。在物理化學(xué)中，這也可聯(lián)系到氣體逸度的概念。

以海平面附近的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓 1013 hPa 估算，干燥空氣中氧氣約占 21%，對(duì)應(yīng)氧分壓約為 212 hPa。但在實(shí)際水面上方，還需要考慮水蒸氣分壓；例如在 20°C 時(shí)，氧分壓約為 207 hPa。

在溶解氧測(cè)量中，氧分壓是基礎(chǔ)變量。實(shí)踐中常見的氧飽和度和氧濃度，都可以由它進(jìn)一步推導(dǎo)。

氧飽和度

在水和水溶液測(cè)量中，氧飽和度通常指相對(duì)于空氣的飽和度。也就是說，把實(shí)際測(cè)得的氧分壓，與在當(dāng)前氣壓和水蒸氣分壓修正后理論上可達(dá)到的氧分壓進(jìn)行比較。

公式中的主要變量含義：

• X_O2：氧氣摩爾分?jǐn)?shù)；

• p_w：水蒸氣分壓；

• p_A：實(shí)際大氣壓；

• p_O2：氧分壓。

因?yàn)檠躏柡投戎灰蕾嚪謮宏P(guān)系，所以在探頭材料具備化學(xué)兼容性的前提下，也可用于非水液體中的近似判斷。

氧濃度

氧濃度描述的是液體中實(shí)際溶解了多少氧。亨利定律用于描述氣體在液體中的溶解度，它不僅與氣體分壓有關(guān)，也與液體本身溶解氣體的能力有關(guān)。

公式中的主要變量含義：

• c：氧濃度；

• X_O2：氧氣摩爾分?jǐn)?shù)；

• p_A：實(shí)際大氣壓；

• p_w：水蒸氣分壓；

• M_O2：氧氣摩爾質(zhì)量；

• p_0：標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，通常取 1013 hPa；

• V_M：氧氣摩爾體積；

• α：本生吸收系數(shù)，受溶劑類型和溫度影響。

在 20°C、1013 hPa 條件下，氧氣在水中的溶解度可參考約 9.18 mg/L。由于本生吸收系數(shù)取決于溶劑和溫度，某些儀器系統(tǒng)中的氧濃度計(jì)算通常限定為水中測(cè)量；對(duì)于其他液體，可能無法直接輸出可靠濃度值。

關(guān)鍵結(jié)論

1. 溶解氧首先受液面上方空氣中氧分壓控制。達(dá)到飽和時(shí)，溶液內(nèi)外對(duì)應(yīng)的氧分壓處于平衡關(guān)系。

2. 溶解氧濃度不僅取決于氧分壓，還受溫度和溶液種類影響。

3. 氧飽和度更接近分壓關(guān)系，氧濃度則進(jìn)一步引入液體溶解能力等因素。

選擇合適的氧傳感器

在實(shí)際應(yīng)用中，選擇溶解氧傳感器時(shí)通常需要關(guān)注測(cè)量介質(zhì)、溫度范圍、化學(xué)兼容性、響應(yīng)速度、校準(zhǔn)方式以及目標(biāo)輸出參數(shù)。Xylem Analytics 在原文中提供了關(guān)于溶解氧參數(shù)和相關(guān)產(chǎn)品的入口：