溶解氧：理論與實踐入門

氧氣是大多數生命活動的物質，也是大量自然過程和工業過程中的關鍵元素。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，氧也是地殼中含量最高的元素之一。

對水質分析來說，氧氣關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、微生物活動以及許多生物化學反應。因此，理解溶解氧測量時涉及的幾個核心參數，對實際監測非常重要。

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因素影響：

1. 空氣中氧氣的分壓；

2. 液體溫度。

溶解氧測量本質上是一種分壓測量。處于平衡狀態時，溶液中溶解氧所對應的壓力，與液面上方空氣中的氧分壓相關。在物理化學中，這也可聯系到氣體逸度的概念。

以海平面附近的標準大氣壓 1013 hPa 估算，干燥空氣中氧氣約占 21%，對應氧分壓約為 212 hPa。但在實際水面上方，還需要考慮水蒸氣分壓；例如在 20°C 時，氧分壓約為 207 hPa。

在溶解氧測量中，氧分壓是基礎變量。實踐中常見的氧飽和度和氧濃度，都可以由它進一步推導。

氧飽和度

在水和水溶液測量中，氧飽和度通常指相對于空氣的飽和度。也就是說，把實際測得的氧分壓，與在當前氣壓和水蒸氣分壓修正后理論上可達到的氧分壓進行比較。

公式中的主要變量含義：

• X_O2：氧氣摩爾分數；

• p_w：水蒸氣分壓；

• p_A：實際大氣壓；

• p_O2：氧分壓。

因為氧飽和度只依賴分壓關系，所以在探頭材料具備化學兼容性的前提下，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，也與液體本身溶解氣體的能力有關。

公式中的主要變量含義：

• c：氧濃度；

• X_O2：氧氣摩爾分數；

• p_A：實際大氣壓；

• p_w：水蒸氣分壓；

• M_O2：氧氣摩爾質量；

• p_0：標準大氣壓，通常取 1013 hPa；

• V_M：氧氣摩爾體積；

• α：本生吸收系數，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。由于本生吸收系數取決于溶劑和溫度，某些儀器系統中的氧濃度計算通常限定為水中測量；對于其他液體，可能無法直接輸出可靠濃度值。

關鍵結論

1. 溶解氧首先受液面上方空氣中氧分壓控制。達到飽和時，溶液內外對應的氧分壓處于平衡關系。

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系，氧濃度則進一步引入液體溶解能力等因素。

選擇合適的氧傳感器

在實際應用中，選擇溶解氧傳感器時通常需要關注測量介質、溫度范圍、化學兼容性、響應速度、校準方式以及目標輸出參數。Xylem Analytics 在原文中提供了關于溶解氧參數和相關產品的入口：