O comportamento dos gases disoltos en líquidos é unha área de estudo curiosa e extensa, e que xoga un papel fundamental en aplicacións desde a investigación farmacéutica ata a produción de bebidas.Na disciplina da enxeñaría química, pásase moito tempo durante os cursos de enxeñaría de procesos centrándose nas leis e relacións que rexen o comportamento dos sistemas líquido/gas en condicións ambientais moi variables.Neste consello técnico, comentamos como se relaciona a lei de Henry co funcionamento dos sensores ópticos de osíxeno Ocean Insight.
Sensores ópticos de osíxeno Ocean Insight
Os sistemas de sensor de osíxeno NeoFox detectan a presión parcial de osíxeno no ambiente e fano mediante un método de cambio de fase de fluorescencia.Un colorante especial está incrustado nunha matriz de sol-xel de película fina e recuberto na punta dunha sonda de fibra óptica ou parche autoadhesivo, e úsase un LED azul para excitar a fluorescencia do colorante (Figura 1).
Os aspectos desta fluorescencia son monitorizados polo detector e compórtanse en función da presión parcial do osíxeno e da temperatura.Dado que o sistema responde unicamente á presión parcial do osíxeno, hai que coñecer varios parámetros sobre o sistema ao converterse en unidades de osíxeno disolto.
William Henry formulou unha lei clave en 1803, que di: “A unha temperatura constante, a cantidade dun determinado gas que se disolve nun determinado tipo e volume de líquido é directamente proporcional á presión parcial dese gas en equilibrio con ese líquido. ”
Basicamente, isto indica que a presión parcial dun gas nun sistema gas/líquido de dúas fases equilibrarase ao mesmo nivel en cada fase, o que é un concepto intuitivo.Non obstante, as unidades de osíxeno disolto adoitan indicarse en mg/L (ou ppm), un valor que cambiará segundo o tipo de líquido e as súas propiedades, como a salinidade, a pesar de ter a mesma presión parcial.Como pode ser isto?Isto non é tan intuitivo e require unhas matemáticas intelixentes para facer a conversión adecuada.
Algoritmos de conversión de detección de osíxeno
A medición do osíxeno disolto na auga do mar é un bo exemplo para ilustrar a lei de Henry xa que é unha aplicación común que permite varias dilucións da súa salinidade.A 20 °C, a auga do mar equilibrarase no aire (20,9 % de osíxeno) ata 7,2 mg/L, mentres que a auga doce pura equilibrarase ata 9,1 mg/L lixeiramente;sen sal presente hai máis potencial de carga de gas na fase líquida. Pero as dúas presións parciais son idénticas, equilibrándose a 0,209 atm de osíxeno (a 1 atm de presión total).Os sensores de osíxeno Ocean Insight non serían capaces de diferenciar estas dúas solucións; un informe preciso do valor en mg/L requiriría coñecemento da salinidade e temperatura de cada solución.Podemos demostralo observando varias concentracións de osíxeno burbullados a través de diferentes dilucións de auga de mar e observando como responden as sondas de osíxeno NeoFox.
Sistemas abertos vs. pechados
O sistema de sensor de osíxeno NeoFox usa unha matriz de calibración multipunto nun rango de presións parciais de osíxeno e temperaturas.O sistema utiliza esta matriz para corrixir as flutuacións de temperatura no sistema.
Na fase gaseosa isto é válido e mesmo necesario para medicións correctas;se a temperatura aumenta 10 °C e a presión parcial de osíxeno permanece igual, o sistema experimentará unha caída no valor tau (duración de vida da fluorescencia), pero tamén detectará o delta de temperatura e seguirá producindo o mesmo valor de presión parcial de osíxeno.
Se a matriz de calibración multipunto se usa en fase líquida nun sistema aberto, aquel que é libre de equilibrarse co ambiente en fase gas que o rodea, isto tamén será válido xa que a conversión de presión parcial farase como estaba en a fase gaseosa.Ademais, a conversión posterior da unidade de osíxeno disolto axustarase en función da temperatura, xa que os mg/L de osíxeno poden cambiar libremente coa fase gasosa por riba.Porén, nun sistema pechado, as cousas non son tan sinxelas.Se tiveses un recipiente de 1 L de auga perfectamente selado cun nivel de osíxeno non próximo á saturación (por exemplo, 2 mg/L) e sen ningún gas no recipiente, un cambio de temperatura provocaría un cambio falso nas unidades de osíxeno disolto informadas. .No noso sistema aberto, cando cambiaba a temperatura o líquido podía intercambiar libremente osíxeno co medio ambiente, e as matemáticas de conversión explicaban este cambio en mg/L.Non obstante, no noso sistema pechado, que non pode interactuar co medio ambiente, un cambio de temperatura tamén provocaría a conversión matemática para informar dun cambio en mg/L, aínda que sabemos que aínda temos os nosos 2 mg de osíxeno no noso recipiente de 1 L. .A solución máis sinxela neste escenario é non permitir que a conversión secundaria (presión parcial a mg/L) teña en conta o cambio de temperatura e, en cambio, só permita a primeira conversión (tau a presión parcial) para compensar a temperatura. Este enfoque , porén, asume que o usuario coñece o verdadeiro valor do osíxeno no sistema pechado a algunha temperatura inicial;entrar a este tipo de conversión de sistema pechado sen a adecuada
Os puntos iniciais dificultan moito, se non imposible, calculalos.
Conclusións
Ocean Insight mellora continuamente a forma en que os nosos sensores de osíxeno procesan e informan os datos ao usuario, para que os valores sexan o máis válidos e precisos posible.
Recursos útiles
• Táboas de solubilidade do osíxeno disolto do US Geological Survey.
• Táboas do US Geological Survey dos valores de saturación de osíxeno disolto.
Hora de publicación: 26-mar-2022