Aveces hay demasiadas opciones y es difícil decidir qué producto es el adecuado para su aplicación. El oxígeno disuelto es un parámetro muy importante en muchas aplicaciones, como el tratamiento de agua y aguas residuales, la acuicultura, la industria y el control medioambiental. Principalmente distinguimos entre dos métodos de medición, que incluyen el método amperométrico o electroquímico y el método óptico.  Ambos métodos tienen una razón de existir, pero para diferentes aplicaciones y rangos de concentración. En este artículo, explicaremos los fundamentos del oxígeno disuelto y discutiremos las ventajas y desventajas de ambos métodos de medición en agua o en medios líquidos.

Conceptos básicos sobre el oxígeno disuelto (OD)

El aire seco se compone de 78,08 % nitrógeno, 20,95 % oxígeno, 0,93 % argón, 0,04 % dióxido de carbono y pequeñas cantidades de otros gases. Los humanos necesitamos un cierto porcentaje de oxígeno (>6%) en el aire para respirar y sobrevivir. Si no hay suficiente oxígeno nuestros órganos fallan y nuestro cuerpo se agota. 

Lo mismo es válido para los peces y otras formas de vida acuática. El oxígeno se disuelve en fluidos como gas disuelto. Se alcanza un estado de equilibrio cuando la presión parcial de oxígeno, es decir, la parte de la presión total causada por el oxígeno es la misma tanto en el aire como en el fluido. Entonces el fluido se satura de oxígeno. En relación a la corrección físico-química cabe agregar que la presión parcial en el fluido es la fugacidad.

Figura 1. Principio de presión parcial y estado de equilibrio del aire y el agua.

El agua puede disolver más oxígeno a una tasa alta de presión barométrica que en condiciones de baja presión barométrica. A medida que aumenta la temperatura, aumenta la presión del vapor de agua, es decir, disminuye la presión parcial del oxígeno. Para enfatizar este impacto aquí hay una comparación entre 20 °C y 40 °C a una presión barométrica de 1013 hPa. Mientras que a 20 °C se disuelven 9,09 mg/l de oxígeno en agua, a 40 °C la cantidad es sólo de 6,41 mg/l. El cambio de volumen relacionado con el cambio de temperatura depende del fluido examinado. 

En el caso del agua, este efecto desempeña un papel secundario y insignificante. El efecto de los materiales disueltos es algo diferente. Pueden reducir y aumentar la solubilidad del oxígeno. Un contenido de sal (cloruro de sodio) del uno por ciento en el agua conduce a una concentración de saturación de 8,54 mg/l en lugar de 9,09 mg/l a 20 °C. Los materiales orgánicos, por el contrario, normalmente aumentan la absorción de oxígeno en el agua. La concentración máxima de saturación aumenta con la proporción de sustancia orgánica. El etanol puro, por ejemplo, disuelve 40 mg/l de oxígeno. Además, las plantas acuáticas también pueden liberar oxígeno durante la fotosíntesis.

Como resultado, puede producirse una sobresaturación de oxígeno. Por el contrario, durante la descomposición natural de sustancias orgánicas en el agua, el oxígeno es consumido por los microorganismos y por la respiración de animales y plantas. Esto puede provocar el agotamiento del oxígeno en el cuerpo de agua. Un contenido de oxígeno inferior a 3 mg/l se considera un "valor crítico para los peces" y es tóxico para los peces. El parámetro de medición del oxígeno disuelto se abrevia DO o DO (sin puntos); a veces simplemente se utiliza oxígeno según su fórmula química O2.

La determinación electroquímica del oxígeno disuelto en medios líquidos.

La base para la determinación electroquímica de la concentración de oxígeno son sensores electroquímicos recubiertos de membrana. Los componentes principales del sensor son la membrana permeable al oxígeno, el electrodo de trabajo, el contraelectrodo, la solución electrolítica y potencialmente un electrodo de referencia (Fig. 2). Entre el cátodo de oro y el ánodo, que está hecho de plomo o plata, hay un voltaje que hace que el oxígeno reaccione electroquímicamente. Cuanto mayor es la concentración de oxígeno, mayor es la corriente resultante. El parámetro medido es la corriente en el sensor, que después de una calibración se puede convertir en la concentración de oxígeno disuelto. 

Si el ánodo es de plata, el medidor suministra la tensión necesaria (sensor amperométrico). Si el ánodo es de plomo, se trata de un sensor autopolarizado, es decir, la tensión se genera a través de los dos electrodos del propio sensor, del mismo modo que una batería (sensor galvánico). El medidor sólo evalúa la corriente. En el caso de la determinación electroquímica de oxígeno tienen lugar las siguientes reacciones de electrodos (Fig. 2).

El oxígeno se reduce en el cátodo:

O 2 + 2 H 2 O + 4 mi - → 4 OH -

Aquí “el cátodo suministra electrones” y el oxígeno que se ha difundido a través de la membrana reacciona con los iones de hidróxido de agua.

Figura 2. El principio de las reacciones de los electrodos. 

El metal del electrodo se oxida en el ánodo, con lo que se liberan los electrones necesarios para la reacción del cátodo.

Las reacciones que tienen lugar son:

Ag → Ag + + e -      

o

Pb → Pb 2+ + 2 mi -

Las ecuaciones de las reacciones anódicas resaltan el efecto de la solución electrolítica. Los componentes de la solución electrolítica unen los iones metálicos que resultan de las reacciones anódicas. Las soluciones de electrolitos deben ser adecuadas para el tipo de electrodo. Los sensores amperométricos de oxígeno como el TriOxmatic ® requieren una solución ELY/N.

Ag + + Br - → AgBr ↓    

o

Pb 2+ + 2 OH - → 2 Pb(OH) 2 ↓

Pb(OH) 2 → PbO + H2O

Las sustancias resultantes, poco solubles, evitan también la formación de una capa de plomo o plata; la contaminación es una capa biológica del cátodo de oro que se produciría si no se capturaran los iones.

Los sensores amperométricos pueden funcionar como una celda de tres electrodos con un electrodo adicional de plata/bromuro de plata. Ya no tienen ánodo en el sentido tradicional. Uno de los electrodos de plata/bromuro de plata asume la función de contraelectrodo (disipación de corriente) y el otro la función de electrodo de referencia independiente. Éste consume menos corriente y muestra una constancia de potencial fundamentalmente mejor que un electrodo convencional.

La determinación óptica del oxígeno disuelto en medios líquidos.

Una tecnología más reciente para la determinación de oxígeno disuelto es la medición óptica. [2] Un sensor para medición óptica también se describe como optodo. Los optodos equipados con tintes especiales muestran reacciones ópticas mensurables cuando entran en contacto con moléculas específicas. No se produce una conversión de masa y energía como, por ejemplo, en las células de Clark. Es sólo una conversión de energía porque un haz de luz incidente de una determinada longitud de onda se transforma en luz de una longitud de onda más larga y con otras propiedades que la luz original. Este tipo de reacción se conoce como fluorescencia (Fig. 3). 

Como parte de esto, las moléculas de tinte son excitadas por la luz. Al regresar al estado fundamental, la energía absorbida se emite en forma de luz con longitudes de onda cambiadas (más grandes). Hay sustancias que, dependiendo de su concentración, influyen de forma mensurable en este mecanismo. Estos son los llamados extintores. Esto significa que estos materiales absorben la energía del estado excitado, de modo que el tinte ya no puede emitir luz fluorescente y, por lo tanto, se "extingue". La intensidad de la luz fluorescente disminuye cuanto mayor es la concentración de la molécula extintora.

Este contexto se describe básicamente en la ecuación de Stern-Volmer:

Aquí I 0 es la intensidad de la luz sin el extintor, I la intensidad con el extintor en una concentración correspondiente, k SV la constante de Stern-Volmer y c Q la concentración del extintor. En este contexto también es interesante que no sólo la intensidad sino también la disminución temporal de la luz fluorescente después de la excitación continúe comportándose de manera correspondiente a la ecuación de Stern-Volmer .

Figura 3. Excitación de luminiscencia usando luz de longitud de onda corta (verde aquí),emisión de un haz fluorescente rojo y, por tanto, de baja energía.

       Figura 4. Representación simplificada del estímulo modulado y haz de fluorescencia emitido.

¿Qué significa esto para la medición de oxígeno disuelto? Hay colorantes que se excitan con la luz visible y reaccionan con el oxígeno con una alta selectividad. Las moléculas de oxígeno sirven como extintores descritos anteriormente. Extinguen o modifican la luz resultante del tinte en función de la presión parcial de oxígeno. Con este colorante se pueden producir membranas adecuadas para la medición de oxígeno en fluidos o gases.

Los LED sirven como fuente de luz. La excitación de la fluorescencia se produce de forma modulada (Fig. 4). La luz emitida por el tinte en la membrana se detecta, se convierte en una señal eléctrica y se convierte en una señal de oxígeno.

Gráfico verde: luz irradiada periódicamente.
Gráfico rojo: luz emitida por el tinte en una fase desplazada como resultado del cambio en la relación de desintegración.