溶解氧：理论与实践入门

氧气是大多数生命活动的物质，也是大量自然过程和工业过程中的关键元素。它通常以无色、无味气体的形式存在，约占地球大气的 21%。从元素丰度看，氧也是地壳中含量最高的元素之一。

对水质分析来说，氧气关注的特性不是它在空气中的含量，而是它在液体中的溶解能力。尤其在水和水溶液中，溶解氧直接影响水生生物、微生物活动以及许多生物化学反应。因此，理解溶解氧测量时涉及的几个核心参数，对实际监测非常重要。

氧分压

氧气和许多气体一样，可以溶解在液体中。它的溶解程度主要受两个因素影响：

1. 空气中氧气的分压；

2. 液体温度。

溶解氧测量本质上是一种分压测量。处于平衡状态时，溶液中溶解氧所对应的压力，与液面上方空气中的氧分压相关。在物理化学中，这也可联系到气体逸度的概念。

以海平面附近的标准大气压 1013 hPa 估算，干燥空气中氧气约占 21%，对应氧分压约为 212 hPa。但在实际水面上方，还需要考虑水蒸气分压；例如在 20°C 时，氧分压约为 207 hPa。

在溶解氧测量中，氧分压是基础变量。实践中常见的氧饱和度和氧浓度，都可以由它进一步推导。

氧饱和度

在水和水溶液测量中，氧饱和度通常指相对于空气的饱和度。也就是说，把实际测得的氧分压，与在当前气压和水蒸气分压修正后理论上可达到的氧分压进行比较。

公式中的主要变量含义：

• X_O2：氧气摩尔分数；

• p_w：水蒸气分压；

• p_A：实际大气压；

• p_O2：氧分压。

因为氧饱和度只依赖分压关系，所以在探头材料具备化学兼容性的前提下，也可用于非水液体中的近似判断。

氧浓度

氧浓度描述的是液体中实际溶解了多少氧。亨利定律用于描述气体在液体中的溶解度，它不仅与气体分压有关，也与液体本身溶解气体的能力有关。

公式中的主要变量含义：

• c：氧浓度；

• X_O2：氧气摩尔分数；

• p_A：实际大气压；

• p_w：水蒸气分压；

• M_O2：氧气摩尔质量；

• p_0：标准大气压，通常取 1013 hPa；

• V_M：氧气摩尔体积；

• α：本生吸收系数，受溶剂类型和温度影响。

在 20°C、1013 hPa 条件下，氧气在水中的溶解度可参考约 9.18 mg/L。由于本生吸收系数取决于溶剂和温度，某些仪器系统中的氧浓度计算通常限定为水中测量；对于其他液体，可能无法直接输出可靠浓度值。

关键结论

1. 溶解氧首先受液面上方空气中氧分压控制。达到饱和时，溶液内外对应的氧分压处于平衡关系。

2. 溶解氧浓度不仅取决于氧分压，还受温度和溶液种类影响。

3. 氧饱和度更接近分压关系，氧浓度则进一步引入液体溶解能力等因素。

选择合适的氧传感器

在实际应用中，选择溶解氧传感器时通常需要关注测量介质、温度范围、化学兼容性、响应速度、校准方式以及目标输出参数。Xylem Analytics 在原文中提供了关于溶解氧参数和相关产品的入口：