HomeРазноеКак кислород растворяется в воде: Растворимость в воде кислорода

Как кислород растворяется в воде: Растворимость в воде кислорода

Содержание

Какова растворимость газов в воде? — FAQ

Нам известно, что газы могут растворяться в воде. Рыбы дышат растворенным в воде кислородом, морским водорослям растворенный в воде углекислый газ необходим для реакции фотосинтеза – а нам нравится, когда в напитках присутствует шипучий CO2. В данной таблице приводятся коэффициенты растворимости (в литрах газа на литр вода при давлении 1 бар и температуре 20 °C), которые являются критерием растворимости отдельных газов в воде:

ГАЗКОЭФФ.РАСТВОРИМОСТИ
Метиламин757
Аммиак685
Бромистый водород532
Хлористый водород448
Метилхлорид317
Триметиламин180
Диметиламин118
Диоксид серы39
Диметилэфир35
Метилмеркаптан11
Метилвинилэфир3,86
Сероводород2,59
Хлор2,26
Этиленоксид1,89
Винилхлорид1,07
Ацетилен1,04
Диоксид углерода0,879
Динитроген моноксид0,665
Арсин0,23
Пропилен0,23
1,3-Бутадиен0,202
Этилен0,119
Оксид азота0,048
Этан0,043
Пропан0,039
Аргон0,034
n-Бутан0,034
Метан0,033
i-Бутан0,033
Кислород0,031
Оксид углерода0,023
Водород0,018
Азот0,016
Гелий0,0083
Гексафторид серы 0,0056
Тетрафторметан0,0038

Растворимость – это такой баланс, при котором количество растворенного газа пропорционально парциальному давлению в газообразной фазе над поверхностью воды. Если нам известно атмосферное давление и соответствующая концентрация газа, то можно вычислить максимальную концентрацию растворенного в воде газа, умножив значение парциального давления газа на указанный в таблице коэффициент растворимости:

20.9 об. % кислорода с атмосферным давлением 1000 мбар создают парциальное давление 0.209 бар O2, таким образом, 1 литр воды содержит 0.031 ∗ 0.209 = 0.00648 литра или 6.5 мл кислорода. Азот (парциальное давление 0.791 бар N2) растворяется хуже, 1 л воды содержит 0.016 ∗ 0.791 = 0.01266 л или 12.7 мл азота. В воде у нас 34 об. % кислорода. Рыбы этим довольны.

Газированная вода производится посредством растворением в воде CO2 под давлением 2 бара. Можно вычислить содержание CO2, оно составляет 0.879 ∗ 2 = 1.75 л CO2, растворенных в 1 л воды.

Как вы видите, некоторые газы растворяются в воде очень быстро и очень эффективно. Именно поэтому в качестве мер безопасности широко распространено использование водяных распылителей и “водяных завес”, например, для снижения угрозы здоровью при выбросах значительных объемов аммиака или HCl.

Помните, что растворимость зависит от температуры. Чем выше температура воды, тем меньше газа можно в ней растворить. По этой причине для растворения загрязняющих газов в воздухе их пропускают сквозь холодную воду, тогда как при нагревании происходит десорбция и высвобождение растворенных в воде газов (часто этому способствует падение давления).

Тонкий слой водяного конденсата на входном отверстии электрохимического сенсора может создать определенные проблемы, растворяя, например, h3S или Nh4, в результате этого уменьшаются показания сенсора.

Отсюда вывод: избегайте образования конденсата!

Растворённый кислород | Чиос фильтры

Растворенный кислород не совпадает с кислородом, содержащимся в молекуле воды. Кислород проникает в воду за счет диффузии из окружающего воздуха, при аэрации, и в качестве побочного продукта фотосинтеза.

В то время как воздух на 21% состоит из кислорода, содержание кислорода в воде только 0,001%! Растворенный кислород измеряется или в миллиграммах на литр (мг/л) или в процентах насыщения. Количество кислорода в литре воды определяется как миллиграммы на литр.

Живым организмам в озерах, реках, ручьях и океанах нужен кислород, чтобы выжить. Поэтому с биологической точки зрения уровень кислорода является гораздо более важным показателем качества воды, чем бактерии кишечной группы. Кроме того, кислород влияет на огромное количество других показателей воды, не только биохимических, но и органолептических, таких как запах, прозрачность и привкус. Таким образом, кислород, пожалуй, один из основных показателей качества воды.

Адекватное количество растворенного кислорода необходимо для хорошего качества воды.

 

Кислород является необходимым элементом для всех форм жизни. Когда доля растворенного кислорода в объеме воды ниже 5,0 мг/л, жизнь организмов,  обитающих в воде, ставится под угрозу. Уровень кислорода, не превышающий значение           1-2 мг/л, в течение нескольких часов может привести к смерти крупной рыбы.

Количество растворенного кислорода в воде может зависеть от температуры (больше кислорода в холодной воде), давления (больше кислорода растворится в воде при большем давлении) и солености (больше кислорода в воде низкой солености). Распад органического материала в воде, вызванный или химическими процессами, или действием микробов в неочищенных сточных водах, или мертвой растительностью может серьезно снизить концентрацию растворенного кислорода. «Отработанная» вода, сбрасываемая в открытые источники после охлаждения оборудования на производствах или электростанциях, повышает температуру воды и снижает содержание кислорода.

Количество кислорода растворенного воде в вашем водоснабжении, будет зависеть от нескольких факторов:

  • Аэрация воды — под высоким давлением сравнительно большее количество кислорода растворяется в воде.

  • Минеральный состав воды — количество минералов в воде влияет на его способность растворять кислород. Дистиллированная вода поглощает больше кислорода, чем вода с высоким содержанием минеральных солей.

  • Избыточные питательные вещества приводят к проблеме, известной как «цветение». Это приводит к чрезмерному разрастанию водорослей, что ограничивает поступление солнечного света. Растения умирают без солнечного света, что увеличивает процесс разложения и уменьшает количество растворенного кислорода  в воде.

  • Вода из подземных источников обычно содержит меньше растворенного кислорода, чем вода из поверхностных источников.

К сожалению, именно жизнедеятельность человека сильно влияет на снижение количества растворенного кислорода. Строительство плотин замедляет поток воды, уменьшая аэрацию, и увеличивая температуру.

Отходы деятельности человека несут в себе большое количество поглощающих кислород бактерий. Удобрения, попадающие в воду, приводят к цветению.

Есть как положительные, так и отрицательные моменты, содержания растворенного кислорода в питьевой воде. 

  • Растворенный кислород предотвращает химическую реакцию и выщелачивание железа и марганца из осадков в источнике воды, которые, в противном случае, оставляют следы на сантехнике и вызывают вкусовые проблемы. 

  • Кислород облегчает биохимическое окисление аммиака в нитраты, снижает  потребность  в хлорировании воды и повышает эффективность дезинфекции. Кроме того, высокий уровень растворенного кислорода в целом считается более приемлемым для воды, поскольку кислород добавляет вкус воде, по этой причине небольшое присутствие растворенного кислорода желательно в питьевой воде.

  • Несмотря на эту желательную особенность, растворенный кислород может быть источником серьезных неприятностей в хозяйственно-питьевом водоснабжении. Дело в том, что кислород вызывает коррозию, особенно в горячей воде и старых чугунных системах водоснабжения.

Наличие естественного уровня растворенного кислорода в воде особенно нежелательно для промышленных предприятий по следующим причинам:

  • Кислород повышает коррозию в металлических трубах и соответствующего оборудования, в частности, в системах отопления и системах охлаждения. Эти коррозионные эффекты существенно активизируются при низком значении рН.

  • Кислород способствует размножению различных организмов и образованию слизи.

  • Кислород препятствует ряду химических реакций и может привести в браку в некоторых отраслях производства, например, целлюлозно-бумажной.

Ряд химических веществ используются в промышленности для удаления кислорода из водоснабжения. Сульфит натрия наиболее широко используется для этой цели. Он вступает в реакцию с кислородом при высоких температурах с образованием сульфата натрия, таким образом, уменьшая количество кислорода. Для бытовых целей чаще  используют полифосфаты, чтобы создать пленку на внутренностях водовода для защиты металла от контакта с кислородом.

Количество растворенного в воде кислорода показывает содержание газообразного кислорода (O2) в водном растворе. Растворенный кислород измеряют или с помощью метода Винклера, или с помощью измерителя и зонда. При определении количества растворенного кислорода существует ряд требований к  месту и процессу взятия проб. Специфичность также заключается в том, что анализ лучше всего проводить сразу же после забора образцов, поэтому этот анализ чаще выполняют на месте.

Кислород растворимость в воде — Справочник химика 21

    Растворенный кислород. Растворимые в воде газы определяются при характеристике воды на коррозийные свойства по отношению к металлу и бетону, а также в воде, используемой в паросиловом хозяйстве. Кислород попадает в воду из воздуха, а также может образоваться в результате жизнедеятельности зеленых растений, населяющих близкие к поверхности слои воды. Растворимость чистого кислорода, выделяемого зелеными растениями, в пять раз больше, чем растворимость кислорода из воздуха, в котором содержание этого газа составляет лишь 21%, так как растворимость кислорода в воде обусловливается его парциальным давлением. [c.133]
    Адреналиновый метод разработан для определения содержания кислорода в воде. Водно-щелочные растворы адреналина практически не люминесцируют в ультрафиолетовых лучах. Малейшие следы кислорода вызывают разгорание яркой желто-зеленой люминесценции, цвет и интенсивность которой устойчивы во времени и пропорциональны концентрации адреналина. Интенсивность люминесценции растворов с одинаковой концентрацией адреналина пропорциональна количеству содержащегося в них кислорода. Определение выполняется в атмосфере азота. Концентрация щелочи должна быть не ниже 25%, так как в противном случае реакция окисления адреналина не остановится на стадии окисления кислородом, растворимым в воде, а пойдет дальше за счет кислорода воздуха. [c.331]

    У кислорода растворимость в воде большая, чем у водорода (при 20 в литре воды растворяется 18 мл водорода, а кислорода — 31 мл). Чтобы избежать ошибок, перед демонстрацией раствор следует насытить водородом и кислородом. Для этого открывают краны и прибор включают минут на десять. [c.49]

    Вторая группа специфических гумусовых веществ — фульвокислоты — изучена значительно слабее. Согласно исследованиям И. В. Тюрина, они являются высокомолекулярными оксикарбоновыми кислотами, содержащими азот. От гуминовых кислот отличаются светлой окраской,, меньшим количеством углерода и большим содержанием кислорода, растворимостью в воде и минеральных кислотах и более значительной способностью к кислотному гидролизу. [c.96]

    В одном из исследовательских институтов было проведено широкое обсуждение свойств водных растворов некаля (физических, химических и биохимических) по алкиларилсульфонату некаля сопротивления его против окисления влияния кислорода, растворимого в воде, на рост бактерий и органических веществ, на биохимические процессы, органолептические свойства [c. 169]

    В качестве двухатомных спиртов чаще других используют этиленгликоль, диэтиленгликоль, пропиленгликоль-1,2. Глйколи внутренне пластифицируют полиэфиры. Кроме того, с увеличением длины их жирной цепи уменьшается реакционная способность и повышается эластичность полиэфиров. Однако полигликоли (например, гептаэтиленгликоль с длинной цепью, содержащей много атомов кислорода) растворимы в воде, это сильно снижает вб-достойкость ненасыщенных полиэфиров. [c.108]

    Пероксид натрия выпускается про.мышленностью в виде порошка или небольших гранул диаметром —1 мм, содержащих 95% Na202. Основными примесями являются карбонат натрия и вода. В небольших количествах содержатся также соединения калия, кальция н железа 5.1560], что следует иметь в виду при определении микропримесей. Температура плавления пероксида натрия составляет 495 °С и при нагревании выше этой температуры выделяется кислород. Растворимость в воде пероксида натрия составляет 10 г в 100 мл, раствор имеет сильно щелочную реакцию. При кипячении водного раствора практически весь пероксид натрия разрушается за 30 мин [5.1561 ] разложение ускоряется платиновой чернью и диоксидом марганца.. Чикроколичества пероксида натрия разрушают перманганатом или подкислением раствора. [c.241]


    В качестве двухатомных спиртов чаше всего используют этиленгли-коль, диэтиленгликоль и пропиленгликоль. Гликоли выполняют роль внутренних пластификаторов. С увеличением длины их углеводородной цепи уменьшается реакционная способность и увеличивается эластичность олигоэфиров. Гликоли с длинной цепью (например, гептаэтилен-гликоль) с высоким содержанием атомов кислорода, растворимы в воде, что снижает водостойкость покрытий. Для увеличения реакционной способности систел1ы в некоторых случаях к гликолям добавляют многоатомные спирты — глицерин или пентаэритрит. Введение в состав [c.98]

Растворимость кислорода в пресной и соленой воде.

Растворимость кислорода в пресной и соленой воде. Диапазон давления 1-4 бара абсолютного давления.

Растворимость кислорода воздуха в пресной и соленой (морской) воде. Диапазон давления 1-4 бара абсолютного давления.

Растворимость кислорода в в смеси воздуха в пресной и соленой воде при диапазоне атмосферного давления от 1 до 4 бар абсолютного давления представлениа на диаграмме.

Соленость не везде одинаковая, она зависит от расположения и глубины. Вода, соленость которой средняя между между пресной водой и морской, соленой называется слабоминерализированной (слабоминерализованной).

Соленость воды в океанах и морях варьируется от 30 до 50 промилле (тысячных частей, pptw), в среднем 35 pptw. — 35 г растворенной соли/кг соленой воды =35 pptw =35 o/oo=3.5 %=35,000 ppmw.

 

 

Рисунок. Раствоимость кислорода в пресной и соленой воде при 1,2и 4 атм в зависимости от температуры.

Таблица. Растворимость кислорода в пресной воде. Соленость ~ 0.

 

Давление
абс

мм рт.ст.

760 1520 3040
14.7 29.3 58.7

бары

1 2 4

кПа

101. 1 202.2 404.3

Температура

Растворимость

oC

oF

μ Моль (микромоль)

мг/л

мл/л

μ Моль (микромоль)

мг/л

мг/л

μ Моль (микромоль)

мг/л

мл/л

0 32 457 14. 6 10.2 913 29.2 20.5 1823 58.4 40.9
5 41 399 12.8 9.1 798 25.5 18.2 1595 51.1 36.4
10 50 353 11.3 8.2 705 22.6 16.4 1411 45.1 32.8
15 59 315 10. 1 7.5 630 20.2 14.9 1260 40.3 29.8
20 68 284 9.1 6.8 568 18.2 13.7 1137 36.4 27.3
25 77 258 8.3 6.3 517 16.5 12.6 1034 33.1 25.3
30 86 236 7. 6 5.9 473 15.2 11.8 947 30.3 23.6
35 95 218 7 5.5 436 14 11 872 27.9 22.1
40 104 202 6.5 5.2 404 12.9 10.4 808 25.9 20.8
45 113 189 6 4. 9 375 12 9.8 751 24 16.9
50 122 177 5.6 4.6 355 11.3 9.3 710 22.7 18.7


Таблица. Растворимость кислорода в соленой (морской) воде. Соленость ~ 35.

Давление
абс

мм рт.ст.

760 1520 3040
14. 7 29.3 58.7

бары

1 2 4

кПа

101.1 202.2 404.3

Температура

Растворимость

oC

oF

μ Моль (микромоль)

мг/л

мл/л

μ Моль (микромоль)

мг/л

мг/л

μ Моль (микромоль)

мг/л

мл/л

0 32 349 11. 2 7.8 699 22.4 15.7 1399 44.8 31.3
5 41 308 9.9 7 616 19.7 14.1 1233 39 28
10 50 275 8.8 6.4 550 17.6 12.8 1099 35.2 25.6
15 59 248 7. 9 5.9 495 15.9 11.7 991 31.7 23.4
20 68 225 7.2 5.4 450 14.4 10.8 901 28.8 21.7
25 77 206 6.6 5 413 13.2 10.1 826 26.4 20.2
30 86 190 6. 1 4.7 381 12.2 9.5 761 24.4 18.9
35 95 176 5.6 4.5 353 11.3 8.9 706 22.6 17.9
40 104 165 5.3 4.2 329 10.5 8.5 658 21.1 16.9
45 113 154 4. 9 4 308 9.9 8 616 19.7 16.1
50 122 146 4.6 3.8 292 9.4 7.7 585 18.7 15.4

 

 

Растворимость воздуха в воде. Деаэрация. Закон Генри. Коэффициенты Генри для воздуха.

Растворимость воздуха в воде. Деаэрация. Закон Генри. Коэффициенты Генри для воздуха.

Количество воздуха, способного к растворению в воде — снижается при повышении температуры и повышается при повышении давления.

Деаэрация.

При нагревании пресной воды начинают формироваться воздушные пузырьки. Как известно, вода не может удерживать растворенный воздух при повышении температуры. При 1 баре и температуре 100 0C (2120F) вода закипает и тогда уже водяной пар формирует пузырьки. Если быстро охладить воду, а потом снова ее нагреть, пузырьки не появятся до тех пор пока вода не закипит. Вода деаэрирована.

Растворимость.

Растворимость воздуха может быть выражена через соотношение:

Sa = ma/ mw

где

Sa = массовая доля растворимого воздуха в воде

ma = масса воздуха (кг)

mw = масса воды (кг)

Закон Генри.

Процесс растворения воздуха в воде подчиняется закону Генри, который гласит: «При постоянной температуре растворимость газа в данной жидкости прямо пропорциональна давлению этого газа над раствором (равна давлению в растворе).» — В символьном виде закон может быть записан как:

c = k H pg

где

c = концентрация газа в растворе

k H = коэффициент Генри

pg = парциальное давление газа над раствором

Растворимость кислорода в воде выше растворимости азота. Воздух, растворенный в воде содержит приблизительно 35,6 % кислорода по сравнению с 21% долей в обычном воздухе.

Пример — Расчет количества воздуха, растворенного в воде.

Количество воздуха, растворенного в воде может быть посчитано, исходя из закона Генри.

Коэффициенты Генри при температуре окружающей среды 25oC (77oF)

* Кислород — O2 : 756.7 атм/(моль/л)

* Азот — N2 : 1600 атм/(моль/л)

Молярные веса

* Кислород — O2 : 31.9988 г/моль

* Азот — N2 : 28.0134 г/моль

Относительное содержание (по объему) в воздухе:

* Кислород — O2 : ~ 0.21

* Азот — N2 : ~ 0.79

Объем кислорода, растворенного в воде при атмосферном давлении может быть посчитан как :

co = (1 атм) 0.21 / (756.7 атм/(моль/л)) (31.9988 г/моль)

= 0.0089 г/л

~ 0.0089 г/кг

Объем азота, растворенного в воде при атмосферном давлении может быть посчитан как:

cn = (1 атм) 0. 79 / (1600 атм/(моль/л)) (28.0134 г/моль)

= 0.0138 г/л

~ 0.0138 г/кг

Поскольку воздух-это сумма кислорода и азота :

ca = (0.0089 г/л) + (0.0138 г/л)

= 0.0227 г/л

~ 0.023 г/кг

Таблица. Количество (масса) воздуха, растворенного в воде при различных давлениях и температуре 25oC (77oF):

Абсолютное давление (атм)

1

2

3

4

5

6

Объем растворенного в воде воздуха при 250C (г/кг) 0,023 0,045 0,068 0,091 0,114 0,136

 

Рисунок. Растворимость кислорода в пресной воде при 1 атм в зависимости от температуры.

 

Деаэрация

Для максимальной деаэрации вода должна быть нагрета до 2120F (1000C) при атмосферном давлении. Это обычное инженерное решение для паровых систем, где пресная вода подается в систему через нагретый деаэратор наверху конденсатоприемника.

Также обычным решением является установка деаэрационных устройств с горячей стороны теплообменника в отопительных системах для интенсификации удаления растворенного воздуха из системы.

Поскольку максимум деаэрации приходится на минимум статического давления и максимум температуры в системе, то наилучший результат деаэрации достигается в верхних точках систем относительно уровня земли и/или на входе насоса.

 

РЖА? ДОЛОЙ КИСЛОРОД! | Наука и жизнь

Наука и жизнь // Иллюстрации

На границе воды и воздуха сохраняется динамическое равновесие: часть молекул растворенных газов выходит в атмосферу и примерно столько же растворяется в воде.

При дроблении жидкости на капли удельная поверхность раздела фаз увеличивается, а расстояние, которое необходимо преодолеть молекулам газа до границы раздела, уменьшается. В результате скорость десорбции растет.

Пузырьки пара, барботируя сквозь толщу воды, перемешивают ее, а по дороге собирают молекулы газов из прилегающих областей жидкой фазы.

В деаэрационной колонке вода и пар движутся противотоком. Предварительная деаэрация производится в верхней части колонки, где реализован струйно-капельный режим течения. Окончательная деаэрация проходит внизу при барботировании пара сквозь слой воды.

В вихревых деаэраторах пузырьки газа стремятся от периферии к центру и вблизи оси цилиндрического корпуса образуют парогазовую смесь, которая через отверстие в торце аппарата выводится в атмосферу.

Корпус щелевого деаэратора состоит из двух отделений.

В первой половине прошлого века ржавчина «съедала» до 40% производимой в мире стали. Несмотря на огромные усилия ученых и инженеров по защите металлоконструкций, за сто лет эту цифру удалось снизить всего до 20%. В системе теплоснабжения проблема коррозии стоит особенно остро, ведь коммуникации проходят в основном под землей, и даже при незначительных авариях расходы на ремонт превышают прямые затраты на их профилактику в 5-20 раз. Уменьшить агрессивное действие воды можно, удалив из нее растворенные газы. В статье рассказывается о давно известных и новых методах деаэрации воды.

ДАВЛЕНИЕ И ТЕМПЕРАТУРА

Трубы и детали водонагревательных котлов особенно страдают от коррозии, поскольку высокая температура воды увеличивает скорость химических реакций. Прежде чем направить воду в систему теплоснабжения, ее необходимо деаэрировать — изъять из нее растворенные газы, в первую очередь кислород О2 и углекислый газ СО2. Деаэрацию проводят на заключительной стадии подготовки воды, когда она очищена от механических примесей и обессолена.

Работа деаэратора основана на явлениях, которые описываются законом Генри. Согласно этому закону концентрация растворенного газа пропорциональна парциальному давлению газа над поверхностью жидкости. Воздух представляет собой смесь газов, и общее давление складывается из парциальных давлений азота, кислорода, аргона и др. Чем больше в воздухе содержится того или иного газа, тем выше его парциальное давление. Например, для кислорода оно составляет 20% атмосферного. При атмосферном давлении 750 мм рт. ст. эта величина примерно равна 150 мм рт. ст., а для азота — около 580 мм рт. ст.

Как следует из закона Генри, удалить из жидкости растворенный в ней газ можно двумя способами: снизить парциальное давление газов над поверхностью жидкости и повысить ее температуру.

Для уменьшения парциального давления снижают общее давление над поверхностью. Тогда равновесие в системе газ-жидкость нарушится: из жидкости будет уходить больше молекул газа, чем растворяться в ней. Подобное явление знакомо всем, кто открывал бутылку с газированной водой и наблюдал за интенсивным выделением пузырьков.

Можно изменить состав газовой фазы. Если вместо воздуха над поверхностью жидкости будет, скажем, водяной пар, то парциальное давление остальных газов станет практически нулевым и начнется их интенсивная десорбция.

Газ интенсивно десорбируется, то есть выходит из объема жидкости при ее нагревании. Действительно, с ростом температуры кинетическая энергия молекул увеличивается и соответственно повышается давление. Равновесие нарушается, и поток молекул из жидкости становится больше, чем в обратную сторону.

Однако десорбции газов мешают два ограничения. Чем меньше остается в воде газов, тем меньше перепад давлений растворенного газа и газа над поверхностью и тем ниже скорость деаэрации. Кроме того, в газовую фазу уходят молекулы газа из приповерхностного слоя. Их место занимают молекулы, диффундирующие из глубины слоя жидкости. К сожалению, скорость диффузии невелика, и это существенно замедляет процесс. Например, в кипящей при атмосферном давлении воде концентрация кислорода через 5 мин после начала кипения составляет 100 мкг/л (примерно в 120 раз меньше начального значения), а через 20 мин — 17 мкг/л. Получается, что скорость десорбции за 25 мин снизилась в 82 раза.

Чтобы интенсифицировать процесс деаэрации, нужно увеличить площадь раздела жидкой и газовой фаз, а также перемешивать жидкость — тогда растворенные газы равномерно распределятся по ее объему.

Технически не очень сложно удалить из воды даже 90-95% растворенных газов. Но для эффективной защиты от коррозии остаточное содержание газов для котлов не должно превышать 0,08% от начального, а для теплосетей — 0,4%.

ДЕЙСТВУЮЩИЕ ЛИЦА: КАПЛИ И ПУЗЫРЬКИ

В промышленности используют несколько способов деаэрации. Чаще всего применяют появившуюся еще в начале прошлого века термическую деаэрацию при атмосферном давлении. Ее ведут в специальном устройстве — деаэрационной колонке. Снизу в колонку подают нагретый водяной пар, а сверху противотоком — воду.

Сначала вода поступает в водосливную тарелку, напоминающую большой дуршлаг. Через отверстия в днище она выливается в виде струй и отдельных капель, как в обычном душе. Двигающийся навстречу поток пара нагревает воду почти до температуры кипения. Нагрев сопровождается частичной десорбцией газов, молекулы которых уносятся с паром.

Для повышения эффективности в колонке устанавливают еще одну, промежуточную водосливную тарелку, через которую вода стекает в бак-аккумулятор. Его дно также имеет перфорацию, как и водосливные тарелки, но вода не протекает сквозь отверстия, поскольку снизу подается пар под давлением. Он пробулькивает (барботирует) сквозь слой воды, превращая ее в пену и нагревая до 102-104оС (выше точки кипения при атмосферном давлении), и часть воды испаряется, образуя так называемый выпар (до 2-3 кг на тонну деаэрируемой воды).

К сожалению, традиционные термические деаэраторы имеют недостатки. Разделение процесса на две стадии усложняет конструкцию оборудования и увеличивает материалоемкость аппаратов. Использование противотока жидкости и газа хотя и повышает эффективность деаэрации, но усложняет управление работой аппарата: при слишком большой скорости потока пара капли воды уносятся с паром на предварительной стадии деаэрации, а при слишком малой вода на барботажной стадии вытекает через отверстия в баке. Кроме того, на струйно-капельной стадии происходит обратное газонасыщение воды из-за ее контакта в верхней части колонки с выпаром, содержащим большое количество газов.

ИСКУССТВЕННЫЙ ВОДОВОРОТ

Постепенно к инженерам пришло понимание, что можно создать деаэратор на других принципах и разделить в нем процессы нагрева воды и собственно деаэрации. Идея создания аппарата нового поколения основана на том, что структура жидкости в обычных условиях обладает определенной «рыхлостью». Например, при испытаниях реальной воды на разрыв ее прочность составляет 0,1-1,0 МПа, причем разрыв происходит в местах нахождения пузырьков газа. Прочность же полностью дегазированной воды достигает 103 МПа.

В воде всегда имеются гидрофобные частицы, на которых образуются пузырьки газа размерами порядка 0,1 мкм. Они обладают ничтожной подъемной силой, но именно эти пузырьки могли бы стать центрами десорбции газов.

Это их свойство используют в различных модификациях вихревого деаэратора. Предварительно нагретая вода подается в цилиндрическую камеру по касательной к стенке и закручивается в ней в вихревом движении. В радиальном направлении появляется градиент скорости, давление в центральной части вихря понижается пропорционально квадрату скорости потока и в некоторой области становится ниже давления насыщения воды. В результате термической десорбции и центростремительных сил пузырьки воздуха начинают двигаться от периферии камеры к центру, образуя здесь парогазовую полость (похожим образом работают циклонные фильтры, очищающие воздух от пыли). Парогазовую фазу отсасывают вакуумным насосом или отводят в атмосферу.

В термических деаэраторах, чтобы полностью удалить газы, теоретически необходимо бесконечное время. По аналогии в вихревых деаэраторах для этого потребовалась бы камера бесконечной длины. Однако увеличение длины рабочей зоны приводит к большим потерям на трение, падению скорости вращения потока и в конце концов к схлопыванию парогазовой полости и захлебыванию деаэратора.

ЧЕМ МЕЛЬЧЕ КАПЛИ, ТЕМ ЛУЧШЕ

Специалисты предприятия «КВАРК» разработали деаэратор принципиально иной конструкции. Это устройство устойчиво работает в широком диапазоне расходов. Деаэратор представляет собой цилиндрический корпус. Его внутренний объем по осевой плоскости делит стенка, немного не доходящая до поверхности корпуса. В рабочем отделении проходит труба с щелевыми отверстиями (соплами). По ней под высоким давлением подается предварительно нагретая жидкость, и при истечении из сопла она дробится на мелкие капли. Благодаря большой удельной поверхности раздела фаз и малому диффузионному пути, который должны преодолеть молекулы газа, десорбция происходит с высокой скоростью.

Затем капли жидкости попадают на криволинейные направляющие и коагулируют в водяную пленку. Поверхность раздела уменьшается, и обратное растворение газов произойти не успевает. Деаэрированная вода стекает в нижнюю часть корпуса и уходит через патрубок, а выпар и десорбированные газы направляются в другое отделение. Там установлены форсунки, через которые подается холодная вода. Пары воды конденсируются и выходят через отводящий патрубок. Через другой патрубок в верхней части газы удаляются в атмосферу либо откачиваются вакуумным насосом. Такая конструкция позволяет утилизировать теплоту выпара, а также дополнительно регулировать глубину деаэрации за счет изменения его количества. При испытаниях содержание кислорода в деаэрированной воде не превышало 20 мкг/л, свободного углекислого газа вообще не наблюдалось, а вода имела слабощелочную реакцию (рН>8,5).

Щелевой деаэратор не захлебывается, поскольку выполнен ни по прямоточной, ни по противоточной классической схеме. В настоящее время выпускается целая гамма щелевых деаэраторов производительностью от 0,5 до 600 т/ч. Проект щелевого деаэратора стал лауреатом конкурса российских инноваций 2006 года.

См. в номере на ту же тему

Т. ЗИМИНА — Чем опасен кислород в воде?

Состав нефти исследовали с помощью растворения в воде

Метод масс-спектроскопии дает информацию о элементном составе вещества и молекулярной массе, но не всегда в силах различить изомеры. Дополнительную информацию можно получить с помощью изотопного обмена. Этот метод основан на том, что кислород (или водород) в различных соединениях, в данном случае в нефти, с разной интенсивностью замещается своим изотопом — тем же элементом, но обладающим иной массой. Самый удобный и безопасный источник изотопов кислорода и водорода — вода, однако при обычных условиях нефть в ней не растворяется, поэтому ранее применялись высококонцентрированные кислоты или щелочи. Но кислота, особенно при высоких температурах, разрушает органические соединения, тем самым изменяя состав образца.

Тем не менее, известно, что нерастворимые в воде соединения могут быть растворены в перегретой, так называемой сверхкритической воде, температура которой значительно превышает 100°С, поэтому было решено применить этот подход и к нефти. Авторы работы доказали, что при повышении температуры и давления получить водный раствор нефти возможно, и провели анализ ее состава. Образец нагревали до 360°С вместе с тяжелой водой (в которой водород заменен дейтерием) или тяжелокислородной (кислород 16O заменен на 18O) при давлении более 300 атмосфер в течение часа.

Ученые сравнивали масс-спектры исходного образца и образца после реакции обмена. Полученные данные позволили получить больше информации о структуре входящих в состав нефти соединений. Подобный метод может применяться для исследования и других сложных неполярных соединений на молекулярном уровне.

«Изотопные метки могут вставать только в определенные места молекулы по аналогии с принципом ключ-замок. Измеряя количество обменов методом масс-спектрометрии сверхвысокого разрешения мы можем получать информацию о структуре молекул даже тогда, когда выделить чистое вещество и установить его структуру другими методами невозможно», — отметил руководитель лаборатории масс-спектрометрии Сколтеха, профессор МФТИ Евгений Николаев.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес [email protected]

Растворенный кислород — Системы измерения окружающей среды

Что такое растворенный кислород?

Растворенный кислород означает уровень свободного, несоставного кислорода, присутствующего в воде или других жидкостях. Это важный параметр при оценке качества воды из-за его влияния на организмы, живущие в водоеме. В лимнологии (изучении озер) растворенный кислород является важным фактором, уступающим только воде. Слишком высокий или слишком низкий уровень растворенного кислорода может нанести вред водным организмам и повлиять на качество воды.

Несоставной кислород или свободный кислород (O2) — это кислород, который не связан с каким-либо другим элементом. Растворенный кислород — это присутствие этих свободных молекул O2 в воде. Связанная молекула кислорода в воде (h3O) находится в составе соединения и не учитывается при определении уровней растворенного кислорода. Можно представить себе, что молекулы свободного кислорода растворяются в воде так же, как соль или сахар при перемешивании ².

Несвязанные молекулы кислорода в воде

Растворенный кислород и водная жизнь

Растворенный кислород важен для многих форм водных организмов.

Растворенный кислород необходим для многих форм жизни, включая рыб, беспозвоночных, бактерий и растений. Эти организмы используют кислород для дыхания, как и организмы на суше. Рыбы и ракообразные получают кислород для дыхания через свои жабры, тогда как растениям и фитопланктону требуется растворенный кислород для дыхания, когда нет света для фотосинтеза 4 . Необходимое количество растворенного кислорода варьируется от существа к существу. Донные кормушки, крабы, устрицы и черви нуждаются в минимальном количестве кислорода (1-6 мг / л), тогда как мелководным рыбам требуется более высокий уровень (4-15 мг / л) ⁵.

Микробам, таким как бактерии и грибы, также требуется растворенный кислород. Эти организмы используют DO для разложения органического материала на дне водоема. Микробное разложение является важным фактором повторного использования питательных веществ. Однако, если существует избыток разлагающегося органического материала (от умирающих водорослей и других организмов) в водоеме с нечастым оборотом или без него (также известный как стратификация), кислород на более низких уровнях воды будет израсходован быстрее ⁶.

Откуда взялось?

Как растворенный кислород попадает в воду

Растворенный кислород попадает в воду через воздух или как побочный продукт растений.Из воздуха кислород может медленно диффундировать по поверхности воды из окружающей атмосферы или быстро смешиваться с ним в результате естественной или искусственной аэрации 7 . Аэрация воды может быть вызвана ветром (создающим волны), порогами, водопадами, сбросом грунтовых вод или другими формами проточной воды. Искусственные причины аэрации варьируются от аквариумного воздушного насоса до водяного колеса, вращаемого вручную, и до большой плотины.

Растворенный кислород также образуется как побочный продукт фотосинтеза фитопланктона, водорослей, морских водорослей и других водных растений 8 .

Растворенный кислород в результате фотосинтеза

Растворенный кислород может попадать в воду как побочный продукт фотосинтеза.

В то время как большая часть фотосинтеза происходит на поверхности (мелководные растения и водоросли), большая часть процесса происходит под водой (водорослями, подповерхностными водорослями и фитопланктоном). Свет может проникать в воду, хотя глубина, на которую он может проникнуть, зависит от растворенных твердых частиц и других светорассеивающих элементов, присутствующих в воде. Глубина также влияет на длины волн, доступные растениям: красный цвет быстро поглощается, а синий свет виден на расстоянии более 100 метров.В чистой воде больше не хватает света для фотосинтеза за пределами 200 м, и водные растения перестают расти. В мутной воде эта фотическая (светопроницаемая) зона часто намного мельче.

Независимо от доступных длин волн цикл не меняется ⁹. Помимо необходимого света, CO2 легко поглощается водой (он примерно в 200 раз более растворим, чем кислород), а кислород, образующийся в качестве побочного продукта, остается растворенным в воде¹⁰. Основная реакция водного фотосинтеза остается:

CO2 + h3O → (Ch3O) + O2

Так как водный фотосинтез зависит от света, выделяемый растворенный кислород достигает пика в дневные часы и снижается ночью ⁸.

Насыщение растворенным кислородом

Не все глубины воды достигают 100% насыщения воздухом

В устойчивом водном пространстве без стратификации растворенный кислород остается на уровне 100% насыщения воздухом. 100% -ное насыщение воздухом означает, что вода удерживает в равновесии как можно больше молекул растворенного газа. В состоянии равновесия процентное содержание каждого газа в воде будет эквивалентно процентному содержанию этого газа в атмосфере, то есть его парциальному давлению ³. Вода будет медленно поглощать кислород и другие газы из атмосферы, пока не достигнет равновесия при полном насыщении 10 .Этот процесс ускоряется ветровыми волнами и другими источниками аэрации ³.

В более глубоких водах DO может оставаться ниже 100% из-за дыхания водных организмов и микробного разложения. Эти более глубокие уровни воды часто не достигают 100% -ного равновесия насыщения воздухом, потому что они недостаточно мелкие, чтобы на них влияли волны и фотосинтез на поверхности ³. Эта вода находится ниже невидимой границы, называемой термоклином (глубина, на которой температура воды начинает снижаться) ¹¹.

Что влияет на растворимость кислорода?

Концентрация растворенного кислорода уменьшается с повышением температуры

Два водоема, оба на 100% насыщенные воздухом, не обязательно имеют одинаковую концентрацию растворенного кислорода. Фактическое количество растворенного кислорода (в мг / л) будет варьироваться в зависимости от температуры, давления и солености ¹.

Во-первых, растворимость кислорода уменьшается с увеличением температуры ¹. Это означает, что более теплая поверхностная вода требует меньше растворенного кислорода для достижения 100% насыщения воздухом, чем более глубокая и холодная вода.Например, на уровне моря (1 атм или 760 мм рт. Ст.) И 4 ° C (39 ° F) 100% насыщенная воздухом вода будет содержать 10,92 мг / л растворенного кислорода. ³ Но если бы температура была повышена до комнатной, 21 ° C (70 ° F), то при 100% -ном насыщении воздухом было бы только 8,68 мг / л растворенного кислорода ³.

Второй растворенный кислород экспоненциально уменьшается с увеличением уровня соли ¹. Вот почему при одинаковом давлении и температуре соленая вода содержит примерно на 20% меньше растворенного кислорода, чем пресная вода ³.

Концентрация растворенного кислорода уменьшается с увеличением высоты (снижением давления)

В-третьих, растворенный кислород будет увеличиваться с увеличением давления ¹.Это верно как для атмосферного, так и для гидростатического давления. Вода на более низких высотах может содержать больше растворенного кислорода, чем вода на больших высотах. Это соотношение также объясняет возможность «перенасыщения» воды ниже термоклина — при более высоком гидростатическом давлении вода может удерживать больше растворенного кислорода, не выходя из него ¹. Газонасыщенность снижается на 10% на метр увеличения глубины за счет гидростатического давления ². Это означает, что если концентрация растворенного кислорода составляет 100% воздухонасыщения у поверхности, это будет только 70% насыщения воздухом на три метра ниже поверхности.

Таким образом, более холодные и глубокие пресные воды обладают способностью удерживать более высокие концентрации растворенного кислорода, но из-за микробного разложения, отсутствия контакта с атмосферой для диффузии и отсутствия фотосинтеза фактические уровни DO часто намного ниже 100% насыщения ¹⁰ . Теплая неглубокая соленая вода достигает 100% насыщения воздухом при более низкой концентрации, но часто может достигать уровней более 100% из-за фотосинтеза и аэрации. Мелководье также остается ближе к 100% насыщению из-за контакта с атмосферой и постоянной диффузии ¹⁰.

Если происходит значительный фотосинтез или быстрое изменение температуры, вода может достичь уровней DO выше 100% насыщения воздухом. На этих уровнях растворенный кислород будет рассеиваться в окружающей воде и воздухе, пока не достигнет уровня 100% ³.

Каким образом вода может быть насыщена более чем на 100%?

Закон Генри, определяющий концентрацию растворенного кислорода при 20 ° C и 100% -ном насыщении воздуха (1 кг воды = 1 л воды)

100% -ное насыщение воздухом является точкой равновесия для газов в воде.Это связано с тем, что молекулы газа диффундируют между атмосферой и поверхностью воды. Согласно закону Генри, содержание растворенного кислорода в воде пропорционально проценту кислорода (парциальному давлению) в воздухе над ним 13 . Поскольку содержание кислорода в атмосфере составляет около 20,3%, парциальное давление кислорода на уровне моря (1 атм) составляет 0,203 атм. Таким образом, количество растворенного кислорода при 100% насыщении на уровне моря при 20 ° C составляет 9,03 мг / л.

Уравнение показывает, что вода будет оставаться при 100% -ном насыщении воздухом при равновесии.Однако есть несколько факторов, которые могут повлиять на это. Водное дыхание и разложение понижают концентрацию DO, в то время как быстрая аэрация и фотосинтез могут способствовать перенасыщению. В процессе фотосинтеза кислород образуется как отходы. Это увеличивает концентрацию растворенного кислорода в воде, потенциально повышая ее насыщение выше 100%. Кроме того, уравновешивание воды — медленный процесс (за исключением ситуаций с сильным взбалтыванием или аэрированием). Это означает, что уровень растворенного кислорода может легко превышать 100% насыщения воздуха в течение дня в фотосинтетически активных водоемах ¹⁴.

Растворенный кислород часто достигает более 100% насыщения воздуха из-за активности фотосинтеза в течение дня. Перенасыщение воды может быть вызвано быстрой аэрацией из плотины.

Перенасыщение, вызванное быстрой аэрацией, часто наблюдается у плотин гидроэлектростанций и больших водопадов ¹². В отличие от небольших порогов и волн, вода, протекающая через плотину или водопад, задерживает и уносит с собой воздух, который затем погружается в воду. На большей глубине и, следовательно, при более высоком гидростатическом давлении, этот увлеченный воздух вытесняется в раствор, потенциально повышая уровни насыщения более чем на 100% ².

Быстрые изменения температуры также могут привести к показаниям DO выше 100%. С повышением температуры воды растворимость кислорода снижается. Прохладной летней ночью температура в озере может быть 60 ° F. При 100% -ном насыщении воздуха уровень растворенного кислорода в озере составит 9,66 мг / л. Когда солнце встает и нагревает озеро до 70 ° F, 100% насыщение воздухом должно соответствовать 8,68 мг / л DO ³. Но если нет ветра, который двигал бы равновесие, озеро все равно будет содержать исходные 9,66 мг / л DO, то есть насыщение воздухом 111%.

Типичные уровни растворенного кислорода

Концентрации растворенного кислорода могут колебаться ежедневно и сезонно.

На концентрацию растворенного кислорода постоянно влияют диффузия и аэрация, фотосинтез, дыхание и разложение. В то время как вода уравновешивается до 100% насыщения воздухом, уровни растворенного кислорода также будут колебаться в зависимости от температуры, солености и давления ³. Таким образом, уровни растворенного кислорода могут варьироваться от менее 1 мг / л до более 20 мг / л в зависимости от того, как взаимодействуют все эти факторы.В пресноводных системах, таких как озера, реки и ручьи, концентрация растворенного кислорода будет варьироваться в зависимости от сезона, местоположения и глубины воды.

Колебания пресной воды: Пример 1

В реке Помтон в Нью-Джерси средние концентрации растворенного кислорода колеблются от 12-13 мг / л зимой и падают до 6-9 мг / л летом ⁸. В той же реке наблюдаются суточные колебания до 3 мг / л из-за продукции фотосинтеза ⁸.

Уровни растворенного кислорода часто стратифицируются зимой и летом, меняясь весной и осенью по мере выравнивания температуры в озере.

Колебания пресной воды: Пример 2

Исследования в Крукед-Лейк в Индиане показывают, что концентрация растворенного кислорода меняется в зависимости от сезона и глубины от 12 мг / л (поверхность, зима) до 0 мг / л (глубина 32 м, конец лета), при полном озере. Обороты весной и осенью выравнивают уровни DO около 11 мг / л для всех глубин ¹.

В реках и ручьях концентрация растворенного кислорода зависит от температуры.

Реки и ручьи имеют тенденцию оставаться около 100% -ного насыщения воздухом или немного выше него из-за относительно большой площади поверхности, аэрации от порогов и сброса грунтовых вод, что означает, что их концентрация растворенного кислорода будет зависеть от температуры воды ¹.В то время как грунтовые воды обычно имеют низкие уровни DO, потоки, питаемые грунтовыми водами, могут содержать больше кислорода из-за притока более холодной воды и вызываемого ею перемешивания ¹⁵. Стандартные методы исследования воды и сточных вод определяют растворенный кислород в потоках как сумму побочных продуктов фотосинтеза, дыхания, повторной аэрации, накопления за счет притока подземных вод и поверхностного стока ¹³.

Морская вода содержит меньше кислорода, чем пресная вода, поэтому концентрации DO в океане, как правило, ниже, чем в пресной воде.В океане среднегодовые концентрации DO в поверхностных водах колеблются от 9 мг / л у полюсов до 4 мг / л у экватора с более низкими уровнями DO на больших глубинах. Вблизи экватора концентрация растворенного кислорода ниже, поскольку соленость выше.

Уровни растворенного кислорода на поверхности океана: (данные: Атлас Мирового океана 2009; фото: Plumbago; Wikipedia Commons)

В некоторых штатах приняты законы о стандартах качества воды, требующие минимальных концентраций растворенного кислорода; в Мичигане эти минимальные значения составляют 7 мг / л для холодноводного рыболовства и 5 мг / л для теплопроводной рыбы 17 ; в Колорадо для «водной флоры и фауны с холодной водой класса 1» требуется 6 мг / л, а для «водной жизни с теплой водой класса 1» требуется уровень DO не менее 5 мг / л. 15 .Чтобы имитировать идеальные системы окружающей среды, пресноводным резервуарам в идеале требуется около 8 мг / л DO для оптимального роста, а требования к морским резервуарам составляют 6-7 мг / л DO в зависимости от уровня солености ¹⁸. Другими словами, растворенный кислород должен быть почти на 100% воздухонасыщенным.

Примеры требований для пресноводных организмов и растворенного кислорода

Минимальные потребности в растворенном кислороде пресноводных рыб

Холодноводные рыбы, такие как форель и лосось, больше всего страдают от низкого уровня растворенного кислорода 19 .Средний уровень DO для взрослых лососевых составляет 6,5 мг / л, а минимальный — 4 мг / л ². Эти рыбы обычно стараются избегать мест, где растворенный кислород составляет менее 5 мг / л, и начнут умирать, если подвергнутся воздействию DO менее 3 мг / л в течение более чем пары дней ¹⁹. Для икры лосося и форели уровни растворенного кислорода ниже 11 мг / л задерживают их вылупление, а ниже 8 мг / л замедляют их рост и снижают выживаемость. ¹⁹ Когда растворенный кислород упадет ниже 6 мг / л (что считается нормальным для большинства других рыб), подавляющее большинство икры форели и лосося погибнет.¹⁹

Синежабрец, большеротый окунь, белый окунь и желтый окунь считаются теплопроводными рыбами и зависят от содержания растворенного кислорода выше 5 мг / л. 21 . Они будут избегать районов, где уровни DO ниже 3 мг / л, но обычно не начинают страдать от смертельного исхода из-за кислородного истощения до тех пор, пока уровни не упадут ниже 2 мг / л 22 . Средние уровни DO должны оставаться около 5,5 мг / л для оптимального роста и выживания ².

Судак также предпочитает уровни выше 5 мг / л, хотя они могут выжить при уровнях DO 2 мг / л в течение короткого времени.«Маски нужен уровень более 3 мг / л как для взрослых особей, так и для яиц». Карпы более выносливы, и хотя они могут наслаждаться уровнем растворенного кислорода выше 5 мг / л, они легко переносят уровни ниже 2 мг / л и могут выжить при уровнях ниже 1 мг / л²⁶.

К пресноводным рыбам, наиболее устойчивым к уровню DO, относятся толстоголовые гольяны и северная щука. Северная щука может выжить при концентрациях растворенного кислорода до 0,1 мг / л в течение нескольких дней и при 1,5 мг / л в течение бесконечного промежутка времени ²⁷. Толстоголовые гольяны могут выжить при концентрации 1 мг / л в течение длительного периода с минимальным влиянием на воспроизводство и рост.

Что касается донных микробов, то изменения ДО их не сильно беспокоят. Если весь кислород на их уровне воды будет израсходован, бактерии начнут использовать нитраты для разложения органических веществ — процесс, известный как денитрификация. Если весь азот израсходован, они начнут восстанавливать сульфат ¹⁷. Если органическое вещество накапливается быстрее, чем разлагается, отложения на дне озера просто обогащаются органическим материалом. ²⁸.

Примеры требований для морских организмов и растворенного кислорода

Минимальные потребности в растворенном кислороде для морских рыб

Морские рыбы и организмы имеют более высокую устойчивость к низким концентрациям растворенного кислорода, поскольку морская вода имеет более низкую 100% насыщенность воздухом, чем пресная вода.В целом уровень растворенного кислорода в морской воде примерно на 20% меньше, чем в пресной ³.

Это не означает, что морские рыбы могут жить без растворенного кислорода. Полосатому окуну, белому окуну и американскому шэду для роста и процветания требуется уровень DO более 5 мг / л ⁵. Красный хек также чрезвычайно чувствителен к уровням растворенного кислорода, покидая свою предпочитаемую среду обитания вблизи морского дна, если его концентрация упадет ниже 4,2 мг / л²⁹.

Потребность в растворенном кислороде для рыб открытого и глубоководного океанов отследить немного сложнее, но в этом районе проводились некоторые исследования.Олень плавает в районах с концентрацией DO не менее 3,5 мг / л, а марлины и парусники ныряют на глубины с концентрацией DO 1,5 мг / л ³⁰. Точно так же белые акулы также ограничены в глубине погружения из-за уровней растворенного кислорода (выше 1,5 мг / л), хотя многие другие акулы были обнаружены в районах с низким DO ³³. Выслеженная рыба-меч в течение дня предпочитает мелководье, купаясь в насыщенной кислородом воде (7,7 мг / л) после погружения на глубину с концентрацией около 2,5 мг / л ³⁴. Альбакорский тунец обитает на уровне океана, и ему требуется как минимум 2 особи.5 мг / л ³⁵, в то время как для палтуса минимальный порог допуска DO составляет 1 мг / л ³⁶.

Многие морские тропические рыбы, в том числе рыба-клоун, рыба-ангел и групер, требуют более высоких уровней DO, как, например, рыбы, окружающие коралловые рифы. Коралловые рифы находятся в эвфотической зоне (где свет проникает в воду — обычно не глубже 70 м). Более высокие концентрации растворенного кислорода обычно обнаруживаются вокруг коралловых рифов из-за фотосинтеза и аэрации от водоворотов и волн ³⁷. Эти уровни DO могут колебаться от 4-15 мг / л, хотя обычно они остаются на уровне 5-8 мг / л, циклически меняясь между производством дневного фотосинтеза и ночным дыханием растений ³⁸.Что касается насыщения воздуха, это означает, что растворенный кислород у коралловых рифов может легко колебаться от 40 до 200% ³⁹.

Ракообразные, такие как крабы и омары, являются донными (обитающими на дне) организмами, но все же требуют минимального уровня растворенного кислорода. В зависимости от вида минимальные требования DO могут варьироваться от 4 мг / л до 1 мг / л ³. Несмотря на то, что они обитают на дне, мидии, устрицы и моллюски также требуют минимум 1-2 мг / л растворенного кислорода 29 , поэтому они встречаются в более мелких прибрежных водах, которые получают кислород из атмосферы и источников фотосинтеза.

Последствия необычных уровней DO

Если концентрация растворенного кислорода упадет ниже определенного уровня, уровень смертности рыб увеличится. Чувствительные пресноводные рыбы, такие как лосось, не могут воспроизводить даже при уровнях ниже 6 мг / л. В океане прибрежная рыба начинает избегать районов, где содержание DO ниже 3,7 мг / л, а определенные виды полностью покидают район, когда уровень содержания ниже 3,5 мг / л²⁹. Ниже 2,0 мг / л беспозвоночные также покидают, а ниже 1 мг / л даже бентосные организмы демонстрируют снижение темпов роста и выживаемости ²⁹.

Убийство рыбы / Winterkill

Убийство рыбы происходит, когда большое количество рыбы умирает в районе воды. Это может быть видовая или водная смертность. Убийство рыбы может произойти по ряду причин, но зачастую одним из факторов является низкий уровень растворенного кислорода. Winterkill — это гибель рыбы, вызванная длительным сокращением растворенного кислорода из-за льда или снежного покрова на озере или пруду ²⁰.

Истощение растворенного кислорода — наиболее частая причина гибели рыбы.

Когда водоем чрезмерно продуктивен, кислород в воде может израсходоваться быстрее, чем он может быть восполнен.Это происходит, когда водоем переполнен организмами или когда происходит массовое отмирание цветения водорослей.

Рыбный промысел чаще встречается в эвтрофных озерах: озерах с высокой концентрацией питательных веществ (особенно фосфора и азота) ⁴¹. Высокий уровень питательных веществ способствует цветению водорослей, что может изначально повысить уровень растворенного кислорода. Но больше водорослей означает большее дыхание растений, потребление DO, а когда водоросли умирают, разложение бактерий резко возрастает, израсходовав большую часть или весь доступный растворенный кислород.Это создает бескислородную или обедненную кислородом среду, в которой рыба и другие организмы не могут выжить. Такие уровни питательных веществ могут возникать естественным образом, но чаще всего они вызваны загрязнением в результате стока удобрений или плохо очищенных сточных вод ⁴¹.

Winterkills происходит, когда дыхание рыб, растений и других организмов превышает выработку кислорода фотосинтезом ¹. Они возникают, когда вода покрыта льдом и поэтому не может получать кислород путем диффузии из атмосферы. Если затем лед покрывается снегом, фотосинтез также не может происходить, и водоросли будут полностью зависеть от дыхания или отмирать.В этих ситуациях рыба, растения и разложения потребляют растворенный кислород, и его невозможно пополнить, что приводит к гибели рыбы зимой. Чем мельче вода и чем выше продуктивность (высокое содержание организмов) в воде, тем выше вероятность зимнего умерщвления ²⁰.

Болезнь газовых пузырей

Нерка с болезнью газовых пузырей

Как низкое содержание растворенного кислорода может вызвать проблемы, так и высокие концентрации. Перенасыщенная вода может вызвать болезнь газовых пузырей у рыб и беспозвоночных ¹².Значительный уровень смертности наблюдается, когда растворенный кислород остается на уровне выше 115% -120% насыщения воздуха в течение определенного периода времени. Общая гибель молоди лосося и форели происходит менее чем за три дня при насыщении растворенным кислородом 120% ². Беспозвоночные, хотя они также страдают от болезни газовых пузырей, обычно могут переносить более высокие уровни перенасыщения, чем рыбы ¹².

Длительные периоды перенасыщения могут возникать в сильно аэрированных водах, часто вблизи плотин гидроэлектростанций и водопадов, или из-за чрезмерной фотосинтетической активности.Цветение водорослей может вызвать насыщение воздуха более чем на 100% из-за большого количества кислорода в качестве побочного продукта фотосинтеза. Это часто сочетается с более высокой температурой воды, что также влияет на ее насыщение. ¹² При более высоких температурах вода становится на 100% насыщенной при более низких концентрациях, поэтому более высокие концентрации растворенного кислорода означают еще более высокие уровни насыщения воздуха.

Мертвая зона

Мертвая зона — это область воды, в которой практически отсутствует растворенный кислород. Они названы так потому, что водные организмы не могут там выжить.Мертвые зоны часто возникают рядом с густонаселенными людьми, такими как эстуарии и прибрежные районы у Мексиканского залива, Северного моря, Балтийского моря и Восточно-Китайского моря. Они также могут встречаться в крупных озерах и реках, но более известны в океаническом контексте.

Гипоксические и бескислородные зоны по всему миру (фото предоставлено НАСА)

Эти зоны обычно являются результатом подпитываемых удобрениями водорослей и роста фитопланктона. Когда водоросли и фитопланктон умирают, микробы на морском дне расходуют кислород, разлагая органическое вещество ³¹.Эти бескислородные условия обычно стратифицированы и встречаются только в нижних слоях воды. В то время как некоторые рыбы и другие организмы могут убегать, моллюски, молодь и яйца обычно умирают ³².

Естественные условия гипоксии (с низким содержанием кислорода) не считаются мертвыми зонами. Местная водная жизнь (включая бентические организмы) приспособилась к повторяющимся условиям с низким содержанием кислорода, поэтому неблагоприятные последствия мертвой зоны (массовая гибель рыбы, внезапное исчезновение водных организмов и проблемы роста / развития рыб и беспозвоночных) не проявляются. происходят ³¹.

Такие естественные зоны часто встречаются в глубоких озерных котловинах и на более низких уровнях океана из-за стратификации водной толщи.

Расслоение растворенного кислорода и воды в столбе

Стратификация разделяет водоем на слои. Это наслоение может быть основано на температуре или растворенных веществах (а именно, соли и кислороде), причем оба фактора часто играют роль. Стратификация воды обычно изучается в озерах, хотя она встречается и в океане.Это также может происходить в реках, если водоемы достаточно глубокие, и в устьях, где существует значительная разница между источниками пресной и соленой воды.

Стратификация озера

Стратификация озера

Самый верхний слой озера, известный как эпилимнион, подвергается солнечному излучению и контакту с атмосферой, что сохраняет его теплее. Глубина эпилимниона зависит от температурного обмена, обычно определяемого прозрачностью воды и глубиной перемешивания (обычно инициируемого ветром) ¹¹.В этом верхнем слое водоросли и фитопланктон участвуют в фотосинтезе. Между контактом с воздухом, возможностью аэрации и побочными продуктами фотосинтеза растворенный кислород в эпилимнионе остается почти 100% насыщением. Точные уровни DO варьируются в зависимости от температуры воды, количества происходящего фотосинтеза и количества растворенного кислорода, используемого для дыхания водными организмами.

Ниже эпилимниона находится металимнион, переходный слой, толщина и температура которого колеблются.Граница между эпилимнионом и металимнионом называется термоклином — точкой, в которой температура воды начинает неуклонно снижаться. Здесь могут произойти два разных исхода. Если свет может проникать за пределы термоклина и фотосинтез происходит в этих слоях, металимнион может достичь максимума кислорода ¹¹. Это означает, что уровень растворенного кислорода в металимнионе будет выше, чем в эпилимнионе. Но в эвтрофных озерах или озерах, богатых питательными веществами, дыхание организмов может истощать уровни растворенного кислорода, создавая металимнетический кислородный минимум ⁴².

Следующий слой — гиполимнион. Если гиполимнион достаточно глубокий, чтобы никогда не смешиваться с верхними слоями, он известен как монимолимнион. Гиполимнион отделен от верхних слоев хемоклином или галоклином. Эти клины отмечают границу между кислородной и бескислородной водой и градиентами солености соответственно. ¹¹. Хотя лабораторные условия позволяют сделать вывод, что при более низких температурах и более высоких давлениях вода может удерживать больше растворенного кислорода, это не всегда результат. В гиполимнионе бактерии и грибы используют растворенный кислород для разложения органического материала ⁶.Этот органический материал поступает из мертвых водорослей и других организмов, которые опускаются на дно. Растворенный кислород, используемый при разложении, не заменяется — нет контакта с атмосферой, аэрации или фотосинтеза для восстановления уровней DO в гиполимнионе ¹¹. Таким образом, процесс разложения «расходует» весь кислород в этом слое.

Если рассматриваемое озеро представляет собой голомиктическое «смешивающееся» озеро, все слои перемешиваются, по крайней мере, один раз в год (обычно весной и осенью), когда температура слоев озера выравнивается.Этот оборот перераспределяет растворенный кислород по всем слоям, и процесс начинается снова.

Стратификация океана

Стратификация в океане

Стратификация в океане бывает горизонтальной и вертикальной. Прибрежная или прибрежная зона в наибольшей степени подвержена воздействию устьев рек и других источников притока. Она обычно мелкая и приливная с колебаниями уровня растворенного кислорода. Сублитораль, также известная как неритическая или демерсальная зона, также считается прибрежной зоной.В этой зоне концентрации растворенного кислорода могут варьироваться, но они не колеблются так сильно, как в литоральной зоне.

Это зона, где растут многие коралловые рифы, а уровни DO остаются близкими к 100% -ному насыщению воздухом из-за водоворотов, прибойных волн и фотосинтеза. 45 . В этой зоне также обитает большинство океанических бентосных (обитающих на дне) организмов. Океанические донные рыбы не обитают на самых больших глубинах океана. Они обитают на морском дне рядом с побережьями и океаническими шельфами, оставаясь при этом на верхних уровнях океана.

За демерсальной зоной находятся батиальные, абиссальные и хадальные равнины, которые довольно схожи с точки зрения стабильно низкого содержания DO.

В открытом океане есть пять основных вертикальных слоев: эпипелагический, мезопелагический, батипелагический, абиссопелагический и хадалпелагический ⁴⁴. Точные определения и глубина субъективны, но следующая информация в целом согласована. Эпипелагия также известна как поверхностный слой или фотическая зона (куда проникает свет). Это слой с самым высоким уровнем растворенного кислорода из-за воздействия волн и фотосинтеза.Эпипелагиаль обычно достигает 200 м и окаймлен скоплением обрывов.

Эти клины могут перекрываться или существовать на разных глубинах. Как и в озере, термоклин разделяет слои океана по температуре. Галоклин делится по уровням солености, а пикноклин делит слои по плотности ¹⁶. Каждая из этих клин может влиять на количество растворенного кислорода, которое могут удерживать слои океана.

Мезопелагическая, что означает «сумеречная» зона, простирается от 200 до 1000 м. В зависимости от прозрачности воды, часть света может проникать сквозь нее, но этого недостаточно для фотосинтеза ⁴⁴.В пределах этой толщи может находиться зона кислородного минимума (ОМЗ). OMZ развивается потому, что организмы используют кислород для дыхания, но он слишком глубок, чтобы восполняться за счет побочных продуктов фотосинтеза или аэрации из-за волн. Эта зона обычно существует на глубине около 500 м. Мезопелагическая зона граничит с хемоклинами (клинами, основанными на химических уровнях, например, по кислороду и солености) с обеих сторон, отражая различные уровни растворенного кислорода и солености между слоями.

Ниже мезопелагиали находится афотическая зона (зоны).Эти слои имеют более низкие уровни растворенного кислорода, чем поверхностная вода, потому что фотосинтез не происходит, но могут иметь более высокие уровни, чем OMZ, потому что происходит меньшее дыхание.

Батипелагическая, «полуночная» зона существует на высоте 1000–4000 м, и многие существа все еще могут жить здесь. Нижний слой океана — абиссопелагический, существующий ниже 4000 м. Хадопелагический — это название зоны глубоких океанских желобов, которые открываются под абиссальной равниной, таких как Марианская впадина ⁴⁴.

Стратификация эстуария

Стратификация растворенного кислорода в эстуарии зависит от солености (выражается в PSU).

Стратификация лимана основана на распределении солености. Поскольку морская вода содержит меньше растворенного кислорода, чем пресная вода, это может повлиять на распределение водных организмов. Чем сильнее течение реки, тем выше концентрация кислорода. Эта стратификация может быть горизонтальной, когда уровни DO падают от материка к открытому океану, или вертикальной, когда пресная насыщенная кислородом речная вода плавает над морской водой с низким содержанием DO.Когда расслоение четко определено, пикноклин отделяет более свежую воду от соленой, способствуя разделению концентрации растворенного кислорода в каждой пласте.

Единицы измерения растворенного кислорода и отчетность

Преобразование единиц растворенного кислорода при 21 ° Цельсия (70 ° F) и 1 атмосфере (760 мм рт. Ст.)

Растворенный кислород обычно указывается в миллиграммах на литр (мг / л) или в процентах от воздуха насыщенность. Тем не менее, некоторые исследования сообщают о DO в миллионных долях (ppm) или микромолях (мкмоль).1 мг / л равен 1 промилле. Взаимосвязь между мг / л и% насыщения воздухом обсуждалась выше и изменяется в зависимости от температуры, давления и солености воды. Один микромоль кислорода равен 0,022391 миллиграмму, и эта единица измерения обычно используется в океанических исследованиях ⁴⁷. Таким образом, 100 мкмоль / л O2 равно 2,2 мг / л O2.

Расчет DO на основе% насыщения воздуха

Для расчета концентрации растворенного кислорода на основе насыщения воздуха необходимо знать температуру и соленость образца.Барометрическое давление уже учтено, так как парциальное давление кислорода способствует процентному насыщению воздухом 7 . Затем соленость и температуру можно использовать в законе Генри для расчета концентрации DO при 100% -ном насыщении воздухом 10 . Однако проще использовать диаграмму растворимости кислорода. Эти графики показывают концентрацию растворенного кислорода при 100% -ном насыщении воздуха при различных температурах и солености. Затем это значение можно умножить на измеренный процент насыщения воздуха, чтобы рассчитать концентрацию растворенного кислорода 7.

O2 мг / л = (измеренный% DO) * (значение DO из диаграммы при температуре и солености)

Пример:
70% DO измерено
35 ppt солености
15 ° C

.70 * 8.135 = 5,69 мг / л DO

Цитируйте эту работу

Fondriest Environmental, Inc. «Растворенный кислород». Основы экологических измерений. 19 ноября 2013 г. Web. .

Дополнительная информация

Растворенный кислород | Программа Чесапикского залива

Растворенный кислород (DO) — это количество кислорода, которое присутствует в воде.Он измеряется в миллиграммах на литр (мг / л) — количестве миллиграммов кислорода, растворенного в литре воды.

Почему растворенный кислород важен?

Как и люди, все живые существа Чесапикского залива — от рыб и крабов, которые плавают в его водах до червей, зарывающихся в его илистое дно, — нуждаются в кислороде, чтобы выжить.

Люди используют свои легкие, чтобы вдыхать кислород из воздуха. Но черви, рыбы, крабы и другие подводные животные используют жабры для получения кислорода из воды.Когда вода движется по жабрам животного, кислород удаляется и попадает в кровь.

Жабры работают лучше, когда в окружающей воде больше кислорода. По мере снижения уровня растворенного кислорода животным становится все труднее получать кислород, необходимый им для выживания.

Сколько растворенного кислорода нужно животным?

Ученые в целом согласны с тем, что обитателям залива необходима концентрация растворенного кислорода 5,0 мг / л или более для жизни и процветания. Однако количество кислорода, в котором нуждается животное, варьируется в зависимости от размера или сложности животного и от того, где оно живет.

  • Черви и моллюски, обитающие на илистом дне залива, где уровень кислорода естественно низкий, нуждаются в концентрации растворенного кислорода не менее 1 мг / л.
  • Рыбы, крабы и устрицы, которые живут или кормятся на дне, требуют концентрации растворенного кислорода 3 мг / л или более.
  • Нересту перелетных рыб, их икринкам и личинкам необходимо до 6 мг / л на этих чувствительных этапах жизни.

Чтобы увидеть уровни растворенного кислорода в Чесапикском заливе, посетите Eyes on the Bay (для вод Мэриленда) или Систему наблюдений за устьем и прибрежными районами Вирджинии (для вод Вирджинии).

Как кислород попадает в воду?

Кислород может попасть в воду несколькими способами:

  • Кислород из атмосферы растворяется и смешивается с поверхностью воды.
  • Водоросли и подводные травы выделяют кислород во время фотосинтеза.
  • Вода поступает в залив из ручьев, рек и океана. В океанских водах обычно больше кислорода. Речные воды стремительны, что способствует смешиванию кислорода из воздуха.

Как образуются участки с низким содержанием кислорода?

Гипоксические или бедные кислородом области — это регионы с менее чем 2 мг / л растворенного кислорода.Бескислородные или бескислородные области — это регионы с менее 0,2 мг / л растворенного кислорода. Эти области часто называют «мертвыми зонами», потому что большинство животных не могут там выжить. Области в заливе с низким уровнем растворенного кислорода являются результатом сложного взаимодействия нескольких природных и антропогенных факторов, включая температуру, загрязнение питательными веществами, водные потоки и форму дна залива.

Высокие температуры

Температура ограничивает количество кислорода, который может растворяться в воде: вода может удерживать больше кислорода зимой, чем в жаркие летние месяцы.Однако даже при самых высоких температурах, наблюдаемых в заливе (около 91 градуса по Фаренгейту), вода способна иметь концентрацию растворенного кислорода от 6 до 7 мг / л. Таким образом, хотя высокие температуры могут влиять на уровень растворенного кислорода, температура — не единственная причина того, что каждое лето в заливе обнаруживаются области с низким содержанием кислорода.

Загрязнение питательными веществами

Избыток питательных веществ в воде (известный как эвтрофикация) может способствовать росту цветения водорослей. Устрицы, менхаден и другие фильтраторы съедают часть лишних водорослей, но большая их часть не попадает в употребление.Оставшиеся водоросли погибают и опускаются на дно залива, где их разлагают бактерии. Во время этого процесса бактерии потребляют кислород до тех пор, пока в придонных водах не останется совсем мало или совсем ничего.

Поток воды

Разделение воды, вытекающей из океана и пресноводных рек и ручьев залива, также может влиять на уровень растворенного кислорода. Вода, текущая из океана, обычно более соленая и прохладная, а речная вода более теплая и свежая. Из-за этих различий речная вода весит меньше воды океана и плавает на ней, хотя ветер и другие сильные перемешивающие силы могут изменить эту картину.

Граница, где слой пресной воды встречается с нижним слоем соленой воды, называется пикноклином. Пикноклин действует как физический барьер, препятствующий смешиванию двух слоев. Летом, когда бактерии, потребляющие водоросли, наиболее активны, пикноклин отделяет бедные кислородом придонные воды от богатых кислородом поверхностных вод. Это может создать большие области с низким или нулевым содержанием кислорода на дне залива.

Форма дна бухты

Дно залива не плоское, а скорее мелкое и глубокое.В определенных чашеобразных областях на дне залива пикноклин может действовать как «крышка», которая закрывает придонные воды от получения кислорода. Это явление часто происходит каждое лето в:

.
  • Середина центральной части залива, от моста через залив на юг до устья реки Потомак,
  • Нижние реки Честер, Потомак и Раппаханнок и
  • Нижняя часть Восточной бухты, недалеко от острова Кент.

Растворенный кислород | NIWA

Растворенный кислород (DO) — это относительная мера количества кислорода (O 2 ), растворенного в воде.

Кислород попадает в воду путем диффузии из атмосферы, аэрации воды, когда она падает на камни и водопады, а также в результате фотосинтеза. Содержание кислорода в воде будет уменьшаться при увеличении количества питательных веществ и органических материалов из промышленных сточных вод, сбросов сточных вод и стока с земли. (Интенсивное землепользование, такое как сельское хозяйство, производит больше питательных веществ в стоках, чем в естественных лесах.) Чрезмерный рост и разложение растений и водорослей в ответ на увеличение количества питательных веществ в водных путях может значительно повлиять на количество доступного растворенного кислорода.

Дополнительная информация о перегрузке питательными веществами

Подробнее о разрядах

Индикатор сточных вод, такой как биохимическая потребность в кислороде (БПК), представляет собой лабораторный тест, который измеряет относительный эффект истощения кислорода отходами, когда загрязнитель вступает в реакцию (посредством биохимических реакций) с питательными веществами и бактериями. Негативное влияние сточных вод на махинга-кай и водные растения за счет уменьшения количества доступного кислорода подтверждается повышенным показателем БПК.

Возможное воздействие низкого растворенного кислорода (DO) на качество воды и mahinga kai

  • Повышенная нагрузка на водные организмы — махинга кай и беспозвоночные нуждаются в достаточном количестве кислорода, необходимом для всех водных организмов. Рыбы «дышат» кислородом через жабры и способны поглощать кислород прямо из воды в кровоток. Для оптимального здоровья рыб рекомендуется концентрация 5 мг / л DO. Чувствительность к низким уровням растворенного кислорода зависит от вида; тем не менее, большинство видов рыб испытывают стресс, когда содержание DO падает между 2 и 4 мг / л.Смерть обычно наступает при концентрациях менее 2 мг / л. На более крупную рыбу влияет низкий уровень DO, прежде чем на более мелкую рыбу. Количество рыб, которые умирают во время события кислородного истощения, определяется тем, насколько низко становится DO и как долго он остается в нем.
  • Ограничение доступной среды обитания, ограничивающей места, где виды могут жить и расти, т. Е. Рыба избегает районов с низким содержанием кислорода.

Дополнительная информация об измененных местообитаниях

Что такое растворенный кислород (DO)?

Растворенный кислород (DO) — это газообразный кислород (O2), растворенный в воде.Газы в атмосфере, такие как кислород, азот и углекислый газ, в некоторой степени естественным образом растворяются в воде. Подобно соли или сахару, эти газы невидимы в воде после растворения.

Элемент кислород существует в природе во многих формах. Хотя большинство людей знают, что кислород является частью молекулы воды, большинство удивится, узнав, что кислород также является самым распространенным элементом в горных породах. В этих формах кислород связан с другими элементами, такими как водород, кремний или углерод.Молекулярный кислород (O2), который находится в воздухе, отличается от других форм, потому что он не связан с другими элементами. В природе кислород, которым мы дышим, химически намного более реактивен, чем более распространенные формы кислорода, с которыми мы контактируем. Это то, что позволяет растениям, животным и другим организмам использовать O2 для метаболизма пищи в процессе дыхания.

Концентрация и растворимость

Количество (концентрация) растворенного в воде O2 чаще всего выражается в миллиграммах на литр воды (мг / л).Эта концентрация называется содержанием растворенного кислорода (DO) в воде. Вода, контактирующая с воздухом, имеет естественную тенденцию растворять O2 до тех пор, пока не будет достигнута концентрация насыщения. Например, DO в пресной воде при 25 ° C в контакте с воздухом составляет 8,3 мг / л, если предположить, что достигнуто равновесие между водой и воздухом и что ничто не удаляет O2 из воды.

Концентрации DO иногда выражаются в% от насыщения. Если DO воды находится в концентрации насыщения, то говорят, что она на 100% насыщена.Если, например, DO составляет 5,0 мг / л в пресной воде с температурой 25 ° C, значит, она насыщена на 60% (5,0, разделенное на уровень насыщения 8,3 мг / л, умноженное на 100%).

Эта концентрация насыщения известна как растворимость O2, то есть количество O2, которое может удерживать вода. Растворимость O2 меняется в зависимости от температуры, солености и давления. Растворимость O2 в воде увеличивается с понижением температуры, а это означает, что холодная вода может удерживать больше O2. Например, холодная вода при 5 ° C (12.8 мг / л) содержит примерно на 55% больше растворенного кислорода, чем теплая вода при 25 ° C (8,3 мг / л) [1].

Поскольку температура воды меняется в зависимости от сезона, уровни DO обычно выше в более прохладные месяцы, поскольку растворимость O2 выше в холодной воде. Летом уровень воды обычно ниже, а воздух теплее, что приводит к более теплой воде и более низким уровням DO.

Соленость воды также влияет на растворимость O2, так что морская вода может содержать примерно на 20% меньше O2, чем пресная вода [1].


Источник: [1]

Растворимость растворенного кислорода изменяется в зависимости от температуры и солености.

Давление также влияет на растворимость O2. Давление воды на определенной глубине зависит от высоты водяного столба над ней, поэтому давление увеличивается с глубиной. Вода под большим давлением может удерживать больше O2, а это означает, что растворимость O2 увеличивается на большей глубине. Например, вода на глубине 4 м (13,1 фута) может содержать примерно на 40% больше O2, чем вода на поверхности [2].

Вода может иметь уровень DO выше, чем растворимость O2 (более 100% насыщения). Это состояние называется перенасыщением, которое может произойти при определенных обстоятельствах (см. Ниже).

Источники и стоки O2 в воде

Основным источником O2 в воде является атмосфера. Молекулы кислорода медленно попадают в воду у поверхности воды. Этому процессу естественным образом способствует турбулентный поток воды, ветер и волны. Из-за этого неподвижная вода, как правило, имеет более низкие значения DO, чем быстро движущаяся вода.Аэрация воды естественным путем с помощью порогов или водопадов или искусственно путем пропускания воздуха через воду, вращения водяных колес или проливания через плотины значительно ускоряет перенос O2 из воздуха в воду. О2 также попадает в водные объекты из притоков и разгрузки подземных вод.

О2 в воде также образуется в процессе фотосинтеза, при котором растения и водоросли превращают растворенный диоксид углерода (СО2) в органическое вещество, высвобождая О2 в воду. Фотосинтез происходит только в светлое время суток.Глубина фотосинтеза зависит от чистоты воды. В мутной воде свет может не достигать дна глубокого озера.

Водные растения, животные и микробы потребляют О2 путем дыхания, когда органические материалы, используемые в качестве топлива, снова превращаются в СО2; это противоположность фотосинтеза. Многие люди удивляются, узнав, что растения не только производят О2, но и потребляют его. Растения фактически потребляют O2 путем дыхания ночью и выделяют O2 в процессе фотосинтеза в течение дня.Из-за этого DO в некоторых водных средах будет снижаться ночью и увеличиваться днем.

Микробы и грибы также потребляют О2 при разложении мертвого органического вещества. Часто это происходит в более глубоких слоях водяного столба, когда мертвый материал опускается на дно. Из-за этого более глубокие слои воды часто имеют более низкие уровни DO, чем мелкие слои.

DO и водная жизнь

У разных видов водных животных разные потребности в DO.Животные, которые питаются на дне водоема, где уровни DO обычно ниже, обычно могут переносить более низкие уровни DO, чем животные, обитающие у поверхности. Большинство рыб способны выживать и расти при концентрациях DO 5 мг / л или выше, хотя для нереста и оптимального роста могут потребоваться более высокие концентрации [3].

Когда уровень DO слишком низок для определенного вида, животное может стать вялым или умереть. Гипоксия — это состояние, при котором уровень DO достаточно низок, чтобы представлять угрозу для водных животных.Гипоксия может вызвать мертвые зоны в водоемах, где нет рыбы и других водных организмов. Уровень DO менее 1-2 мг / л обычно считается гипоксическим, а уровень менее 3 мг / л является поводом для беспокойства. Эти значения ниже требований для нереста и роста большинства рыб.

С другой стороны, перенасыщение воды O2 может привести к проблемам со здоровьем у рыб. Перенасыщение возникает, когда растворимость O2 в воде быстро снижается или когда O2 быстро образуется в результате фотосинтеза.Растворимость O2 может снижаться, например, при повышении температуры воды, поэтому быстрое повышение температуры воды может привести к перенасыщению. Перенасыщение кислородом может вызвать у рыб заболевание, называемое болезнью газовых пузырей.

Воздействие окружающей среды на DO

Поскольку растворенный O2 необходим большинству водных организмов, DO водного объекта часто используется для оценки его здоровья. На уровни DO в водоемах может влиять ряд различных экологических проблем.Например, стоки, связанные со сплошными рубками или сельскохозяйственными отходами, могут переносить чрезмерное количество органического материала в водоемы, что может привести к истощению O2 по мере разложения материала.

Другая проблема — это чрезмерное количество питательных веществ, которые могут попадать в водоемы через сток, связанный с внесением удобрений на сельскохозяйственных угодьях или площадках для отдыха (например, поля для гольфа) или с очистных сооружений. Избыток питательных веществ может привести к цветению водорослей — процессу, известному как эвтрофикация.Цветение водорослей может блокировать попадание света на водные растения, а мертвые водоросли являются источником органических веществ, которые могут снизить уровень DO при их разложении. Поскольку мертвые водоросли тонут, эта проблема особенно затрагивает более глубокие слои воды и животных, которые живут на дне или дне водоема.

Прибрежная растительность (растения, которые живут на берегах ручья или реки) защищает DO ручьев, обеспечивая тень, которая помогает сохранять воду прохладной. Однако при удалении этой растительности температура воды может повыситься, что приведет к соответствующему падению уровней DO.

На температуру воды может влиять и другая деятельность человека. Когда вода забирается или хранится для питья, орошения или промышленного использования, особенно в засушливые месяцы, уровень воды в ручьях может снижаться, что делает их особенно чувствительными к колебаниям температуры и потеплению. Результирующее снижение содержания DO может нанести вред водным организмам в этих водоемах. Когда вода используется для промышленных процессов охлаждения, а затем сбрасывается обратно в поток, ее температура часто выше, чем температура воды в потоке, что приводит к нагреванию потока и снижению его DO.

Заключение

На растворенный кислород влияет множество различных факторов и процессов, происходящих в водоемах, и он может колебаться в течение короткого времени. К счастью, большинство водных организмов может переносить короткие периоды, когда DO низкий. Однако постоянные проблемы с низким уровнем DO могут привести к ухудшению здоровья водной среды. Вот почему регулярный мониторинг DO важен, когда есть беспокойство о здоровье водной флоры и фауны.

Список литературы

[1] Американская ассоциация общественного здравоохранения (APHA) (2005) Стандартные методы исследования воды и сточных вод, 21-е изд.APHA, AWWA, WPCF, Вашингтон.

[2] ФАО. (2014). Выбор участка для аквакультуры: химические свойства воды. Вашингтон, округ Колумбия: Департамент рыболовства и аквакультуры, www.fao.org.

[3] Агентство по охране окружающей среды США (1986) Критерии качества окружающей воды по растворенному кислороду. EPA 440 / 5-86-003.

Растворенный кислород — Управление растениями в водах Флориды — Комплексный подход — Университет Флориды, Институт продовольственных и сельскохозяйственных наук

Кислород — это природный элемент, без которого не может жить ни одно животное.Рыбы и другие водные животные зависят от газообразного кислорода, растворенного в воде, так же как люди зависят от газообразного кислорода в воздухе.

Многие люди удивляются, узнав, что рыбы и другие водные организмы не используют кислород из молекул воды (h3O). Это связано с тем, что одна молекула кислорода (O) связана с двумя молекулами водорода (h3) и не может использоваться в этой форме. Вместо этого водные организмы зависят от растворенного газообразного кислорода (O2), бесцветного, безвкусного и не имеющего запаха вещества, которое попадает в воду из растений и из атмосферы.


Кислород от растений

Используя углекислый газ, воду и световую энергию (водные и наземные) растения генерируют новые клетки и восстанавливают поврежденные, используя процесс, известный как фотосинтез. Газообразный растворенный кислород выделяется как побочный продукт.

В водной среде свободно плавающие микроскопические растения, известные как водоросли, и более крупные подводные растения (макрофиты) выделяют кислород непосредственно в воду, где он используется животными и другими организмами, включая сами растения.

Кислородные установки

Хотя все растения производят кислород, одни производят больше, чем другие. В водной среде многие виды водных растений обладают способностью насыщать кислородом.

Некоторые виды особенно популярны среди любителей аквариума и прудов.

  • Бакопа каролиниана (бакопа)
  • Cabomba caroliniana (cabomba or fanwort)
  • Ceratophyllum demersum (coontail)
  • Juncus repens (спешка)
  • Najas guadalupensis (южная наяда)
  • Nymphoides aquatica (банановая лилия)
  • Potamogeton diversifolius (водоросль)
  • Vallisneria americana (ленточная трава или трава угря)

К сожалению, некоторые из них не являются местными и могут стать инвазивными во Флориде.

  • Hydrilla verticillata (гидрилла)
  • Myriophyllum aquaticum (перо попугая)
  • Nymphoides cristata (снежинка белая вода)
  • Nymphoides peltata (желтое плавающее сердце)

Кислород из атмосферы

Помимо кислорода, производимого растениями, атмосферное давление Земли постоянно выталкивает крошечные молекулы растворенного кислорода в поверхностные воды наших озер, прудов, океанов и бассейнов — даже в стакан воды на кухонном столе.Этот процесс известен как диффузия. Когда газообразный кислород выталкивается в воду, избыток кислорода из воды одновременно выделяется в воздух. Воздействие ветра и волн или механические аэраторы ускоряют диффузию, создавая большую площадь поверхности для проникновения кислорода в воду.

Уникальная способность воды удерживать и выделять кислород позволяет рыбам и другим животным дышать (дышать) под водой. Однако концентрации кислорода в водной среде редко бывают стабильными. Когда светит солнце и водные растения (включая водоросли) фотосинтезируют на полную мощность, кислорода много.Однако после захода солнца фотосинтетическая активность и, следовательно, концентрация кислорода значительно снижается. Обычно в воде есть буфер с растворенным кислородом, которого хватит до утра, когда процесс снова начнется. Однако, если что-то изменит картину, может закончиться кислород.


Погода и недостаток кислорода

Уровни кислорода в потоке в течение дня

Погодные условия, особенно в субтропическом климате Флориды, могут вызывать проблемы с кислородным голоданием.Несколько дней подряд пасмурная погода уменьшает количество солнечного света, доступного для фотосинтеза водорослями и растениями. Поскольку водоросли, растения и животные продолжают использовать сокращающийся запас кислорода, уровень кислорода опускается ниже 2 мг / л. Рыба и другие животные подвергаются стрессу, что увеличивает вероятность заболевания или, если условия сохраняются, смерти. Большое количество рыб может погибнуть в одночасье. Это обычно называют убийством рыбы. Обычно это происходит рано утром или незадолго до рассвета (с 4 до 6 часов утра) и часто в жаркую погоду, когда в воде изначально меньше кислорода.

Сильные дожди могут смывать органические вещества (листья, ветки и травы) в водоем и вызывать цепную реакцию, которая быстро расходует кислород. Как только мусор смывается в воду, миллиарды микроорганизмов (включая бактерии и зоопланктон) начинают разлагать растительность. Если сразу ввести большое количество органического материала, повышенная активность микроорганизмов может ускорить потребление кислорода. Растворенные вещества гниющей растительности в озере (или из заболоченных территорий, окружающих озеро) также могут попадать в воду после сильного дождя и иметь аналогичный эффект; также как и отходы животноводческих ферм или сточные воды септических резервуаров.Подробнее о влиянии цвета и растворенных веществ на воду см. Циркуляр № 108 Флориды LAKEWATCH, Руководство для начинающих по рациональному использованию водных ресурсов — Цвет.

Иногда может быть избыток растворенного кислорода, а в других случаях он может упасть до опасно низкого уровня — настолько низкого, что рыба и другие организмы станут подвержены стрессу, заболеют или даже умрут (например, погибнет рыба). В теплых озерах Флориды проблемы, связанные с кислородом, являются одной из наиболее частых причин гибели рыбы. Хотя это и беспокоит людей, большинство случаев гибели рыбы является результатом естественных процессов.Для оптимального здоровья теплопроводным рыбам (обитающим во Флориде) обычно требуется концентрация растворенного кислорода пять частей на миллион (5 частей на миллион). Хотя такое количество кислорода доступно в большинстве водоемов, оно никогда не бывает постоянным. Рыба обычно погибает при концентрации кислорода 2 мг / л или меньше. Для получения дополнительной информации см. «Растворенный кислород для производства рыбы» Рут Фрэнсис-Флойд.


Растворенный кислород

ЧТО ТАКОЕ РАСТВОРЕННЫЙ КИСЛОРОД?

Кислород, который делает возможной водную жизнь, не образует пузырьков, и это не кислород которая является частью молекулы воды H 2 O.Это отдельная молекула O 2 , растворенная в воде и невидимая для наших глаз.


ПОЧЕМУ ЗАНИМАТЬСЯ РАСТВОРЕННЫЙ КИСЛОРОД?

Всем наземным и водным животным для выживания нужен кислород.Многие водные макробеспозвоночные виды зависят от богатой кислородом воды. Без достаточного количества кислорода они могут исчезнуть. Даже небольшое изменение концентрации растворенного кислорода может повлиять на состав водные сообщества. Многим рыбам требуется определенный диапазон растворенного кислорода, чтобы выживать

Стандарты Юты

  • Минимальная концентрация растворенного кислорода для теплопроводных рыб: 5.5 мг / л
  • Минимальная концентрация растворенного кислорода для холодноводных рыб: 6,5 мг / л

ПРИРОДНЫЕ ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА РАСТВОРЕННЫЙ КИСЛОРОД

  • Водная жизнь — Животные, живущие в воде, потребляют растворенный кислород.Бактерии поглощают кислород при разложении материалы. Уровень растворенного кислорода падает в водоеме, в котором много мертвых, разлагающийся материал.
  • Высота — Поскольку потоки получают большую часть кислорода из атмосферы, потоки на больших высотах обычно будет меньше кислорода.
  • Соленость (соленость) — Соленая вода содержит меньше кислорода, чем пресная.
  • Температура — Холодная вода содержит больше растворенного кислорода, чем теплая вода.
  • Турбулентность — Повышенная турбулентность создает больше возможностей для проникновения кислорода в потоки.
  • Aquatic Vegetation- Водные растения и водоросли непосредственно выделяют кислород в воду во время фотосинтеза. (в течение дня).Ночью растения фактически используют кислород для обмена веществ.
  • Прибрежная растительность (растения вдоль ручья) — Прибрежная растительность затеняет ручей, понижая температуру воды, а по мере снижения температуры растворенный кислород увеличивается.

ЧЕЛОВЕЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА РАСТВОРЕННЫЙ КИСЛОРОД

  • Расчистка земель (e.g., строительство, лесозаготовки) Это может привести к попаданию излишков органических веществ в ручьи. Органическое вещество разлагается микроорганизмов, которые в процессе потребляют кислород. органические отходы в потоке, микроорганизмы используют больше кислорода, чем могут быть заменены в потоке.
  • Загрязнение из точечных источников — Сточные воды и заводские сбросы в водные пути могут разлагаться бактериями, как указано выше, приводя к образованию участков низкого DO ниже по потоку.
  • Загрязнение питательными веществами — Загрязнение питательными веществами может вызвать избыточный рост растений и водорослей. Как указано выше, бактерии, которые поедают мертвые растительные материалы, потребляют кислород из воды.
  • Уничтожение прибрежных территорий (например, развитие или перевыпас) уменьшает количество тени и увеличивает температура воды. Более теплая вода содержит меньше растворенного кислорода (DO), чем более холодная вода.
  • Узнайте, как ограничить влияние человека: Защитите свою воду


КАК ИЗМЕРИТЬ РАСТВОРЕННЫЙ КИСЛОРОД?

Utah Water Watch — Узнайте, как волонтеры в штате измеряют растворенный кислород. Выберите уровень 1 вкладка для основных / удобных в классе процедур или выберите вкладку Tier 2 для более сложных процедуры.

Stream Side Science — Изучите различные планы уроков с участием растворенного кислорода и посмотрите, как они применяются в различные основные учебные программы для классов k-12.

Растворенный кислород — обзор

3.1 Контроль растворенного кислорода

Удаление растворенного кислорода из питательной воды обычно осуществляется в деаэрирующем нагревателе или деаэраторе, в котором пар используется для удаления растворенного кислорода из питательной воды. Каждый из этих элементов оборудования имеет свою эффективность удаления растворенного кислорода. В некоторых приложениях с очень низким давлением может быть только резервуар для питательной воды, в котором смешиваются подпиточная вода и конденсат, который может или не может подвергаться активному барботированию паром или иным образом нагреваться, чтобы попытаться удалить растворенный кислород.

Целью процесса механической деаэрации является снижение содержания растворенного кислорода в питательной воде до менее 7 частей на миллиард для системы, использующей настоящий деаэратор. Растворенный кислород в питательной воде может вызвать точечную коррозию компонентов системы питательной воды. Более сложные системы питательной воды могут включать нагреватели питательной воды как низкого, так и высокого давления в дополнение к экономайзеру.

Кроме того, для удаления растворенного кислорода можно использовать вакуумные дегазаторы или деаэрирующие конденсаторы.Недавно был разработан процесс 7 с полупроницаемой мембраной для снижения содержания растворенного кислорода в воде. Эти мембранные системы использовались в лабораторных условиях более 25 лет, но только недавно стали коммерчески пригодными для промышленного применения. В этом мембранном процессе для деаэрации воды может использоваться комбинация вакуума и устройства для отгонки газа. Мембранные модули могут быть расположены последовательно для получения концентрации кислорода на уровне частей на миллиард в конечной воде.Эти мембраны, в зависимости от pH воды, также могут удалять углекислый газ. Перед газовой мембраной рекомендуется предварительная обработка обратным осмосом, чтобы предотвратить засорение. Обычный деаэратор обеспечивает только ограниченное удаление диоксида углерода, исходя из типичного щелочного pH воды, при котором диоксид углерода присутствует в виде бикарбонат-иона, а не в виде газа.

После любого из этих процессов механической / термической деаэрации можно применить химический поглотитель кислорода для дальнейшего снижения содержания растворенного кислорода в питательной воде (Таблица 1).

Таблица 1. Поглотители кислорода, используемые в парогенерирующих системах

Поглотитель Первичная реакция Комментарии
Гидразин N 2 H 4 2 + 2H 2 O Токсичность и проблемы обращения
Разложение гидразина 3N 2 H 4 → 4NH 3 + N 2 при температуре .& gt; 200 ° C
Сульфит натрия 2Na 2 SO 3 + O 2 → 2Na 2 SO 4 Также NaHSO 3 , Na O 5 , NH 4 HSO 3
Карбогидразид (H 2 N NH) 2 CO + 2O 2 → 2N 2N 2 3 2 2 → 2N 2N 2 2 2 O + CO 2 Образует гидразин при температуре & gt; 150 ° C, NH 3 , N 2 и H 2 при разложении
N, N -Диэтилгидроксиламин 4 90 (CH 3 CH 2 ) 2 NOH + 9O 2 → 8CH 3 COO + 9H + + 2N 2 + 6H 2 O Часто подается с гидрохиноном , уксусная кислота, CO 2 , ацетальдегид, NH 3 при температурах выше 275 ° C
Гидрохинон C 6 H 4 (OH) 2 + 1 / 2O 2 → C 6 H 4 O 2 + H 2 O Ацетаты 2 продуктов распада, проблемы токсичности
Эриторбат C 6 H 4 O 6 + 1 / 2O 2 → C 6 H 5 O 832

3 O

CO 2, молочная кислота, продукты разложения
Метилэтилкетоксим 2CH 3 (C 2 H 5 ) CNOH + O 2 9032 → N 2CH 3 (C 2 H 5 ) CO + H 2 O Часто подается с гидрохиноном, NH 3 , CO 2 , кетоны, альдегиды при разложении

сульфит натрия является наиболее распространенным химическим поглотителем кислорода, используемым в котельных установках низкого давления.Он также доступен в каталитической форме, что увеличивает скорость реакции с растворенным кислородом. Это может быть важно, когда процесс механической деаэрации не обеспечивает достаточного времени пребывания. Сульфит натрия — это нелетучее неорганическое соединение, которое вносит растворенные твердые вещества в питательную и котловую воду. Этот вклад растворенных твердых веществ предотвращает их использование в питательной воде, которая должна использоваться в качестве распылителя для пароохладителя или для пароохладителя для регулирования температуры пара, поскольку эти твердые частицы могут стать примесями в паре.

Контроль сульфита натрия обычно основан на поддержании остаточной концентрации сульфита в котловой воде. Это может быть проблемой в системе, в которой процесс деаэрации системы питательной воды и точка впрыска химикатов не обеспечивают достаточное время пребывания и температуру для завершения химической реакции поглощения кислорода до того, как питательная вода войдет в паровой барабан котла. Поглотители кислорода и растворенный кислород могут сосуществовать в питательной воде, и в такой ситуации может возникнуть точечная коррозия компонентов перед котлом.Из-за высокой летучести растворенного кислорода кислород предпочтительно переходит в паровую фазу, когда питательная вода входит в паровой барабан котла, оставляя непрореагировавший сульфит в виде очевидного остатка в котловой воде.

Еще одна точка попадания кислорода в систему, которую нельзя упускать из виду, — это путь утечки через уплотнения питательного насоса котла. Целесообразно не только контролировать рабочие условия температуры и давления деаэрирующего устройства для правильной работы, но также периодически измерять содержание растворенного кислорода в питательной воде непосредственно после питающего насоса котла.

Сульфит натрия может также производить некоторые кислые газообразные продукты разложения, такие как диоксид серы, которые будут выводиться из котла в виде пара. Это может быть значительным при рабочем давлении котла выше 4,1 МПа изб. (600 фунтов на кв. Дюйм). Эти продукты разложения могут вызвать низкий pH конденсата пара.

Гидразин — еще один доступный поглотитель кислорода, который использовался в основном в котлах высокого давления. Это летучее соединение, которое можно использовать в питательной воде, которая используется для регулирования температуры пара путем запуска или перегрева.Однако из-за его статуса подозреваемого канцерогена его использование в промышленности сократилось. Когда он используется, обычно требуется закрытая система подачи.

Учитывая эти проблемы со здоровьем, были разработаны альтернативы гидразину. Наиболее распространенными из них являются карбогидразид, эриторбат, диэтилгидроксиламин, гидрохинон и метилэтилкетоксим. Многие из этих поглотителей кислорода также действуют как пассивирующие ингибиторы коррозии. Каждый из них представляет собой органическое соединение, имеющее свои температурные ограничения.Продукты разложения могут варьироваться от только углекислого газа до нескольких органических кислот и других органических соединений.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *