Transcript Analisi ossigeno e agitazione

L’ANALISI DELL’OSSIGENO E LA NECESSITA’
DI UN’ADEGUATA AGITAZIONE
I più moderni strumenti polarografici consentono non solo di rilevare microquantità dell’ordine
dei ppb, o addirittura dei decimi di ppb, vale a dire 0,00001 ppm di ossigeno disciolto, ma anche
di rilevare in tempi veramente brevissimi variazioni minime di dette microquantità.
Sull’asse delle ascisse è riportato il tempo in
secondi, sull’asse delle ordinate la
concentrazione di ossigeno rilevata, espressa
in ppm. Dalla curva di regressione lineare
si ricava una quantità di ossigeno prodotto
di 1,42 ppb al secondo, con una precisione
di +- 0,02 ppb, decisamente migliore di
quella richiesta (+- 0,05 ppb).
Figura 1
Come si può rilevare ad esempio dalla curva
riprodotta in Fig. 1, in una prova effettuata
presso l’Università di Regensburg durante una
ricerca del Prof. V.Gerhardt della facoltà di
fisica, è stata monitorata la variazione della
concentrazione di ossigeno, che in un tempo di
soli 200 secondi è passata da circa 8 ppm a circa
8,3 ppm. Benchè tale passaggio sia avvenuto in
soli 3 minuti, è stato possibile rilevare ben 70
valori, cioè uno ogni 2,8 secondi, con una
variazione di solo 1,42 ppb al secondo,
ottenendo ciononostante una serie di valori
significativa, posti su una retta con poche
deviazioni, tutte in una fascia strettissima. Ciò
dimostra che, mediante uno strumento adatto,
attualmente è possibile eseguire misure di
estrema precisione, rilevando microvariazioni
in tempi brevissimi
Lo strumento scelto è il MULTI-RANGE
4002 DRS della SYLAND SCIENTIFIC,
mentre la ricerca riguardava la produzione
primaria di fitoplancton in fiumi e laghi,
effettuata con un metodo che presupponeva la misurazione della quantità di ossigeno prodotta da
una cultura fresca di Chlamydomonas reinhardii in particolari condizioni, riprodotte in
laboratorio. La precisione richiesta per ottenere un risultato significativo in poco meno dei 4
minuti disponibili era dell’ordine di 0,05 ppb al secondo, mentre la precisione effettivamente
raggiunta è di +- 0,02 ppb, decisamente migliore di quella richiesta.
Per rendersi conto di come sia stato possibile ottenere un risultato che può essere senz’altro
definito clamoroso è necessario approfondire il meccanismo di rilevazione dell’ossigeno e di
trasmissione del segnale allo strumento che lo elabora.
L’ossigeno sciolto nell’acqua viene “consumato” dalla sonda tanto più in fretta quanto più rapida
è la risposta dello strumento. Tale “consumo” sta alla velocità di diffusione dell’ossigeno
attraverso l’acqua come la velocità di una moderna macchina da corsa di formula 1 sta alla
velocità di un vecchio motofurgone che trasporti specchi o altri manufatti di vetro molto delicati.
Perciò la concentrazione di ossigeno nello strato d’acqua a contatto della sonda tende a scendere
velocemente, come si può facilmente constatare immergendo la sonda in un bicchiere d’acqua,
tenendola immobile e osservando la rapida discesa della concentrazione di ossigeno sul display
dello strumento (un buon ossimetro è in grado di registrare variazioni dell’ordine di alcune ppm
di ossigeno, ad esempio da 5 a 2 ppm o viceversa, nel giro di pochi secondi). Per mantenere
costantemente nello strato d’acqua a contatto con la sonda la “vera” concentrazione di ossigeno,
è dunque necessario rinnovarlo velocemente e continuamente, sia che si tratti di misure in
bottiglia (ad esempio BOD), sia che si tratti di misure esterne, ad esempio in acque stagnanti o
con poco movimento. La velocità dell’acqua a contatto con la sonda deve essere di almeno 20 cm
al secondo per centimetro quadro di superficie del catodo della sonda, solitamente ricoperto da
una membrana permeabile all’ossigeno ma non all’acqua e alle sostanze in essa contenute. Tale
risultato non può essere ottenuto mediante agitatori magnetici rotanti nelle bottiglie, perché per
Fig. 2
A
E
F
D
C
B
Elettrodo per ossigeno di tipo industriale, con o senza paletta oscillante e teleagitatore montato.
A = elettrodo industriale senza calotta di protezione
B = calotta di protezione
C = paletta oscillante su supporto avvitabile
D = teleagitatorre a doppia bobina, avvitabile in sostituzione della calotta di protezione
E = elettrodo con paletta oscillante montata
F = elettrodo con paletta e teleagitatore montati
Fig. 3
Complesso per la misurazione del BOD. Sopra al generatore di
impulsi brevettato MAGNOTRON 2000 si trova un ossimetro di
precisione, mentre l’elettrodo con la paletta oscillante viene
introdotto nella bottiglia con il campione. Quindi la bottiglia viene
sistemata sulla base ad altezza regolabile del Magnotron 2000, con
il collo tra le due bobine sporgenti dallo strumento. L’oscillazione
della paletta viene provocata mediante gli impulsi elettromagnetici
trasmessi attraverso tali due bobine
Fig. 4
Generatore elettronico di impulsi Magnotron 2000, con bottiglie per BOD di tipo americano
(cono USC), di tipo europeo (cono NS 19), nonché del tipo “Karlsruhe” con imbuto incorporato.
In quest’ultima l’acqua spostata dall’introduzione dell’elettrodo nella bottiglia viene raccolta
nell’ìmbuto e, dopo la misurazione, rifluisce nella bottiglia.
raggiungere una velocità sufficiente, la velocità di rotazione della barretta magnetica deve essere
aumentata fino alla formazione di un vortice, che favorisce l’infiltrazione di ossigeno
dall’esterno, a parte il fatto che, anche se la barretta viene posizionata eccentricamente nella
bottiglia, la velocità dell’acqua rimane lenta proprio nel punto dove dovrebbe essere veloce, cioè
a contatto del catodo della sonda. Per rilevazioni sia all’esterno che in bottiglia, vengono proposti
vari sistemi, tra cui agitatori rotanti posizionati a contatto del catodo, la cui rotazione è ottenuta
meccanicamente attraverso la sonda stessa, che perciò diventa più complessa, a parte il fatto che
nelle misurazioni all’esterno il meccanismo raccoglie facilmente fili d’erba o altri materiali che
ne pregiudicano il funzionamento.
Tutti questi problemi sono stati risolti brillantemente mediante un agitatore di nuovo tipo,
brevettato, consistente in una paletta oscillante, montata direttamente sulla sonda dell’ossimetro.
L’oscillazione della paletta, dotata di un magnete permanente, è ottenuta mediante l’invio di
impulsi alternati da un apposito generatore elettronico. Come si può rilevare dalla Fig.2 E e dalla
Fig.3, la paletta oscillante, interamente in plastica, con base elastica, viene avvitata sul corpo
della sonda. Se la misurazione viene effettuata in bottiglia (Fig.3) gli impulsi magnetici vengono
trasmessi attraverso le bobine contenute nel generatore elettronico MAGNOTRON 2000 (Fig.4).
Per misurazioni all’aperto gli impulsi vengono trasmessi da un dispositivo a doppia bobina
avvitabile sull’elettrodo (Fig.2 D ed F) Il complesso sonda-teleagitatore ha una lunghezza di 300
mm e un diametro di soli 52 mm, per cui può essere calato anche in un pozzo profondo attraverso
il tubo di prelevamento, che normalmente è di due pollici (60 mm).
Per la misura di tracce d’ossigeno fino a 0,00001 ppm (0,1 ppb) è necessario evitare che il
campione assorba ossigeno dall’aria, usando ad esempio una cella ad attraversamento (Fig.5).
Inoltre la misura di microquantità di ossigeno richiede un elettrodo attivo estremamente veloce
nonché uno strumenti a sensibilità elevatissima e stabilità pressoché assoluta nel tempo,
Fig. 5
TEMPOMAT 4002 DRS – Ossimetro d’alta precisione, con generatore di impulsi
elettromagnetici alternati incorporato, dotato di cella ad attraversamento continuo, adatto per uso
sul campo.
raggiungibile mediante stabilizzazione automatica (comprensiva di linearità, isteresi, ripetibilità e
banda morta).
Quanto detto vale sia per gli elettrodi attivi (che, come una pila, producono corrente solo in
presenza di ossigeno, per cui lo zero è un valore assoluto e un punto di riferimento sicuro. Questi
elettrodi trasmettono allo strumento tutta la tensione elettrica generata dall’ossigeno contenuto
nell’acqua e non richiedono azzeramento) sia per gli elettrodi passivi (che ricevono dallo
strumento una corrente di polarizzazione di circa 720 mV e trasmettono allo stesso la differenza
di tensione generata dall’ossigeno presente nell’acqua e per questa ragione richiedono una
frequente taratura dello zero, ottenuta immergendo la sonda in soluzioni “a contenuto zero” di
ossigeno).
Riassumendo, il sistema brevettato MAGNOTRON è privo di parti rotanti, garantisce un
movimento dell' acqua assolutamente costante a contatto della membrana dell'elettrodo, e puo'
essere usato sia nelle bottiglie da BOD che nelle misure a distanza, in acque superficiali, in
serbatoi, in profondità, negli impianti di depurazione, ecc. Inoltre, nelle misure in profondità, non
sussiste il pericolo di infiltrazioni d'acqua.
Il sistema è costituito da una paletta oscillante, dotata di un magnete permanente, che viene
avvitata direttamente sulla punta dell'elettrodo. L' oscillazione è provocata da impulsi provenienti
da un apposito generatore elettronico, che eccitano una o due bobine elettromagnetiche, poste
vicino alla paletta. Le bobine producono un campo magnetico alternato, modulato in ampiezza e
in frequenza, che consente di regolare a volontà l'oscillazione della paletta. Si ottiene così
un'agitazione dell'acqua controllata, ampiamente sufficiente per misurazioni perfette in tutte le
condizioni, ma tanto delicata da non provocare lo scioglimento di eventuali bolle d'aria, che
vengono semplicemente spinte via dall'elettrodo.