pH原位監測的挑戰和解決方案

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為什么要監測 pH?

pH，溶液當中的氫離子濃度，是一個描述水體化學性質變化的重要的指標參數。水體的pH值決定了化學組成成分，如營養鹽和重金屬的溶解度和生物可利用性，并在細胞的層面和結構的層面上影響生物體的組織。pH通常以對數的，以7為中性點在0-14的量程范圍內進行測量。測量值小于7說明酸性，大于7說明酸堿度為堿性。例如，溪水正常的pH值的范圍是介于6-8之間， 檸檬汁的pH值在3左右，氨水的的pH值在12左右。在限定的區域內，在受到來自農業、生活污水和工業領域排放的影響，所富含的營養鹽、化學物質、重金屬被排放到水體后，pH值會發生劇烈并迅速地變化。在開放的海域里，由于大氣當中比較高的CO2水平超出了海水緩沖pH值變化的能力，pH值存在下降的趨勢（海洋酸化）。

原位監測pH的挑戰

在2012年由Alliance for Coastal Technology發起的調查的調查報告顯示使用者對現場pH監測的顯著的顧慮主要有以下幾種：

• 是否堅固耐用（49%）

• 校準周期（46%）

• 測量不確定性水平（43%）

• 可靠性（41%）

   

在自然水體中連續運行的情況下，pH傳感器（和其他原位測量的傳感器一樣）可能會產生兩種類型的漂移 ：

• 傳感器校準漂移（由傳感器內部的元器件和測量裝置的變化引起的）

• 由傳感器暴露在自然水體當中引起的，尤其是生物玷污引起的漂移

   

漂移率及其對數據質量的影響是決定維護周期、運行成本和耗費在對數據進行后處理以消除漂移影響的主要的因素。將pH傳感器的漂移定量化和小化是獲取pH數據并對數據質量充滿信心的重要挑戰。

 原位監測pH的優勢

 原位pH的變化被證明對水生物是有害的甚至會造成致命的損害，同時也會危害人類的生命。原位的pH的變化說明存在有害的，甚至潛在的可能對水生物存在致命的影響，甚至對人類非常危險的水質變化。

pH的變化可以對幼小的或是生病的魚類、對于貝類的整個生命周期都有著非常大的影響。魚類和貝類的攝食、生長、繁育的能力均會受到pH水平的影響。面對不適應（超過其自身的調節能力）的pH水平，生物的種群數量就會下降。在長期的監測過程中pH在某一瞬間不準確的測量值是一個固有的問題，在河口、湖泊、海濱或溪流等有著非常高的初級生產力或在外力作用下的快速循環的生態體系當中pH值本身也經常會高頻率地變化，這使pH的長期監測變得更加困難。在絕大多數的情況下，溶解氧飽和度與pH是高度相關的（詳見下頁圖表）。在河口地區與溶解氧過飽和伴隨發生的藻華可以導致pH值在7-10的范圍內隨著藻類榮枯的循環變化。在這些條件下只有準確的、連續的采樣可以消除巨大的變動并獲得長期的平均變化。

漂移對運營成本的影響

校準漂移是電子元器件的老化和兩次校準之間pH參比傳感器的稀釋的結果。

生物玷污的漂移是在拋放運行期間生物的生長和繁殖，覆蓋了傳感器并降低其探測真實水體特性的能力。

Alliance for Coastal Technology 估計由于生物玷污導致的維護成本大約占了50%的運營的預算。普通的用于降低pH傳感器生物玷污漂移的技術包括機械刷、金屬（銅合金）傳感器測量杯、銅合金網、化學噴劑、防玷污膠帶、duct 膠帶和塑料包裹另外一個小化影響傳感器的生物生長的方法是在兩次測量的間隔阻止外部環境的水進入傳感器。

 上側的照片顯示的是拋放在Shilshole灣的儀器的外觀和pH傳感器從儀器的內部流通池上拆下來的樣子。HydroCAT-Ep的內部的泵和流通池可以保護pH傳感器免于逐步累積的生物的生長，因此限制了因生物玷污引起的漂移。

漂移對數據質量的影響 

校準漂移可以通過傳感器的設計和選擇合適的元器件來小化和線性化。生物玷污可能會以非線性或爆發的形式發生，但很多組織依然運用基于拋放的開始和結束的日期進行線性修正來消除生物玷污的影響。在很多組織當中數據必須要經過修正、檢驗然后才會被批準公布。大量的時間會被用于收集數據、修正數據然后公布數據并帶有一個“良好”或“低質量”的數據質量評級。由于沒有統一的生物玷污修正標準，確定生物玷污的修正的信心指數是非常困難的。這同時也產生了不同監測方案之間數據比較時存在可比性的問題。 

結論

理想的pH監測方案是小化校準漂移并消除生物玷污對傳感器性能和精度的影響。它滿足了連續、準確、原位的pH測量的要求 – 同時獲得相關的參數如溫度、溶解氧和葉綠素A的濃度，并且確保運營成本低并獲得好的長期數據質量。

文章來源：哈希