Proprio come noi abbiamo bisogno di aria per respirare, gli animali acquatici hanno bisogno di ossigeno disciolto. È necessario per la sopravvivenza di pesci, invertebrati, batteri e piante sottomarine.

Come viene misurato l'ossigeno disciolto?

La concentrazione di Ossigeno Disciolto (solitamente abbreviato con "OD" o "DO") può essere espressa in diverse unità di misura, per esempio milligrammi per litro, parti per milione o come percentuale di saturazione.

Tecniche per la misura in situ dell'ossigeno disciolto:

La tecnologia storicamente più utilizzata per la misura dell'ossigeno disciolto in campo, è rappresentata dal sistema brevettato dal Dr. Leland Clark, che consiste in un sensore elettrochimico, rivestito da una membrana permeabile (cella di Clark). Nel corso degli anni però la tecnologia si è evoluta e sono state sperimentate altre metodologie per la misura dell'ossigeno disciolto, più efficienti e più stabili della cella di Clark, attualmente le tecnologie più comuni sono: galvanica, polarografica e polarizzata pulsata (a fluorescenza).

Di seguito andremo ad analizzare i due sistemi più diffusi: i sensori di tipo galvanico e i sensori a fluorescenza.

Questo metodo di misura dell’ossigeno disciolto utilizza un sensore a cella di Clark.
Il sensore è costituito internamente da un catodo di platino ed un anodo di Ag/AgCl.
Il catodo contenuto in un cilindro isolante sul quale è avvolto l'anodo, il tutto contenuto all’interno di altro cilindro contenente una soluzione di cloruro di potassio. Nell’estremità inferiore, il sensore è chiuso da una membrana. Tra i due elettrodi è imposta una differenza di potenziale tra 600 e 800 mV.

Quando l’elettrodo viene immerso nell’acqua da analizzare (analita), le molecole di Ossigeno Disciolto a contatto con l’elettrodo, si diffondono attraverso la membrana per essere ridotte, la misura della corrente prodotta dalla reazione di ossidoriduzione è direttamente proporzionale alla pressione parziale di ossigeno (e quindi alla concentrazione) che diffonde attraverso la membrana. La taratura dell'elettrodo viene effettuata con soluzioni a concentrazione nota di ossigeno disciolto.

Vantaggi e limiti:

I sensori a cella di Clark hanno un basso costo di costruzione e rappresentano sicuramente una soluzione economica per il monitoraggio dell’ossigeno disciolto, il metodo di rilevazione comporta un consumo di ossigeno e quindi per avere un dato di lettura preciso, è necessario che al di sotto della membrana vi sia sempre un flusso costante. Per mantenere una elevata precisione di lettura sono necessarie calibrazioni frequenti, inoltre le membrane sono delicate e non possono essere utilizzate in ambienti critici o particolarmente inquinati, inoltre vanno periodicamente sostituite (ogni 3-6 mesi)

Come detto sopra, gli elettrodi a cella di Clark hanno dei limiti (soprattutto il consumo di ossigeno e la delicatezza delle membrane) che ne rendono l’utilizzo difficoltoso in particolari situazioni, come per esempio in pozzetti di acque reflue, in piezometri o in generale ovunque non c’è un flusso di acqua costante o dove vi è la presenza di inquinanti aggressivi. Negli ultimi anni è stata sviluppata una nuova tipologia di elettrodi che, per la determinazione dell’ossigeno disciolto, non utilizzano una reazione elettrochimica, ma sfruttano la proprietà delle molecole di ossigeno di assorbire fasci luminosi di determinate lunghezze d’onda (quenching della fluorescenza).

Le caratteristiche più importanti della metodologia a riduzione della fluorescenza, sono l’elevata precisione e affidabilità della misura, nonché la manutenzione ridotta che questo tipo di elettrodi richiede: non ci sono membrane o elettroliti che si consumano. In generale gli elettrodi a metodo ottico (a fluorescenza) hanno una durata molto più lunga di quelli a metodo galvanico e possono essere impiegati anche in ambienti con presenza di inquinanti aggressivi.

Principio di funzionamento degli elettrodi a riduzione della fluorescenza:

Il sensore ottico funziona sfruttando il principio della “riduzione dinamica della fluorescenza” (Dynamic Luminescence Quenching): un materiale gas-permeabile detto fluoroforo o luminoforo (Luminophore), viene eccitato dall'emissione di lampi di luce blu causando l'emissione di luce rossa (una fluorescenza alla lunghezza d'onda di circa 600nm) da parte delle molecole di un composto del rutenio contenute al suo interno, se ci sono delle molecole di ossigeno che vengono a contatto con le molecole del composto di rutenio eccitato, una parte dell'energia viene assorbita dall'ossigeno, che va quindi a ridurre la fluorescenza emessa, misurando questa riduzione è possibile risalire alla concentrazione di ossigeno disciolto.

Vantaggi:

I sensori ottici a Fluorescenza presentano notevoli vantaggi rispetto ai sensori a metodo Galvanico: hanno una bassissima manutenzione, non ci sono membrane o elettroliti da sostituire, non è necessario che ci sia un flusso continuo di acqua sotto il sensore per ottenere una lettura stabile, la calibrazione dura per periodi molto più lunghi, possono essere utilizzati anche in ambienti difficili con presenza di inquinanti aggressivi (es. acque reflue).