Le comportement des gaz dissous dans les liquides est un domaine d'étude intrigant et étendu, qui joue un rôle clé dans les applications allant de la recherche pharmaceutique à la production de boissons.Dans la discipline du génie chimique, les cours de génie des procédés consacrent beaucoup de temps aux lois et aux relations qui régissent le comportement des systèmes liquide/gaz dans des conditions environnementales très variables.Dans cette astuce technique, nous expliquons comment la loi d'Henry est liée au fonctionnement des capteurs d'oxygène optiques Ocean Insight.
Capteurs d'oxygène optiques Ocean Insight
Les systèmes de capteur d'oxygène NeoFox détectent la pression partielle d'oxygène dans l'environnement, et le font via une méthode de déphasage de fluorescence.Un colorant spécial est intégré dans une matrice sol-gel à couche mince et appliqué sur la pointe d'une sonde à fibre optique ou d'un patch auto-adhésif, et une LED bleue est utilisée pour exciter la fluorescence du colorant (Figure 1).
Les aspects de cette fluorescence sont contrôlés par le détecteur et se comportent en fonction de la pression partielle d'oxygène et de la température.Étant donné que le système répond uniquement à la pression partielle d'oxygène, plusieurs paramètres doivent être connus du système lors de la conversion en unités d'oxygène dissous.
William Henry a formulé une loi clé en 1803, qui stipule : « À une température constante, la quantité d'un gaz donné qui se dissout dans un type et un volume de liquide donnés est directement proportionnelle à la pression partielle de ce gaz en équilibre avec ce liquide. ”
Fondamentalement, cela indique que la pression partielle d'un gaz dans un système gaz/liquide à deux phases s'équilibrera au même niveau dans chaque phase, ce qui est un concept intuitif.Cependant, les unités d'oxygène dissous sont souvent exprimées en mg/L (ou ppm) - une valeur qui changera en fonction du type de liquide et de ses propriétés telles que la salinité, malgré la même pression partielle.Comment se peut-il?Ce n'est pas aussi intuitif et nécessite des calculs intelligents pour effectuer la conversion appropriée.
Algorithmes de conversion de détection d'oxygène
La mesure de l'oxygène dissous dans l'eau de mer est un bon exemple pour illustrer la loi de Henry car c'est une application courante qui permet diverses dilutions de sa salinité.À 20 °C, l'eau de mer s'équilibrera dans l'air (20,9 % d'oxygène) à 7,2 mg/L, tandis que l'eau douce pure s'équilibrera à 9,1 mg/L légèrement plus élevés ;sans présence de sel, il y a plus de potentiel de chargement de gaz dans la phase liquide. Mais les deux pressions partielles sont identiques, s'équilibrant à 0,209 atm d'oxygène (à une pression totale de 1 atm).Les capteurs d'oxygène Ocean Insight ne seraient pas en mesure de faire la différence entre ces deux solutions ; un rapport précis de la valeur en mg/L nécessiterait la connaissance de la salinité et de la température de chaque solution.Nous pouvons le démontrer en examinant diverses concentrations d'oxygène bouillonnant à travers différentes dilutions d'eau de mer et en voyant comment les sondes à oxygène NeoFox réagissent.
Systèmes ouverts ou fermés
Le système de capteur d'oxygène NeoFox utilise une matrice d'étalonnage multipoint sur une plage de pressions partielles d'oxygène et de températures.Le système utilise cette matrice pour corriger les fluctuations de température dans le système.
En phase gazeuse ceci est valable et même nécessaire pour des mesures correctes ;si la température augmente de 10 °C et que la pression partielle d'oxygène reste la même, le système subira une baisse de la valeur tau (durée de vie de la fluorescence) mais détectera également le delta de température et produira toujours la même valeur de pression partielle d'oxygène.
Si la matrice d'étalonnage multipoint est utilisée en phase liquide dans un système ouvert, qui est libre de s'équilibrer avec l'environnement en phase gazeuse qui l'entoure, cela sera également valable puisque la conversion de la pression partielle sera effectuée comme dans la phase gazeuse.De plus, la conversion ultérieure de l'unité d'oxygène dissous s'ajustera en fonction de la température puisque l'oxygène en mg/L est libre de changer avec la phase gazeuse au-dessus.Cependant, dans un système fermé, les choses ne sont pas si simples.Si vous aviez un récipient d'eau de 1 L parfaitement scellé avec un niveau d'oxygène non proche de la saturation (disons, 2 mg/L), et sans aucun gaz dans le récipient, un changement de température entraînerait un faux changement dans les unités d'oxygène dissous rapportées. .Dans notre système ouvert, lorsque la température changeait, le liquide était libre d'échanger de l'oxygène avec l'environnement, et les calculs de conversion représentaient ce changement en mg/L.Cependant, dans notre système fermé - qui ne peut pas interagir avec l'environnement - un changement de température déclencherait également les calculs de conversion pour signaler un changement en mg/L, même si nous savons que nous avons toujours nos 2 mg d'oxygène dans notre récipient de 1 L .La solution la plus simple dans ce scénario consiste à ne pas autoriser la conversion secondaire (pression partielle en mg/L) à prendre en compte le changement de température et à autoriser uniquement la première conversion (tau à pression partielle) pour compenser la température.Cette approche , cependant, suppose que l'utilisateur connaît la valeur réelle de l'oxygène dans le système fermé à une certaine température initiale ;entrer dans ce type de conversion en système fermé sans le bon
Les points initiaux rendent le calcul très difficile, voire impossible.
conclusion
Ocean Insight améliore continuellement la façon dont nos capteurs d'oxygène traitent et transmettent les données à l'utilisateur, afin que les valeurs soient aussi valides et précises que possible.
Ressources utiles
• Tables de solubilité de l'oxygène dissous de l'US Geological Survey.
• Tables US Geological Survey des valeurs de saturation en oxygène dissous.
Heure de publication : 26 mars 2022