Zuurstof in water

Zuurstofmoleculen (O₂) komen in het water door uitwisseling met de atmosfeer en doordat waterplanten zuurstof produceren door fotosynthese. Ook kunstmatige beluchting, bijvoorbeeld met een fontein of een bellenbeluchter, kan zuurstof aan het water toevoegen.

Figuur A Massale vissterfte in stedelijk water (Foto: Partners4UrbanWater)

Zuurstofvragende stoffen in het water onttrekken zuurstof aan het water, waardoor de zuurstofconcentratie afneemt. Zuurstofvragende stoffen zijn voedingsstoffen voor micro-organismen (zoals bacteriën) die voor hun stofwisseling zuurstof gebruiken. Bij hoge concentraties zuurstofvragende stoffen vermenigvuldigen deze micro-organismen zich zeer snel. Dan nemen zij meer zuurstof op dan er wordt aangevuld vanuit de atmosfeer of door productie van waterplanten. Hoge concentraties zuurstofvragende stoffen en resulterende zuurstofdips in oppervlaktewater kunnen het gevolg zijn van overstortingen (zie figuur B). In extreme situaties kan oppervlaktewater daardoor nagenoeg zuurstofloos worden, met massale vissterfte tot gevolg (zie figuur A en Vissterfte door zuurstoftekort).

Verzadigingsconcentratie

De maximaal oplosbare hoeveelheid zuurstof (O₂) in water heet de verzadigingsconcentratie. Deze concentratie is afhankelijk van parameters als temperatuur, luchtdruk en concentraties van zouten in het water:

De belangrijkste parameter die de verzadigingsconcentratie bepaalt, is de temperatuur. Een hogere temperatuur zorgt voor een lagere verzadigingsconcentratie.
Een hogere luchtdruk zorgt voor een iets hogere verzadigingsconcentratie.
Zout water heeft een lagere verzadigingsconcentratie dan zoet water.

In tabel A ziet u de verzadigingsconcentraties van zuurstof in zoet water bij verschillende temperaturen.

Tabel A Oplosbaarheid van zuurstof (O ₂) in zoet water
Temperatuur [°C]	Verzadigingsconcentratie zuurstof [mg/l]
0	14,6
5	12,8
10	11,3
15	10,1 - 10,2
20	9,1 - 9,2
25	8,2 - 8,6
30	7,5 - 7,8
100	0

Figuur B Gemeten zuurstofconcentratie in een beek waarin een overstort loost (Bron: Partners4UrbanWater

Zuurstof meten

De zuurstofconcentraties in water kunt u op twee manieren meten:

met een zuurstofelektrode;
met een optische zuurstofmeter.

Productbrochures en internationale literatuur gebruiken voor een zuurstofmeter ook vaak de term DO-sensor (van het Engelse dissolved oxygen).

Zuurstofelektrode

De eerste praktisch toepasbare zuurstofelektrode is in 1962 uitgevonden door de Amerikaanse biochemicus Leland Clark. De Clark-elektrode was bedoeld om het zuurstofgehalte in bloed te bepalen, maar kan ook in water meten. Latere aanpassingen en verbeteringen hebben geleid tot een diversiteit aan meetinstrumenten met een vergelijkbaar meetprincipe.

Een zuurstofelektrode bestaat uit twee elektroden: een gouden of platina kathode (de meetelektrode) en een zilveren anode in een elektrolyt. De elektrolyt is een oplossing van geleidende ionen, bijvoorbeeld kaliumchloride. Een spanningsbron zorgt voor een constant potentiaalverschil (gelijkstroom) tussen de anode en de kathode. Een teflon membraan dat zuurstofmoleculen doorlaat, scheidt de elektrolyt van de meetoplossing. Zuurstofmoleculen die door het membraan komen, reageren bij de meetelektrode (een reductiereactie):

O₂ + 4 e^- + 2 H₂O → 4 OH^-

Bij de zilveren anode vindt de oxidatiereactie plaats waarbij de elektronen vrijkomen:

2KCl + 2Ag → AgCl + 2K⁺ + 2e^-

De elektronen die bij de anode vrijkomen, lopen via een ampèremeter naar de kathode. De concentratie O₂ bepaalt de snelheid van de redoxreactie en daarmee ook de gemeten stroomsterkte. Omdat de concentratie wordt afgemeten aan de stroomsterkte, heet een zuurstofelektrode ook wel een amperometrische sensor. Een andere term is elektrochemische zuurstofsensor.

Aandachtspunten bij gebruik van een zuurstofelektrode

Vóór een zuurstofmeting moet de sensor al enige tijd op de spanningsbron zijn aangesloten vanwege verstorende effecten op de meetresultaten van het veranderen van de spanning. Dit zogenoemde polariseren kan, afhankelijk van het meetinstrument, enkele minuten tot uren duren.
Als er geen zuurstof meer beschikbaar is, loopt de reactie af. U moet een zuurstofelektrode bij gebruik blijven roeren in de meetoplossing. Zo zorgt u voor een continue zuurstofaanvoer naar de meetelektrode en kan rondom het membraan geen zuurstofarm gebied ontstaan. Hoe kleiner de elektrode, hoe langzamer de reactie verloopt en hoe minder belangrijk dit effect wordt. Er bestaan microsensoren die nagenoeg ongevoelig zijn voor het effect van roeren.
Geleidelijk vormt zich een zilverchloridelaag op de zilveren anode. Dit kan de oxidatiereactie belemmeren, waardoor een meetfout ontstaat. Daarom bevat een zuurstofelektrode vaak een referentie-elektrode waarmee deze fout wordt verrekend. Van tijd tot tijd moet u de zilveroxidelaag van de zilveren anode reinigen. Hoe u dit doet, staat in de handleiding van de sensor.

Optische zuurstofmeter

Een optische zuurstofmeter (optode) werkt op basis van fluorescerende eigenschappen van een stof die bindt aan zuurstof. De zuurstofmeter bevat een ledlamp als lichtbron die door een lichtgeleidende glasvezel schijnt. Aan het einde van de glasvezel zit een membraan dat in contact staat met de meetvloeistof en fluorescerende moleculen bevat. Een voorbeeld van zo'n membraan is een silicagel die een chlorofyl-zinkcomplex bevat, maar ook andere stoffen worden gebruikt. Door het invallende licht gaan deze moleculen rood of infrarood licht uitstralen (fluorescentie). Een lichtgevoelige diode vangt de lichtsterkte op.

De fluorescerende moleculen binden aan zuurstof, waarmee ze hun fluorescerende eigenschap verliezen. Hoe hoger de zuurstofconcentratie in de meetvloeistof is, hoe meer zuurstof in het membraan wordt gebonden. Hierdoor neemt de hoeveelheid uitgestraald licht af. De lichtsterkte van de fluorescerende moleculen is het grootst als er geen zuurstof aanwezig is. De relatie tussen zuurstofconcentratie en lichtsterkte is niet lineair. Een optode is het gevoeligst bij lage zuurstofconcentraties, maar kan ook tot de verzadigingsconcentratie in water nog betrouwbaar meten.

Omdat in een optode de zuurstof niet wordt 'opgebruikt' zoals bij een zuurstofelektrode, is roeren van de sensor door de meetvloeistof niet nodig.

Zuurstof in de omgevingslucht

Behalve in opgeloste vorm in water komt zuurstof ook als gas in de lucht voor. Hoe u de concentratie gasvormig zuurstof in de omgevingslucht meet, vindt u bij Gasmeter zuurstof.

Zuurstofmeter