El sensor de CO2 disuelto convierte la concentración de CO2 disuelto en el agua en una señal predecible a través de un proceso físico - químico, y su mecanismo central se puede dividir en dos categorías principales: método electroquímico y método óptico, ambos basados en cambios físicos y químicos causados por la interacción de CO2 con un medio específico.
Método electroquímico: reacción iónica y conversión de señales potenciales / actuales
El sensor electroquímico se basa en la detección de cambios en la concentración de iones generados por la reacción de CO2 con electrolitos. Tomando como ejemplo el método potencial, su estructura incluye electrodos sensibles al ph, electrodos de referencia y membranas selectivas de co2. Cuando la molécula de CO2 penetra en la membrana selectiva y entra en el electrolito, se produce una reacción:
CO₂+H₂O⇌H₂CO₃⇌H⁺+HCO₃⁻
La concentración de H generada por la reacción está en relación numérica con la concentración de co2, y los electrodos sensibles al pH emiten señales potenciales detectando cambios en la concentración de H (es decir, cambios en el ph). Los Electrodos de referencia proporcionan un potencial de referencia estable para garantizar la precisión de la detección. El chip incorporado del sensor convierte la señal potencial en un valor de concentración de CO2 disuelto, con una precisión de ± 1 ppm, adecuado para escenarios de baja y media precisión, como el tratamiento de aguas residuales y la acuicultura.
El sensor de método de corriente, por su parte, genera una señal de corriente proporcional a la concentración a través de la reacción electrolítica de CO2 en la superficie del electrodo de trabajo. Por ejemplo, el CO2 se reduce al co en el electrodo de trabajo:
CO2 + 2H + 2e- →CO + H2O
La intensidad de la corriente generada por la reacción refleja directamente la concentración de co2, con una mayor precisión (+ 0,5 ppm), pero es necesario reemplazar regularmente el electrolito, que se utiliza principalmente en escenarios de demanda de alta precisión como la biomedicina.
Método óptico: absorción de luz y efecto de enfriamiento de fluorescencia
Los sensores ópticos utilizan las características de absorción o extinción de fluorescencia de moléculas de CO2 a una longitud de onda específica para la detección. El sensor infrarrojo no disperso (ndir) calcula la concentración midiendo la intensidad de absorción de la luz infrarroja de CO2 a 4,26 micras, y la atenuación de la intensidad de la luz es lineal con la concentración de co2, con una precisión de ± 0,5 ppm y un tiempo de respuesta de unos 60 segundos, adecuado para escenarios como alimentos y bebidas y monitoreo ambiental.
El sensor de enfriamiento por fluorescencia depende del efecto de enfriamiento del CO 2 sobre las sustancias fluorescentes. Los reactivos fluorescentes recubiertos en la superficie de la sonda fluorescente (como el complejo de rutenio) emiten luz roja estimulada por la luz azul, las moléculas de CO2 se combinan con el reactivo para acortar la vida útil de la fluorescencia, y el sensor calcula la concentración detectando el grado de atenuación de la intensidad de la fluorescencia. El método tiene una velocidad de respuesta rápida (+ 30 segundos) y no necesita mantenimiento, pero su precisión es ligeramente inferior (+ 1 ppm), es propenso a la interferencia de la luz fuerte y es adecuado para escenarios dinámicos como la detección portátil y el cultivo sin suelo.
Factores ambientales y estrategias de optimización
La temperatura, la presión y la composición del agua afectan el rendimiento del sensor. El aumento de la temperatura acelerará la velocidad de disolución y reacción del co2, y la mayoría de los sensores incorporarán módulos de compensación de temperatura para corregir los errores; El aumento de la presión del agua aumenta la disolución del co2, y algunos modelos deben estar equipados con sensores de presión para compensar; La turbidez o el aceite pueden bloquear el camino óptico del sensor óptico o contaminar la película electroquímica, y la sonda debe limpiarse regularmente.
Los métodos electroquímicos y ópticos tienen sus propias ventajas: los métodos electroquímicos son de bajo costo y pequeños volúmenes, adecuados para escenarios de bajo costo; El método óptico tiene alta estabilidad y larga vida útil, y es adecuado para monitoreo de alta precisión o a largo plazo. En la aplicación práctica, es necesario seleccionar la tecnología de adaptación de acuerdo con las necesidades de la escena (como precisión, costo y complejidad de mantenimiento) para lograr un monitoreo y control precisos de la disolución del co2.