Os sensores de CO2 dissolvido convertem a concentração de CO2 dissolvido no corpo aquático em sinais mensuráveis ​​por meio de processos físico-químicos, com o mecanismo central que pode ser dividido em duas categorias principais de métodos eletroquímicos e ópticos, ambos com base nas mudanças físicas-químicas desencadeadas pela interação do CO2 com um meio específico.

Método eletroquímico: reações iónicas e conversão de sinais de potencial / corrente

Os sensores eletroquímicos baseiam-se na detecção de mudanças na concentração de íons geradas pela reação de CO2 com o eletrólito. Por exemplo, a estrutura contém eletrodos sensíveis ao pH, eletrodos de referência e membranas seletivas de CO2. Quando as moléculas de CO2 penetram a membrana seletiva para o eletrólito, a reação ocorre:

CO₂+H₂O⇌H₂CO₃⇌H⁺+HCO₃⁻

A concentração de H+ gerada pela reação é logaritmicamente relacionada com a concentração de CO2, e o eletrodo sensível ao pH emite um sinal de potencial detectando mudanças na concentração de H+ (ou seja, mudanças no pH). Os eletrodos de referência fornecem um potencial de referência estável para garantir a precisão da detecção. O chip incorporado do sensor converte o sinal de potencial em valores de concentração de CO2 dissolvido com precisão de até ±1ppm, adequado para cenários de média e baixa precisão como tratamento de águas residuais, aquicultura e outros.

Os sensores de corrente geram um sinal de corrente proporcional à concentração através da eletrólise de CO2 na superfície do eletrodo de trabalho. Por exemplo, o CO2 no eletrodo de trabalho é reduzido a CO:

CO₂+2H CO₂+2e CO₂+H2O

A intensidade da corrente gerada pela reação reflete diretamente a concentração de CO2 com maior precisão (± 0,5 ppm), mas o eletrólito precisa ser substituído regularmente e é usado principalmente em cenários de alta precisão, como a biomedicina.

Método óptico: absorção de luz e efeito de extinção de fluorescência

Os sensores ópticos usam moléculas de CO2 para detectar propriedades de absorção ou extinção de fluorescência de comprimentos de onda específicos. O sensor de infravermelho não disperso (NDIR) calcula a concentração medindo a intensidade de absorção de CO2 para a luz infravermelha de 4,26 μm, a intensidade da decadência da luz é linear com a concentração de CO2, com uma precisão de ± 0,5 ppm e um tempo de resposta de cerca de 60 segundos, adequado para cenários como alimentos e bebidas, monitoramento ambiental e outros.

Os sensores de extinção súbita de fluorescência dependem do efeito de extinção súbita do CO2 sobre a substância fluorescente. Os reagentes fluorescentes revestidos na superfície da sonda fluorescente, como o complexo de paládio, emitem luz vermelha sob estimulação de luz azul, as moléculas de CO₂ se ligam ao reagente para reduzir a vida útil da fluorescência e o sensor calcula a concentração detectando o grau de decadência da intensidade da fluorescência. Este método é rápido (<30 segundos), não requer manutenção, mas com uma precisão ligeiramente baixa (±1ppm), é vulnerável a interferências luminosas intensas e é adequado para cenários dinâmicos como detecção portátil, cultivo sem solo e outros.

Factores ambientais e estratégias de otimização

Temperatura, pressão e composição da água afetam o desempenho do sensor. O aumento da temperatura acelera a dissolução e a velocidade de reação do CO2, e o módulo de compensação de temperatura incorporado da maioria dos sensores corrige erros; Aumento da pressão da água melhora a solubilidade de CO2, alguns modelos precisam ser equipados com compensação de sensores de pressão; A turbididade ou a poluição por óleo podem bloquear o caminho óptico do sensor óptico ou poluir a membrana eletroquímica, exigindo uma limpeza regular da sonda.

O método eletroquímico e o método óptico têm vantagens: baixo custo do método eletroquímico, pequeno tamanho, adequado para cenários de baixo custo; A alta estabilidade óptica e a longa vida útil são adequados para monitoramento de alta precisão ou de longo prazo. Em aplicações práticas, é necessário escolher a tecnologia adequada de acordo com as necessidades do cenário (por exemplo, precisão, custo, complexidade de manutenção) para permitir o monitoramento e a regulação precisos do CO2 dissolvido.