水質微量重金屬在線復合傳感器研究

來源：http://www.xfzhuw.com/ 作者：余氯檢測儀 時間：2019-10-11

　　摘 要：工業(yè)凈水需求在線傳感監(jiān)測微量重金屬。針對此方向，創(chuàng)新研究長光程吸收光度傳感器，以固體激光(650 nm)為單色光源，無色穩(wěn)定絡合劑EDTA為增敏顯色劑。制作槽式傳感器如“飯盒”型狀體積，可檢測自來水銅離子最低達0.1 mg/L。晝夜在線監(jiān)測可采用GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸。

　　關鍵詞：長光程光度傳感器;水質微量重金屬;EDTA試劑;污水凈化

　　0 引 言

　　工業(yè)用水、污水凈化及管網(wǎng)自來水等廣泛需求水質微量重金屬的在線傳感。目前，國內(nèi)開展的此課題研究工作較少，在線傳感的資料也不多見。針對此方向，多年來，我們進行了多視角的試驗研究，研究出專用長光程光度傳感器，可以進行在線水質重金屬離子(銅，鉻，鎳)復合總量的靈敏分析，檢測結果穩(wěn)定，精準效果明顯。采用500 mm長光程光度傳感器，以低濁自來水為水質樣本，銅離子濃度的最低檢測限可以達到0.1 mg/L。傳感器(包括槽型光電發(fā)送器，微泵及試劑)如“飯盒”型狀體積，是創(chuàng)新的檢測應用技術。

　　1 水中微量重金屬離子濃度傳感概述

　　1.1 檢測水中重金屬原理

　　EDTA試劑是特效的氨羧絡合劑，是無色、無毒、穩(wěn)定、安全的化學試劑。它能夠和很多金屬離子生成水溶性螯合物，應該特別強調(diào)：無色的金屬離子溶液，生成的螯合物仍舊沒有顏色。而對于銅、鉻、鎳等重金屬離子溶液，其表現(xiàn)的原本顏色是淺藍色，當溶液加入EDTA并發(fā)生絡合作用后，表現(xiàn)的藍色會進一步加深，形成強化的增敏作用，增敏的蘭色極其穩(wěn)定[1]。依據(jù)EDTA這種特效作用，使水中微量重金屬檢測靈敏度有了較高的提升。

　　此方法不能選擇性地進行單組分濃度監(jiān)測，它只能檢測銅鉻鎳等有害重金屬的復合總量。在較多實際水樣中，普遍存在單個重金屬的情形。此方法優(yōu)點較多，試劑價廉又很穩(wěn)定，測定只需消耗1滴劑量，另外，制作的光度傳感器較可靠實用，非常適用水質在線的自動監(jiān)測和預警[2]。

　　1.2 標準試劑配制

　　銅標準貯備溶液：稱取硫酸銅(CuSO4?5H2O)0.392 9 g，溶于水中，加入1 mL硫酸(1+4)酸化，以水稀釋至1 L。此液濃度為100 mg/L。

　　銅標準使用溶液1 mg/L：吸取上述的貯備液10.0 mL，以水準確稀釋到1 L。

　　EDTA溶液5%(m/V)：稱取乙二胺四乙酸二鈉鹽(簡稱EDTA)50 g溶于1 L水中。

　　1.3 光度吸收檢測(朗伯-比耳定律)

　　朗伯-比耳定律：A=a*b*c (1)

　　其中： A為吸光值，a為吸收系數(shù)，b為光程長度，c為溶液濃度。

　　吸光度A的量值由溶液吸收光度的光電池光強I0和I計算得到。

　　A=lg?I0/I

　　其中：I0為比色皿入射光強，I為溶液透射光強。

　　A的量值基本在1.000以下范圍內(nèi)，測定溶液時，由式(1)可知：a為常數(shù)，c為檢測溶液的濃度，若要求檢測低微量組分的濃度(c為低值)，必須加大光程長度b值(mm)，才能保證A值的靈敏讀出(應有小數(shù)點后三位有效數(shù)字的精度)，在本課題的研究中，加大光程長度，也是檢測水中痕量重金屬的有效措施。

　　2 長光程光度傳感器研究

　　2.1 流動式在線管式傳感器

　　內(nèi)套為直徑10 mm長度500 mm的玻璃管，兩端用光學圓狀玻璃片封口，兩端有兩個進出水的玻璃接口。外套采用不銹鋼材質加工而成，起到避光和加固作用。一端固定固體激光器(+5 V，2 mW)，單色光波長為650 nm。另一端的光學玻片外固定硅蘭光電池(R10)附加直流放大器(輸出0～200 mV)。

　　在線自動監(jiān)測自來水管網(wǎng)水質可以晝夜連續(xù)進行，每隔數(shù)小時運行一次，其工作示意圖如圖1所示。運行時，實時開啟電磁閥，水樣自動進入管式傳感器進行空白參比檢測。隨后開動低量微型恒流泵(1 mL/min)5 s，水樣和EDTA試劑自動混合(顯藍色)，關電磁閥并測量顯色吸光值。激光光源發(fā)出的650 nm線狀單色光，透射長管內(nèi)水溶液，光電池接收透射的光強I，并放大電流輸出，DAM-70型模數(shù)轉換A/D電子模塊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)RS 232的串行輸出。握手聯(lián)接的WINCE嵌入式觸控PC機內(nèi)裝采樣應用程序(C#語言編制)，采集到實時檢測的信號數(shù)據(jù)后，完成吸光值及回歸統(tǒng)計運算，計算得到的水中重金屬濃度值結果，由GPRS數(shù)據(jù)發(fā)送器通過GSM無線傳輸網(wǎng)發(fā)送到遠端服務器。

　　圖1 管網(wǎng)水質重金屬在線自動監(jiān)測示意圖

　　2.2 在線槽式光度傳感器

　　這種槽式傳感器適合無壓力的工業(yè)用水或飲用水源的在線監(jiān)控，如圖2所示。槽式傳感器利用玻璃鍍膜直角棱鏡進行光線直角折射，使單色光直射進入溶液并讓光線折返，實現(xiàn)加長光程的光度吸收的目的。槽式傳感器的優(yōu)點是可以減小長結構空間，制成的“飯盒”型狀體積(包含試劑瓶)，便于現(xiàn)場安裝。

　　3 水中重金屬離子濃度檢測研究

　　3.1 配制系列標準濃度液并顯色

　　采用1.2配制的銅標準使用溶液(1 mg/L)，分別吸取0，2.50，5.00，10.00，25.00 mL加入一組50 mL具塞玻璃比色管中，分別加0.1 mL EDTA(5%)溶液，加水至刻度，加塞搖勻。由此構成不同標準的低濃度顯色溶液(0，0.05 mg/L，0.10 mg/L，0.20 mg/L，0.50 mg/L，1.0 mg/L)。

　　圖2 在線槽式光度傳感器簡圖

　　3.2 長光程(500 mm)光度傳感檢測實驗

　　采用500 mm和30 mm光程的兩種光度傳感，在650 nm激光單色光處，進行檢測比較，結果如表1所示。

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