杜燕萍，劉 斌，劉永紅，常 薇，王毅博

(西安工程大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院 化學(xué)工程系，陜西 西安 710048)

氨氮廣泛存在于地表水和地下水中，氨氮含量超標(biāo)對(duì)水體富營(yíng)養(yǎng)化、人類(lèi)健康以及生態(tài)環(huán)境均具有嚴(yán)重的影響[1-4]。開(kāi)展氨氮及時(shí)而準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)有助于評(píng)價(jià)水體被污染和“自凈”狀況，對(duì)地球環(huán)境保護(hù)及社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)性發(fā)展具有重要的意義[5-6]。氨氮監(jiān)測(cè)儀多采用氨氣敏電極法，這也是我國(guó)環(huán)保部水質(zhì)氨氮自動(dòng)監(jiān)測(cè)的推薦方法之一[7-8]。國(guó)外很早對(duì)此方面就有研究，Mascini等人[9]和Leduy等人[10]分別采用氨氣敏電極對(duì)厭氧污泥以及湖泊中氨氮含量進(jìn)行測(cè)量，均得到良好的監(jiān)測(cè)結(jié)果。2008年，德國(guó)WTW公司研制出新的氨氣敏電極探頭，很好地解決了在線監(jiān)測(cè)過(guò)程中干擾離子(如K+和Cl-)的影響，且無(wú)需樣品預(yù)蒸餾處理和校準(zhǔn)[11]。在我國(guó)，李敏[12]簡(jiǎn)單研究了氨氣敏電極的實(shí)驗(yàn)室分析法，并與蒸餾法進(jìn)行了比較，證明了電極法的可行性。盧金鎖等人[13]從物理化學(xué)角度討論氨氣敏電極法氨氮在線監(jiān)測(cè)儀的監(jiān)測(cè)過(guò)程及原理，得出干擾監(jiān)測(cè)精度和穩(wěn)定性的幾個(gè)主要因素。吳建忠等人[14]介紹了其研制的氨氣敏電極和氨氮自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀，通過(guò)對(duì)電極的穩(wěn)定性等項(xiàng)目監(jiān)測(cè)，證明了其產(chǎn)品可用于在線水質(zhì)銨的測(cè)定。卞賀明等人[15]設(shè)計(jì)并制備了一種具有微池薄液層結(jié)構(gòu)的安培型氨氣微傳感器，并以此構(gòu)建了氨氮監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，探索了使用安培型氨氣微傳感器監(jiān)測(cè)氨氮的方法。武鳴等人[16]從響應(yīng)時(shí)間、溫度等方面，分析了影響氨氮測(cè)定的因素。

遠(yuǎn)程傳輸功能的氨氮在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可用于各地河流、湖泊等監(jiān)測(cè)點(diǎn)的長(zhǎng)期無(wú)人檢測(cè)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)更廣、更大范圍的環(huán)境監(jiān)測(cè)和保護(hù)具有深遠(yuǎn)的意義。同時(shí)，對(duì)于避免由氨氮引起的突發(fā)事件，保障人們生產(chǎn)、生活的安全、提高經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 量液管自動(dòng)進(jìn)樣控制系統(tǒng)

圖1 現(xiàn)場(chǎng)工作站測(cè)量原理示意圖

量液管自動(dòng)進(jìn)樣控制系統(tǒng)為化學(xué)反應(yīng)提供準(zhǔn)確的50mL測(cè)量液和20mL堿化劑(軟件可調(diào)整)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。系統(tǒng)對(duì)量液管的控制包括按壓力控制和按步數(shù)控制兩種控制方式。部分主要由量液管自動(dòng)進(jìn)樣控制系統(tǒng)、測(cè)量池磁力攪拌控制系統(tǒng)兩部分組成，現(xiàn)場(chǎng)工作站的測(cè)量原理示意圖如圖1所示。

系統(tǒng)采用按壓力控制方式時(shí)，通過(guò)高精度耐腐蝕壓力傳感器和蠕動(dòng)等泵實(shí)現(xiàn)溶液的準(zhǔn)確吸取?？刂七^(guò)程具有控制精度高，測(cè)量準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)采用按步數(shù)控制方式時(shí)，通過(guò)高精度耐腐蝕蠕動(dòng)泵步進(jìn)抽取反應(yīng)液體?？刂七^(guò)程具有實(shí)時(shí)性好，效率高等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)采用獨(dú)特的液路換相技術(shù)，通過(guò)耐腐蝕電磁閥的切換防止了液體間的交叉污染，為液體氨氮的準(zhǔn)確測(cè)量提供了保障。

1.2 測(cè)量池磁力攪拌控制系統(tǒng)

圖2 為測(cè)量池磁力攪拌控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

磁力攪拌控制系統(tǒng)的主要作用是實(shí)現(xiàn)液體的快速反應(yīng)和氨氣的自動(dòng)檢測(cè)功能。整個(gè)系統(tǒng)工作依據(jù)化學(xué)方程式：NH4Cl+NaOH=NH3↑+NaCl+H2O產(chǎn)生氨氣，通過(guò)氨氣敏電極采集氨氮信息，最后通過(guò)一定的算法得出氨氮濃度。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，綜合考慮溫度變化、氨氣逃逸、氨氣敏電極透氣膜破裂等因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，系統(tǒng)測(cè)量池磁力攪拌控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

當(dāng)反應(yīng)溶液由量液裝置抽入反應(yīng)池，測(cè)量過(guò)程開(kāi)始。

首先，啟動(dòng)加蓋電機(jī)推動(dòng)加蓋小車(chē)，關(guān)閉反應(yīng)池頂蓋。啟動(dòng)磁力攪拌電機(jī)，保證試劑充分反應(yīng)。啟動(dòng)恒溫控制裝置，加熱反應(yīng)液體至40 ℃(軟件可調(diào)整)。

其次，啟動(dòng)升降電機(jī)，將氨氣敏電極送入反應(yīng)池，采集氨氣信號(hào)。然后單片機(jī)通過(guò)一定算法得出反應(yīng)液氨氮濃度。

最后，打開(kāi)排液加管閥和排液泵，將廢液排出，完成現(xiàn)場(chǎng)工作站的一次測(cè)量。

1.3 現(xiàn)場(chǎng)工作站

現(xiàn)場(chǎng)工作站實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)工作站實(shí)物圖

2 結(jié)果與討論

遠(yuǎn)程氨氮監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是基于電極電位感測(cè)原理，采用氨氣敏電極進(jìn)行液體氨氮檢測(cè)，并將設(shè)備運(yùn)行參數(shù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至監(jiān)控室的遠(yuǎn)程在線檢測(cè)裝置。系統(tǒng)具有自動(dòng)校準(zhǔn)、自動(dòng)流量控制、自動(dòng)清洗以及自動(dòng)調(diào)整測(cè)量時(shí)間間隔等功能。

系統(tǒng)由電源共給系統(tǒng)、水樣進(jìn)排系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)工作站和遠(yuǎn)程監(jiān)控站四部分組成。整個(gè)系統(tǒng)的功能示意圖如圖4所示。

圖4 整個(gè)系統(tǒng)的功能示意圖

電源供給系統(tǒng)為系統(tǒng)的可靠運(yùn)行提供穩(wěn)定能源保障。水樣進(jìn)排系統(tǒng)完成測(cè)量液的過(guò)濾、進(jìn)樣以及廢液的后續(xù)處理?，F(xiàn)場(chǎng)工作站完成測(cè)量液氨氮含量的全自動(dòng)測(cè)量。遠(yuǎn)程監(jiān)控站實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制。

現(xiàn)場(chǎng)工作站工作過(guò)程基本如圖1所示下：

第一步：測(cè)量液量液管和NaOH量液管分別通過(guò)蠕動(dòng)泵吸取50 mL的測(cè)量液和20 mL的堿化劑(NaOH和離子屏蔽劑的混合溶液)，進(jìn)而通過(guò)兩個(gè)隔膜泵將溶液抽入反應(yīng)池，使之充分反應(yīng)；

第二步：控制裝置驅(qū)動(dòng)加蓋電機(jī)打開(kāi)測(cè)量池頂蓋，驅(qū)動(dòng)升降電機(jī)將氨氣敏電極伸入測(cè)量池，采集氨氮信號(hào)；

第三步：系統(tǒng)中央處理單元通過(guò)一定的算法得出氨氮濃度；

第四步：水樣進(jìn)排系統(tǒng)通過(guò)排液泵將反應(yīng)廢液排出。

圖1中，標(biāo)定液1和標(biāo)定液2實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的標(biāo)定，堿化劑為NaOH和離子屏蔽劑的混合溶液，清洗液完成系統(tǒng)液路的清洗。

系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)工作站主要由量液管自動(dòng)進(jìn)樣控制系統(tǒng)和測(cè)量池磁力攪拌控制系統(tǒng)組成。

量液管自動(dòng)進(jìn)樣控制系統(tǒng)：

量液管自動(dòng)進(jìn)樣控制系統(tǒng)為化學(xué)反應(yīng)提供準(zhǔn)確的50mL測(cè)量液和20 mL堿化劑(軟件可調(diào)整)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。系統(tǒng)對(duì)量液管的控制包括按壓力控制和按步數(shù)控制兩種控制方式。

系統(tǒng)采用按壓力控制方式時(shí)，通過(guò)高精度耐腐蝕壓力傳感器和蠕動(dòng)等泵實(shí)現(xiàn)溶液的準(zhǔn)確吸取?？刂七^(guò)程具有控制精度高，測(cè)量準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)采用按步數(shù)控制方式時(shí)，通過(guò)高精度耐腐蝕蠕動(dòng)泵步進(jìn)抽取反應(yīng)液體。控制過(guò)程具有實(shí)時(shí)性好，效率高等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)采用獨(dú)特的液路換相技術(shù)，通過(guò)耐腐蝕電磁閥的切換防止了液體間的交叉污染，為液體氨氮的準(zhǔn)確測(cè)量提供了保障。

該系統(tǒng)可以達(dá)到的部分技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 遠(yuǎn)程氨氮監(jiān)測(cè)系統(tǒng)部分性能指標(biāo)

3 結(jié)論

水體中的氨氮含量是水質(zhì)檢測(cè)的重要指標(biāo)之一，本系統(tǒng)以氨氣敏電極法為基礎(chǔ)，以化學(xué)反應(yīng)能斯特方程為理論依據(jù)，研究了遠(yuǎn)程氨氮監(jiān)控系統(tǒng)的整體方案、完成了現(xiàn)場(chǎng)工作站機(jī)械研究、硬件設(shè)計(jì)和軟件研究，組裝了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，并進(jìn)行了大量的測(cè)試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)基本符合設(shè)計(jì)要求，可以實(shí)現(xiàn)水中氨氮含量的全自動(dòng)檢測(cè)。