習(xí) 燕

(新疆伊犁水文勘測局，新疆 伊犁 835000)

化學(xué)需氧量是以化學(xué)方法測量水質(zhì)中需要被氧化的還原性物質(zhì)的量。在各種水體污染物中，化學(xué)需氧量是反映生活工業(yè)廢水中有機物污染程度的指標，在水樣檢測中是必須要測量的項目。由于大多數(shù)水質(zhì)污染中有機物在紫外線范圍內(nèi)具有吸收的特點，所以采用紫外光譜法可對有機物進行定性、定量的有效測定。目前，關(guān)于紫外光譜法在水質(zhì)化學(xué)需氧量檢測應(yīng)用研究較多。在國外，從1960年底就開始研究水中污染物濃度與紫外吸光度之間的關(guān)系。其中，Maccraith、Dobbs等學(xué)者針對城市污水處理廠污水的檢測，驗證得出A254 nm紫外吸收光度值與傳統(tǒng)的化學(xué)檢測的TOC成較好的線性關(guān)系。在國內(nèi)，關(guān)于紫外光譜法在水質(zhì)化學(xué)需氧量檢測應(yīng)用比國外低，且相應(yīng)的檢測技術(shù)應(yīng)用尚不成熟，可見紫外光譜法在水質(zhì)化學(xué)需氧量檢測應(yīng)用前景廣闊[1]。由此，此次研究具有極為重要的理論價值與實踐指導(dǎo)意義。

1 紫外光譜法在水質(zhì)化學(xué)需氧量檢測應(yīng)用

原理

1.1 紫外光譜法介紹

關(guān)于紫外光譜法在水質(zhì)化學(xué)需氧量檢測中應(yīng)用經(jīng)歷了漫長的發(fā)展階段，從早期的單波紋分析研究到目前的多波長分析研究。它的產(chǎn)生主要是由于分析運動時產(chǎn)生的能級躍遷[2]。在整個紫外可見光譜區(qū)域內(nèi)，波長的范圍為10～780 nm，具體類別劃分如表1所示。其中，水質(zhì)檢測的紫外可見光區(qū)波長范圍為200～780 nm之間，主要是指近紫外光區(qū)與可見光譜區(qū)。

表1 紫外可見光譜區(qū)波長類型劃分

1.2 紫外光譜法檢測應(yīng)用原理

對于紫外光譜法在水質(zhì)化學(xué)需氧量檢測中應(yīng)用，最早是國外學(xué)者注意到物質(zhì)對光的吸收現(xiàn)象，之后研究得出光的吸收程度與吸光物質(zhì)濃度之間有一定的關(guān)系。由此，得出朗博-比爾定律測量原理，具體如圖1所示。

圖1 朗博-比爾定律測量原理圖

2 紫外光譜法在水質(zhì)化學(xué)需氧量檢測系統(tǒng)設(shè)計

對于紫外光譜法在水質(zhì)檢測中應(yīng)用，主要測量水體中濁度、化學(xué)需氧量等參數(shù)。關(guān)于紫外光譜法在水質(zhì)化學(xué)需氧量檢測中應(yīng)用，目前我國有多種相關(guān)的檢測儀器，主要是基于化學(xué)法或電化學(xué)法基礎(chǔ)上測量。由于該測量方法周期長、所需化學(xué)試劑需求量大，且易發(fā)生故障與造成水質(zhì)二次污染。而國外相關(guān)檢測技術(shù)發(fā)展比較成熟。基于此，結(jié)合國外科技發(fā)展趨勢與市場需求，展開對紫外光譜法在水質(zhì)化學(xué)需氧量檢測系統(tǒng)設(shè)計。

2.1 系統(tǒng)框架設(shè)計

基于以上對紫外光譜法應(yīng)用原理的分析，在設(shè)計水質(zhì)化學(xué)需氧量檢測系統(tǒng)時，需要滿足在線檢測需求，由此系統(tǒng)設(shè)計框架結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 紫外光譜法水質(zhì)化學(xué)需氧量在線檢測系統(tǒng)框架設(shè)計

從該框架中主要分為四部分，即光譜測量系統(tǒng)、開放流通系統(tǒng)、光電接受與轉(zhuǎn)換系統(tǒng)及控制系統(tǒng)。其中，光譜測量系統(tǒng)好壞可直接影響到整個測量系統(tǒng)的準確性與精度。在該系統(tǒng)中，測水樣采集到檢測裝置后，柑橘檢測流程，光源產(chǎn)生的紫外可見光通過光纖等有效傳輸?shù)綑z測裝置，之后傳輸?shù)焦庾V儀，待光電轉(zhuǎn)換之后將數(shù)字光譜數(shù)據(jù)收集后，通過USB傳輸于高性能工業(yè)計算機，最后由設(shè)計好的相關(guān)軟件處理進而得到水質(zhì)的紫外可見吸收光譜[3]。此次水質(zhì)化學(xué)需氧量在線檢測，光源作為整個光路系統(tǒng)最初始的信號，光源的選擇管轄到整個系統(tǒng)檢測結(jié)構(gòu)是否可靠。由此，根據(jù)試驗要求選擇價格低、穩(wěn)定性及光源可靠性強的脈沖疝燈光源，該疝燈結(jié)構(gòu)如圖3所示。從整個儀器設(shè)備看，對水質(zhì)化學(xué)需氧量檢測無需技術(shù)人員在現(xiàn)場操作與維護只要將工作參數(shù)設(shè)置好之后，就可以自行實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與分析。

圖3 疝燈結(jié)結(jié)構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)工作流程

在整個檢測儀器系統(tǒng)中，軟件部分是核心，可實現(xiàn)對光譜數(shù)據(jù)的采集到輸出控制等[4]。為了有效檢測水樣中化學(xué)需氧量，在檢測過程中必要按照流程執(zhí)行，具體如圖4所示。在檢測時，上電之后上位機監(jiān)控軟件發(fā)出指令，之后控制系統(tǒng)接收質(zhì)量，疝燈發(fā)出的復(fù)合光進入到開放流通池內(nèi)，被吸收的光信號轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號，再通過無線傳輸模塊傳輸?shù)缴衔粰C，待處理后得出水質(zhì)化學(xué)需氧量。該儀器波長范圍為200～700 nm之間，波長誤差、重復(fù)性誤差等指標符合國家規(guī)定要求[5]。由于該檢測系統(tǒng)中有無線傳輸接口等設(shè)備，可將實時監(jiān)測的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴霞壒芾聿块T，大大提高了水樣監(jiān)測的速度與力度。

圖4 紫外光譜法水質(zhì)化學(xué)需氧量在線檢測系統(tǒng)工作流程

3 實驗檢測及結(jié)果分析

3.1 鄰苯標準溶液實驗

據(jù)國標GB 11914—89化學(xué)需氧量的測定[6]，濃度為2.08 mol/L的鄰苯二甲酸氫鉀的化學(xué)需氧量理論數(shù)值為500 mg/L，根據(jù)法則所配置的15種鄰苯溶液為量程校正液，濃度與相應(yīng)的化學(xué)需氧量數(shù)值如表2所示。

表2 15種鄰苯量程校正液濃度與化學(xué)需氧量數(shù)值 mg/L

即鄰苯標準溶液時的光強值。由此公式極端得出鄰苯溶液的吸光度譜圖在紫外區(qū)有明個明顯的吸收峰，分別為230 nm、281 nm，但在可見光區(qū)沒有紫外吸收現(xiàn)象，則吸光度為0。

在以上數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，對鄰苯標準溶液的化學(xué)需氧量數(shù)值與254 nm鄰苯溶液吸光度數(shù)值進行分析，其線性關(guān)系如圖5所示。其中，橫坐標為量程校準液測得的254 nm鄰苯溶液吸光度，縱橫坐標為對應(yīng)的化學(xué)需氧量數(shù)值，即COD=186.5×A254-27.53。通過該標準曲線可實現(xiàn)實時檢測。

圖5 254 nm鄰苯溶液標準曲線圖

3.2 鄰苯標準溶液檢驗

根據(jù)圖5標準曲線縱向方程COD=186.5×A254-27.53得出鄰苯溶液標準COD數(shù)值記為A，將國標GB 11914—89化學(xué)需氧量檢測鄰苯溶液數(shù)值記為B，對比分析兩組數(shù)值，具體如表3所示。從表中可知A組與B組兩者差值較小，但讓存在一定的誤差。為進一步驗證兩者是否具有相關(guān)性，采用統(tǒng)計學(xué)t檢驗，得出A組與B組兩者數(shù)值差異不明顯，可進一步驗證了紫外可見光譜大對水質(zhì)化學(xué)需氧量檢測的可行性。

表3 兩組鄰苯溶液化學(xué)需氧量數(shù)值比較

3.3 實際水樣檢測及結(jié)果比較

以某工業(yè)排除的污水為水樣進行檢測，將去離子水作為參與溶液，得出該水樣吸光度譜圖在230 nm、280 nm附近可達到兩個吸收峰。該段吸光度值與標準溶液的數(shù)值相比較低?？梢?，水樣在可見光區(qū)有一定的吸收，但與紫外區(qū)相比，吸光度數(shù)值偏小，需要進一步的修正。這是由于水質(zhì)可濁度等因素的影響，使用A254-A546代替段純的A254，通過相關(guān)儀器設(shè)備的使用，最后測量得到相應(yīng)的化學(xué)需氧量，實現(xiàn)水質(zhì)的實時在線監(jiān)測。

4 結(jié)語

綜上所述，由于傳統(tǒng)的水質(zhì)化學(xué)需氧量檢測方法周期長、所需化學(xué)試劑需求量大，且易發(fā)生故障與造成水質(zhì)二次污染。所以找到合理的檢測方法十分必要。本文基于紫外光譜法檢測方法原理之上，設(shè)計了水質(zhì)需氧量檢測系統(tǒng)，之后通過鄰苯標準溶液實驗與對實際水樣的檢測驗證，得出檢測的化學(xué)需氧量數(shù)值與實際數(shù)值之間差異并不明顯，可實現(xiàn)水質(zhì)化學(xué)需氧量實時在線檢測，值得應(yīng)用與推廣。