摘 要:針對(duì)目前水污染檢測裝置存在的問題(例如成本高、測量周期長、使用壽命短、靈敏度低等),本文提出了改進(jìn)檢測水體中重金屬離子濃度的方法,為了解決電化學(xué)法中的電極直接暴露于液體中的問題,并提高裝置靈敏度,本研究將使用線圈代替電極,利用線圈間的電磁耦合現(xiàn)象,通過檢測線圈間介質(zhì)改變時(shí)對(duì)互感磁場的影響來測量水體重金屬含量,其本質(zhì)是測量液體電導(dǎo)率,而溶液電導(dǎo)率與溫度、溶液濃度及種類、線圈距離及種類有關(guān)系,通過搭建水下磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)來探討電導(dǎo)率與以上影響因素的關(guān)系,以此提高測量電導(dǎo)率的靈敏度和精確度。
關(guān)鍵詞:應(yīng)急帳篷;珍珠巖;電磁耦合;水質(zhì)檢測
中圖分類號(hào):X 83" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
我國水污染防治事業(yè)始于十九世紀(jì)七十年代的“北京官廳水庫污染治理事件”[1],該事件敲響了我國生態(tài)水環(huán)境防治的警鐘。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國工業(yè)生產(chǎn)的廢水以及人們的日常生活污水每日的排放量約1.64億m3[2]。在龐大的污水排放量下,一部分生活污水以及廢水直接排入當(dāng)?shù)厮蛑?,使我?/3以上的河段受到嚴(yán)重的污染,城市水域受污染的比例為90%,重點(diǎn)城鎮(zhèn)水源嚴(yán)重不符合飲水標(biāo)準(zhǔn)的比例達(dá)到了50%[3],由此可知,目前我國水污染的現(xiàn)象十分嚴(yán)重[4]。而隨著城市化進(jìn)程的加快,工業(yè)發(fā)展也隨之快速發(fā)展,導(dǎo)致水污染問題更加嚴(yán)重。其中,重金屬污水是對(duì)環(huán)境損害較嚴(yán)重,且對(duì)人類危害較大的工業(yè)廢水之一。排放的重金屬通過食物鏈最終進(jìn)入人體,并在人體中聚集,對(duì)人們的生命造成威脅[5]。
1 水體檢測裝置背景介紹
1.1 傳統(tǒng)水體檢測技術(shù)
水體檢測主要包括以下幾個(gè)指標(biāo),例如水溫、電導(dǎo)、氧化還原電位、溶解氯和懸浮物等[6],造成水體污染的物質(zhì)有金屬離子,氰化物,酚和農(nóng)藥等。其中,金屬離子是影響水體電導(dǎo)的因素之一。水體檢測裝置通過測定各個(gè)指標(biāo)來確定水體的污染程度,所用方法包括化學(xué),物理和生物等學(xué)科的知識(shí),也是后續(xù)治理水污染,保護(hù)水環(huán)境的有力保障[7]。傳統(tǒng)的電化學(xué)檢測裝置是利用裸露的電極在水中產(chǎn)生電勢(shì)差,通過電流和電壓得出水體電導(dǎo)率,從而推斷水體中的pH和重金屬離子濃度。
1.2 改進(jìn)電化學(xué)水體檢測裝置
為了解決電化學(xué)法中的電極直接暴露于液體中的問題,并提高裝置靈敏度,本研究將使用線圈代替電極,利用線圈間的電磁耦合現(xiàn)象,通過檢測線圈間介質(zhì)改變時(shí)對(duì)互感磁場的影響來測量水體重金屬含量,其本質(zhì)是測量液體電導(dǎo)率。通過線圈外的絕緣橡膠層,避免液體直接接觸金屬線圈,導(dǎo)電的金屬離子在互感電場的作用下發(fā)生移動(dòng),形成電勢(shì)差,裝置檢測后,得出水體電導(dǎo)率,推導(dǎo)金屬離子的含量。以下是試驗(yàn)論證過程。
2 基于電磁耦合現(xiàn)象的水質(zhì)檢測裝置
2.1 基于電磁耦合現(xiàn)象的水質(zhì)檢測裝置原理
電磁耦合式無線電能傳輸技術(shù)設(shè)計(jì)的依據(jù)與工作原理是法拉第電磁感應(yīng)定律,工作過程為發(fā)射端的高頻交流電產(chǎn)生交變磁場后,由接收端接收,產(chǎn)生高頻交流電,將產(chǎn)生的交流電能供給到負(fù)載,實(shí)現(xiàn)無線電能傳輸。基于此,本研究搭建了水下磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng),如圖1所示,利用水下磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)對(duì)溶液的電導(dǎo)率進(jìn)行計(jì)算,而溶液電導(dǎo)率與溫度、溶液濃度及種類、線圈距離及種類有關(guān),因此可搭建水下磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng),探討電導(dǎo)率與以上影響因素的關(guān)系,提高測量電導(dǎo)率的靈敏度和精確度。
2.2 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)
裝置由溫度計(jì)、硫酸銅、燒杯、游標(biāo)卡尺、各式線圈、信號(hào)發(fā)生器以及示波器等構(gòu)成。首先,使用游標(biāo)卡尺,玻璃板,線圈構(gòu)成簡易線圈距離控制裝置,以便探究距離變量,同時(shí)更換不同線圈尋找最佳線圈。其次,用不同濃度配比硫酸銅溶液,形成對(duì)照組,尋找濃度定值。最后,用此濃度配比不同溶液,形成溶液種類對(duì)照變量。在溫度控制方面,將溫度計(jì)插入溶液,采取水浴加熱法控制溫度。根據(jù)所述流程處理五組數(shù)據(jù),并進(jìn)行總結(jié),實(shí)現(xiàn)裝置最佳的靈敏效果。
3 裝置試驗(yàn)
3.1 測量裝置制作和準(zhǔn)備
利用游標(biāo)卡尺和玻璃板制作支架,固定線圈和改變線圈間距。如圖2所示。準(zhǔn)備1000mL燒杯,各式線圈,信號(hào)發(fā)生器和示波器。
3.2 探究溫度對(duì)數(shù)據(jù)的影響
采用水浴加熱法控制溫度,放入溫度計(jì),測量不同溫度下溶液的導(dǎo)電性。從10℃開始測量,直到溫度升至50℃停止,如圖3所示,觀察示波器數(shù)據(jù),記錄試驗(yàn)結(jié)果,探究溫度對(duì)導(dǎo)電性的影響。
3.3 探究溶液濃度對(duì)導(dǎo)電性的影響
通過改變?nèi)芤喝芏?,研究濃度?duì)導(dǎo)電性的影響。從飽和溶液開始,以五倍稀釋,得到數(shù)據(jù),記錄結(jié)果。
3.4 探究線圈間距對(duì)測量靈敏度的影響
在控制其他變量的情況下,改變線圈間距,測量其對(duì)測量靈敏度的影響。在控制濃度的基礎(chǔ)上,以1mm為間隔測量數(shù)據(jù)直到17mm,記錄結(jié)果。
4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析
4.1 數(shù)據(jù)分析
控制溫度的數(shù)據(jù)分析:由于線圈的互感系數(shù)與線圈所處位置媒介的磁導(dǎo)率有關(guān),而所處位置媒介的磁導(dǎo)率與溫度有關(guān),因此,溶液濃度一定時(shí),溫度升高,溶液磁導(dǎo)率也會(huì)升高,離子遷移速度提升,溶液電導(dǎo)率增加。如果沒有別的因素限制,那么磁導(dǎo)率越高越好,由圖4可知,當(dāng)溫度升至一定范圍時(shí),磁導(dǎo)率就會(huì)下降,磁導(dǎo)率越高,磁感應(yīng)強(qiáng)度就越強(qiáng),而磁芯材料工作的磁感應(yīng)強(qiáng)度范圍是有限的,因此超出磁感應(yīng)強(qiáng)度范圍,磁導(dǎo)率就會(huì)下降。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)溫度為25℃時(shí),磁導(dǎo)率最高,測溶液電導(dǎo)率的靈敏度最佳,在其他組測驗(yàn)中標(biāo)定此溫度,同時(shí),研究人員發(fā)現(xiàn),當(dāng)溫度為0℃~35℃時(shí),電導(dǎo)率浮動(dòng)不大,正好接近常溫?cái)?shù)值,因此本裝置適用的場景更廣泛。
不同線圈距離的數(shù)據(jù)分析:耦合系數(shù)的大小與線圈之間的線間距有關(guān)。由圖5可知,在一定范圍內(nèi),兩線圈的距離越小,輸出電壓越大,當(dāng)線圈距離為5~6mm時(shí),耦合現(xiàn)象明顯。具體來說,當(dāng)線間距較小時(shí),導(dǎo)體之間的電磁場分布會(huì)發(fā)生明顯的相互影響,導(dǎo)致耦合系數(shù)變大。而當(dāng)線間距較大時(shí),導(dǎo)體之間的電磁場分布變得相對(duì)獨(dú)立,耦合系數(shù)變小。
不同溶液濃度的數(shù)據(jù)分析:由圖6可知,隨著溶液濃度增加,輸出電壓先逐漸變大后變小。溶液濃度越高,單位體積內(nèi)離子的數(shù)量就越多,電導(dǎo)率也就越大。但不能表明溶液的濃度無限增加,電導(dǎo)率也會(huì)隨著無限增加。
濃度越高,溶液中離子的數(shù)量就越多,離子間相互牽制的作用就越強(qiáng),使離子運(yùn)動(dòng)變得困難。因此,當(dāng)溶液濃度增加時(shí),導(dǎo)電離子數(shù)量增加使電導(dǎo)率變大,當(dāng)溶液濃度增至一定值時(shí),電導(dǎo)率更大,然后開始下降。通過總結(jié)發(fā)現(xiàn)裝置對(duì)濃度為10mg/L~5mg/L的硫酸銅溶液反應(yīng)依舊較敏感(可以測出其電導(dǎo)率),表明其靈敏度比傳統(tǒng)檢測儀器更精準(zhǔn)。
4.2 不同種類的溶液的數(shù)據(jù)分析
電導(dǎo)率標(biāo)準(zhǔn)溶液的導(dǎo)電是離子定向移動(dòng)的結(jié)果,因此,其電導(dǎo)率主要與溶液中離子數(shù)量的多少和離子運(yùn)動(dòng)的速度有關(guān)。由圖7可知,硫酸銅溶液的輸出電壓比純水、空氣的輸出電壓大,硫酸銅濃溶液的輸出電壓比硫酸銅稀溶液的輸出電壓大。通常強(qiáng)電解質(zhì)比弱電解質(zhì)的電導(dǎo)率大,因?yàn)樗碾婋x度大,電離出來的離子數(shù)量多,所以硫酸銅溶液要比純水的電導(dǎo)率大。濃度越高,單位體積內(nèi)離子的數(shù)量就越多,電導(dǎo)率也就越大,因此硫酸銅濃溶液的電導(dǎo)率比硫酸銅稀溶液的電導(dǎo)率大。對(duì)不同介質(zhì)進(jìn)行試驗(yàn)可以得知,該導(dǎo)電率測量裝置測量的范圍更廣。
線圈種類的數(shù)據(jù)分析:由圖8可知,當(dāng)線圈種類為50μH、52mm圓形線圈時(shí),輸出電壓最大,線圈耦合效果最佳。
4.3 優(yōu)化電磁耦合裝置
改變線圈種類:如圖8所示,當(dāng)線圈為50μH、52mm圓形線圈時(shí),輸出電壓最大,線圈耦合效果最佳。
改變線圈間距:如圖5所示,當(dāng)線圈間距為7mm時(shí),輸出電壓最大,信號(hào)接收最靈敏。
改變溫度:如圖4所示,溫度為25°C時(shí)的輸出電壓達(dá)到峰值,在常溫下,電壓浮動(dòng)不大。
4.4 誤差分析
儀器誤差:長期使用儀器,且未進(jìn)行保養(yǎng),會(huì)造成儀器損耗;之前使用為歸零矯正,使儀器出現(xiàn)誤差。
試劑誤差:試劑保存方式不同,采用測量方法不同;單位換算誤差、樣品處理方法不同(濃度、pH、溫度、作用時(shí)間等),造成試劑出現(xiàn)問題。
條件差異:除試驗(yàn)變量溫度外,濕度,照明,通風(fēng)等也會(huì)產(chǎn)生一定量誤差,影響測量結(jié)果。例如熱效應(yīng),外部電磁干擾,電纜電阻。
4.5 誤差消除方式
儀器誤差:應(yīng)對(duì)儀器進(jìn)行檢測,校準(zhǔn)確認(rèn)儀器無誤后再開始試驗(yàn)。
涂層或表面效應(yīng):在進(jìn)行測量前,應(yīng)該對(duì)樣品進(jìn)行表面處理,減少影響。
電纜電阻:為縮小誤差,可使用低電阻、高質(zhì)量的連接電纜或進(jìn)行誤差修正計(jì)算。
試劑差異:保證試劑純凈質(zhì)量,采樣方法、樣品制備、儲(chǔ)藏均需要標(biāo)準(zhǔn)化。
條件差異:盡量保證環(huán)境穩(wěn)定。
熱效應(yīng):可以使用冷卻裝置保持線圈溫度,或者對(duì)測量結(jié)果進(jìn)行溫度補(bǔ)償。
外部電磁干擾:可以在試驗(yàn)過程中采取屏蔽措施、使用濾波器或調(diào)整試驗(yàn)布置來減少電磁干擾。
對(duì)相同間距至少十組數(shù)據(jù)進(jìn)行測量,經(jīng)過數(shù)據(jù)處理,得到相對(duì)誤差,數(shù)據(jù)峰值僅為3%,數(shù)據(jù)波動(dòng)性較小,裝置可靠性強(qiáng)。誤差分析如圖9所示。
5 結(jié)論
可以利用水下磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)對(duì)溶液的電導(dǎo)率進(jìn)行計(jì)算,而溶液電導(dǎo)率與溫度、溶液濃度及種類、線圈距離及種類有關(guān),本研究通過搭建水下磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)來探討電導(dǎo)率與以上影響因素的關(guān)系,以此提高測量電導(dǎo)率的靈敏度和精確度。
在水污染的測量中,利用電磁耦合測量電導(dǎo)率,能準(zhǔn)確快速反應(yīng)水質(zhì)對(duì)其的影響,測出的數(shù)據(jù)不僅可以反應(yīng)內(nèi)容物的情況,還可以解決電極式電導(dǎo)率傳感器的腐蝕、極化等問題,延長儀器使用壽命。物理測量比化學(xué)測量范圍更廣,效果更好,跨度也更大。本試驗(yàn)改進(jìn)了傳統(tǒng)的電化學(xué)檢測法,大大提高了檢測精度,克服了先前裝置易被腐蝕的缺點(diǎn),且成本低,操作簡單,適合大范圍推廣。
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