水质微量重金属在线复合传感器研究

来源：https://www.shuizhifenxi.com/ 作者：余氯检测仪 时间：2019-10-11

　　摘 要：工业净水需求在线传感监测微量重金属。针对此方向，创新研究长光程吸收光度传感器，以固体激光(650 nm)为单色光源，无色稳定络合剂EDTA为增敏显色剂。制作槽式传感器如“饭盒”型状体积，可检测自来水铜离子最低达0.1 mg/L。昼夜在线监测可采用GPRS无线数据传输。

　　关键词：长光程光度传感器;水质微量重金属;EDTA试剂;污水净化

　　0 引 言

　　工业用水、污水净化及管网自来水等广泛需求水质微量重金属的在线传感。目前，国内开展的此课题研究工作较少，在线传感的资料也不多见。针对此方向，多年来，我们进行了多视角的试验研究，研究出专用长光程光度传感器，可以进行在线水质重金属离子(铜，铬，镍)复合总量的灵敏分析，检测结果稳定，精准效果明显。采用500 mm长光程光度传感器，以低浊自来水为水质样本，铜离子浓度的最低检测限可以达到0.1 mg/L。传感器(包括槽型光电发送器，微泵及试剂)如“饭盒”型状体积，是创新的检测应用技术。

　　1 水中微量重金属离子浓度传感概述

　　1.1 检测水中重金属原理

　　EDTA试剂是特效的氨羧络合剂，是无色、无毒、稳定、安全的化学试剂。它能够和很多金属离子生成水溶性螯合物，应该特别强调：无色的金属离子溶液，生成的螯合物仍旧没有颜色。而对于铜、铬、镍等重金属离子溶液，其表现的原本颜色是浅蓝色，当溶液加入EDTA并发生络合作用后，表现的蓝色会进一步加深，形成强化的增敏作用，增敏的兰色极其稳定[1]。依据EDTA这种特效作用，使水中微量重金属检测灵敏度有了较高的提升。

　　此方法不能选择性地进行单组分浓度监测，它只能检测铜铬镍等有害重金属的复合总量。在较多实际水样中，普遍存在单个重金属的情形。此方法优点较多，试剂价廉又很稳定，测定只需消耗1滴剂量，另外，制作的光度传感器较可靠实用，非常适用水质在线的自动监测和预警[2]。

　　1.2 标准试剂配制

　　铜标准贮备溶液：称取硫酸铜(CuSO4・5H2O)0.392 9 g，溶于水中，加入1 mL硫酸(1+4)酸化，以水稀释至1 L。此液浓度为100 mg/L。

　　铜标准使用溶液1 mg/L：吸取上述的贮备液10.0 mL，以水准确稀释到1 L。

　　EDTA溶液5%(m/V)：称取乙二胺四乙酸二钠盐(简称EDTA)50 g溶于1 L水中。

　　1.3 光度吸收检测(朗伯-比耳定律)

　　朗伯-比耳定律：A=a*b*c (1)

　　其中： A为吸光值，a为吸收系数，b为光程长度，c为溶液浓度。

　　吸光度A的量值由溶液吸收光度的光电池光强I0和I计算得到。

　　A=lg・I0/I

　　其中：I0为比色皿入射光强，I为溶液透射光强。

　　A的量值基本在1.000以下范围内，测定溶液时，由式(1)可知：a为常数，c为检测溶液的浓度，若要求检测低微量组分的浓度(c为低值)，必须加大光程长度b值(mm)，才能保证A值的灵敏读出(应有小数点后三位有效数字的精度)，在本课题的研究中，加大光程长度，也是检测水中痕量重金属的有效措施。

　　2 长光程光度传感器研究

　　2.1 流动式在线管式传感器

　　内套为直径10 mm长度500 mm的玻璃管，两端用光学圆状玻璃片封口，两端有两个进出水的玻璃接口。外套采用不锈钢材质加工而成，起到避光和加固作用。一端固定固体激光器(+5 V，2 mW)，单色光波长为650 nm。另一端的光学玻片外固定硅兰光电池(R10)附加直流放大器(输出0～200 mV)。

　　在线自动监测自来水管网水质可以昼夜连续进行，每隔数小时运行一次，其工作示意图如图1所示。运行时，实时开启电磁阀，水样自动进入管式传感器进行空白参比检测。随后开动低量微型恒流泵(1 mL/min)5 s，水样和EDTA试剂自动混合(显蓝色)，关电磁阀并测量显色吸光值。激光光源发出的650 nm线状单色光，透射长管内水溶液，光电池接收透射的光强I，并放大电流输出，DAM-70型模数转换A/D电子模块，实现数据RS 232的串行输出。握手联接的WINCE嵌入式触控PC机内装采样应用程序(C#语言编制)，采集到实时检测的信号数据后，完成吸光值及回归统计运算，计算得到的水中重金属浓度值结果，由GPRS数据发送器通过GSM无线传输网发送到远端服务器。

　　图1 管网水质重金属在线自动监测示意图

　　2.2 在线槽式光度传感器

　　这种槽式传感器适合无压力的工业用水或饮用水源的在线监控，如图2所示。槽式传感器利用玻璃镀膜直角棱镜进行光线直角折射，使单色光直射进入溶液并让光线折返，实现加长光程的光度吸收的目的。槽式传感器的优点是可以减小长结构空间，制成的“饭盒”型状体积(包含试剂瓶)，便于现场安装。

　　3 水中重金属离子浓度检测研究

　　3.1 配制系列标准浓度液并显色

　　采用1.2配制的铜标准使用溶液(1 mg/L)，分别吸取0，2.50，5.00，10.00，25.00 mL加入一组50 mL具塞玻璃比色管中，分别加0.1 mL EDTA(5%)溶液，加水至刻度，加塞摇匀。由此构成不同标准的低浓度显色溶液(0，0.05 mg/L，0.10 mg/L，0.20 mg/L，0.50 mg/L，1.0 mg/L)。

　　图2 在线槽式光度传感器简图

　　3.2 长光程(500 mm)光度传感检测实验

　　采用500 mm和30 mm光程的两种光度传感，在650 nm激光单色光处，进行检测比较，结果如表1所示。

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