專(zhuān)利名稱(chēng)：一種水質(zhì)化學(xué)需氧量快速在線(xiàn)監(jiān)測(cè)儀器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型一種水質(zhì)化學(xué)需氧量快速在線(xiàn)監(jiān)測(cè)儀器，屬于在線(xiàn)光譜水質(zhì)分析與監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
化學(xué)需氧量(Chemical Oxygen Demand, COD)是表明水體受有機(jī)物污染程度的綜合性水質(zhì)指標(biāo)，是現(xiàn)代水污染監(jiān)測(cè)與治理必測(cè)的重要水質(zhì)參數(shù)。因而，國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)與主要分析儀表廠商均競(jìng)相展開(kāi)COD在線(xiàn)監(jiān)測(cè)儀器的研究與開(kāi)發(fā)。目前COD在線(xiàn)監(jiān)測(cè)儀的主要技術(shù)原理有:(I)重鉻酸鹽-滴定法；(2)重鉻酸鹽快速消解-分光光度法；(3)紫外吸收光譜分析法；(4)羥基自由基氧化-電化學(xué)測(cè)量法。其中前兩種方法是目前國(guó)內(nèi)儀器廠商主要采用的方法，然而前處理?xiàng)l件苛刻，體現(xiàn)在:樣品需要高溫高壓消解，其中重鉻酸鹽-滴定法的樣品消解時(shí)間長(zhǎng)達(dá)兩個(gè)小時(shí)，造成儀器結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，同時(shí)試劑成本高、存在比較嚴(yán)重的二次污染，難以滿(mǎn)足現(xiàn)代綠色分析技術(shù)的發(fā)展要求；紫外吸收光譜分析法雖然是無(wú)試劑光學(xué)直接檢測(cè)，但吸光度與COD之間線(xiàn)性相關(guān)性不強(qiáng)，并且其核心智能算法模型易受不同水體的干擾，檢測(cè)不夠穩(wěn)定、普適性較差；比較而言，第四種方法具有試劑用量少、能夠在常溫常壓條件下快速檢測(cè)水體中COD的含量并且產(chǎn)物沒(méi)有二次污染的優(yōu)點(diǎn)，但由于傳感電極必須與水接觸，其壽命受水污染的影響比較嚴(yán)重。綜上分析，目前的COD在線(xiàn)監(jiān)測(cè)儀器難以滿(mǎn)足現(xiàn)代水質(zhì)監(jiān)測(cè)與預(yù)警網(wǎng)絡(luò)對(duì)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)儀器，在低功耗、低成本、快速實(shí)時(shí)和綠色分析的技術(shù)發(fā)展要求。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有COD監(jiān)測(cè)技術(shù)在樣品在線(xiàn)前處理時(shí)，樣品一般需要在高溫高壓條件下消解，產(chǎn)物二次污染嚴(yán)重的技術(shù)不足，提供一種水質(zhì)化學(xué)需氧量快速在線(xiàn)監(jiān)測(cè)儀器，該儀器集成羥基自·由基氧化消解高效樣品前處理與微型光譜儀連續(xù)光譜分析于一體，可廣泛應(yīng)用于多類(lèi)地表水質(zhì)污染監(jiān)測(cè)與預(yù)警和污水處理排放監(jiān)測(cè)。本實(shí)用新型的上述目的是通過(guò)這樣的技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的:一種水質(zhì)化學(xué)需氧量快速在線(xiàn)監(jiān)測(cè)儀器，包括:光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)，流路系統(tǒng)，嵌入式測(cè)控系統(tǒng)；所述流路系統(tǒng)包括微型樣品反應(yīng)檢測(cè)室，微型樣品反應(yīng)檢測(cè)室連接微型蠕動(dòng)泵，微型樣品反應(yīng)檢測(cè)室連接光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)，光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)連接嵌入式測(cè)控系統(tǒng)，所述嵌入式測(cè)控系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊連接上位機(jī)。所述樣品與反應(yīng)試劑在微型蠕動(dòng)泵的作用下，進(jìn)入微型樣品反應(yīng)檢測(cè)室，在微型樣品反應(yīng)檢測(cè)室內(nèi)完成樣品的在線(xiàn)前處理和光譜檢測(cè)。所述微型光譜儀的輸出信號(hào)輸送至嵌入式測(cè)控系統(tǒng)分析處理，并通過(guò)GPRS模塊將測(cè)量結(jié)果發(fā)送至上位機(jī)。所述嵌入式測(cè)控系統(tǒng)包括嵌入式微處理器:SAMSUNG S3C240A微處理器,嵌入式微處理器連接單片機(jī)模塊。[0009]所述微型樣品反應(yīng)檢測(cè)室包括恒溫超聲水槽，流通檢測(cè)池安裝于恒溫超聲水槽的正中，所述恒溫超聲水槽內(nèi)盛蒸餾水，所述恒溫超聲水槽下方安裝超聲換能器。所述光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)包括微型光譜儀，光源經(jīng)過(guò)微透鏡準(zhǔn)直后進(jìn)入微型樣品反應(yīng)檢測(cè)室，出射光經(jīng)過(guò)微透鏡聚焦后進(jìn)入微型光譜儀。本實(shí)用新型一種水質(zhì)化學(xué)需氧量快速在線(xiàn)監(jiān)測(cè)儀器的有益效果如下:I)、儀器在樣品前處理在線(xiàn)控制方面具有自動(dòng)恒溫、高效攪拌與高效清洗的多功能系統(tǒng)集成的技術(shù)優(yōu)勢(shì)；2)、儀器能夠在常溫常壓應(yīng)用條件下快速檢測(cè)水樣中的COD含量，測(cè)量時(shí)間僅需12分鐘；3)、C0D在線(xiàn)檢測(cè)的精密度、準(zhǔn)確度與檢出限等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)優(yōu)于國(guó)家環(huán)境保護(hù)對(duì)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)儀器的技術(shù)規(guī)范要求；4)、水樣與試劑反應(yīng)的產(chǎn)物無(wú)二次污染，滿(mǎn)足現(xiàn)代綠色分析技術(shù)的要求；5)、該儀器體積小、功耗低、操作簡(jiǎn)便，功能完善，檢測(cè)快速，能夠應(yīng)用于水污染監(jiān)測(cè)與預(yù)警，并適合野外多類(lèi)水質(zhì)監(jiān)測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

圖1是本實(shí)用新型水質(zhì)化學(xué)需氧量快速在線(xiàn)監(jiān)測(cè)儀器結(jié)構(gòu)原理圖。圖2是本實(shí)用新型中基于微型光譜儀的光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)示意圖。
圖3是本實(shí)用新型所述微型樣品檢測(cè)室結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本實(shí)用新型監(jiān)測(cè)儀器的測(cè)量流程示意圖。
具體實(shí)施方式一種水質(zhì)化學(xué)需氧量快速在線(xiàn)監(jiān)測(cè)儀器，包括:光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)，流路系統(tǒng)，嵌入式測(cè)控系統(tǒng)。所述流路系統(tǒng)包括微型樣品反應(yīng)檢測(cè)室，微型樣品反應(yīng)檢測(cè)室連接微型蠕動(dòng)泵，微型樣品反應(yīng)檢測(cè)室連接光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)，光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)連接嵌入式測(cè)控系統(tǒng)，所述嵌入式測(cè)控系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊連接上位機(jī)。所述樣品與反應(yīng)試劑在微型蠕動(dòng)泵的作用下，進(jìn)入微型樣品反應(yīng)檢測(cè)室，在微型樣品反應(yīng)檢測(cè)室內(nèi)完成樣品的在線(xiàn)前處理和光譜檢測(cè)。所述微型光譜儀的輸出信號(hào)輸送至嵌入式測(cè)控系統(tǒng)分析處理，并通過(guò)GPRS模塊將測(cè)量結(jié)果發(fā)送至上位機(jī)。所述嵌入式測(cè)控系統(tǒng)包括嵌入式微處理器:SAMSUNG S3C240A微處理器，嵌入式微處理器連接單片機(jī)模塊。如圖1所示，本實(shí)用新型一種水質(zhì)化學(xué)需氧量快速在線(xiàn)監(jiān)測(cè)儀器由:光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)、多樣品與試劑進(jìn)樣的流路系統(tǒng)、基于單片機(jī)與ARM嵌入式主板的嵌入式測(cè)控系統(tǒng)和無(wú)線(xiàn)發(fā)送模塊組成。被測(cè)水樣與檢測(cè)試劑通過(guò)微電子多位閥與微型蠕動(dòng)泵組成的切換流路，按一定的體積比高精度定量進(jìn)入微型樣品反應(yīng)檢測(cè)室，在微型樣品反應(yīng)檢測(cè)室內(nèi)完成樣品的在線(xiàn)前處理和光譜分析，微型光譜儀的輸出信號(hào)送嵌入式系統(tǒng)分析處理，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊把測(cè)量結(jié)果發(fā)送給上位機(jī)，嵌入式測(cè)控系統(tǒng)控制整個(gè)儀器系統(tǒng)運(yùn)作，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊與上位機(jī)進(jìn)行信號(hào)通訊，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)儀器工作的遠(yuǎn)程監(jiān)控。所述高效樣品前處理主要基于水體中有機(jī)物和顯色劑與羥基自由基結(jié)合的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制。Fenton試劑(硫酸亞鐵和雙氧水)中的Fe2+作為催化劑在酸性介質(zhì)中催化H202分解產(chǎn)生氧化性極強(qiáng)的羥基自由基(.0Η)，并由此引發(fā)和傳播自由基鏈反應(yīng)。Fenton試劑消解有機(jī)物的實(shí)質(zhì)就是利用羥基自由基消解有機(jī)物，在基鏈反應(yīng)的作用下，有機(jī)物分子結(jié)構(gòu)發(fā)生脫Η(原子)反應(yīng)，隨后發(fā)生C一C鍵的開(kāi)裂，最后被完全氧化為C02，從而達(dá)到消解COD的目的，具有較高的氧化消解效率。由于羥基自由基(.0H)既能加速水體中的有機(jī)物被氧化降解成水和二氧化碳，又能使競(jìng)爭(zhēng)顯色試劑孔降解。在羥基自由基對(duì)一般有機(jī)物的降解能力強(qiáng)于對(duì)顯色劑的降解能力的前提下，在還原性有機(jī)物被消解完后，剩余羥基自由基(.0H)繼續(xù)與顯色試劑反應(yīng)，如水樣中的COD值越小，則剩余羥基自由基(.0Η)濃度越大，被降解的顯色劑越多，剩余顯色試劑的吸光度也越小，因而，通過(guò)在610nm處測(cè)定所余顯色劑的吸光度，可達(dá)到測(cè)定水體中COD含量的目的。本檢測(cè)方法具有常溫常壓條件下快速消解水樣中的一般有機(jī)物、所需試劑量少和產(chǎn)物沒(méi)有二次污染的優(yōu)點(diǎn)，便于低功耗和綠色分析型監(jiān)測(cè)儀器的開(kāi)發(fā)。如圖2所示，光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)主要由:多功能微小型樣品檢測(cè)室和微型近紫外-可見(jiàn)光譜儀組成，光源(5W/6V，儀器專(zhuān)用鹵鎢燈)經(jīng)微透鏡準(zhǔn)直后進(jìn)入微型樣品反應(yīng)檢測(cè)室，出射光經(jīng)微透鏡聚焦進(jìn)入MOEMS微型光譜儀，微型光譜儀的光譜帶寬和分辨率等指標(biāo)滿(mǎn)足水質(zhì)光譜檢測(cè)的技術(shù)要求。如圖3所示，所述微型樣品檢測(cè)室在設(shè)計(jì)原理上，不但考慮到水質(zhì)樣品反應(yīng)體系的光學(xué)檢測(cè)，而且還針樣品在線(xiàn)前處理對(duì)攪拌、恒溫和清洗的技術(shù)要求，作為系統(tǒng)檢測(cè)光路與試樣流路的交叉，在不影響檢測(cè)光路的前提下，基于超聲技術(shù)與水浴恒溫原理，設(shè)計(jì)了一種集光學(xué)檢測(cè)、自動(dòng)恒溫、攪拌與高效清洗等功能于一體的多功能微小型樣品反應(yīng)檢測(cè)室。多功能的微型樣品檢測(cè)室在結(jié)構(gòu)上主要由:流通檢測(cè)池、恒溫超聲水槽、超聲換能器組成，流通檢測(cè)池材料為K9玻璃，采用一體化熔融加工技術(shù)制造，是樣品檢測(cè)室的核心。它通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)安裝于不銹鋼超聲水槽的正中，水槽內(nèi)盛蒸餾水，流通池的下2/3部分淹沒(méi)于蒸餾水之中，實(shí)驗(yàn)研究證明，蒸餾水作為檢測(cè)光路之一部分(檢測(cè)光路通過(guò)蒸餾水進(jìn)入流通檢測(cè)池，再經(jīng)過(guò)蒸 餾水出樣品室進(jìn)入光譜儀)對(duì)檢測(cè)光強(qiáng)的吸收很小，可以忽略不計(jì)，并且槽內(nèi)蒸餾水可以通過(guò)流路系統(tǒng)定期更換，以保證蒸餾水的潔凈度。這樣，安裝于不銹鋼水槽正下方的微型超聲換能器(Φ 15mmX 50mm)產(chǎn)生的超聲波(5 IOW(MOHz)就可以穿過(guò)槽底蒸餾水進(jìn)入流通檢測(cè)池中，對(duì)池內(nèi)樣品反應(yīng)體系起到攪拌作用，完成光學(xué)檢測(cè)后，在注水清洗流通池時(shí)，超聲波又可以起到清洗的作用。同時(shí)，由于流通檢測(cè)池的大部分淹沒(méi)于蒸餾水中，這樣，很容易在熱電溫控的作用下實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品反應(yīng)體系的水浴恒溫。如圖4所示，在檢測(cè)時(shí)，上電后通過(guò)上位機(jī)監(jiān)控軟件發(fā)出指令，控制系統(tǒng)響應(yīng)；開(kāi)機(jī)系統(tǒng)自檢后，初始化流路系統(tǒng)，待光源穩(wěn)定30分鐘后，開(kāi)始測(cè)量水樣中的COD含量。
權(quán)利要求1.一種水質(zhì)化學(xué)需氧量快速在線(xiàn)監(jiān)測(cè)儀器，包括:光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)，流路系統(tǒng)，嵌入式測(cè)控系統(tǒng)； 其特征在于，所述流路系統(tǒng)包括微型樣品反應(yīng)檢測(cè)室，微型樣品反應(yīng)檢測(cè)室連接微型蠕動(dòng)泵，微型樣品反應(yīng)檢測(cè)室連接光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)，光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)連接嵌入式測(cè)控系統(tǒng)，所述嵌入式測(cè)控系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊連接上位機(jī)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種水質(zhì)化學(xué)需氧量快速在線(xiàn)監(jiān)測(cè)儀器，其特征在于，所述樣品與反應(yīng)試劑在微型蠕動(dòng)泵的作用下，進(jìn)入微型樣品反應(yīng)檢測(cè)室，在微型樣品反應(yīng)檢測(cè)室內(nèi)完成樣品的在線(xiàn)前處理和光譜檢測(cè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種水質(zhì)化學(xué)需氧量快速在線(xiàn)監(jiān)測(cè)儀器，其特征在于，所述微型光譜儀的輸出信號(hào)輸送至嵌入式測(cè)控系統(tǒng)分析處理，并通過(guò)GPRS模塊將測(cè)量結(jié)果發(fā)送至上位機(jī)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種水質(zhì)化學(xué)需氧量快速在線(xiàn)監(jiān)測(cè)儀器，其特征在于，所述嵌入式測(cè)控系統(tǒng)包括嵌入式微處理器:SAMSUNG S3C240A微處理器，嵌入式微處理器連接單片機(jī)豐吳塊。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述一種水質(zhì)化學(xué)需氧量快速在線(xiàn)監(jiān)測(cè)儀器，其特征在于，所述微型樣品反應(yīng)檢測(cè)室包括恒溫超聲水槽，流通檢測(cè)池安裝于恒溫超聲水槽的正中，所述恒溫超聲水槽內(nèi)盛蒸餾水，所述恒溫超聲水槽下方安裝超聲換能器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種水質(zhì)化學(xué)需氧量快速在線(xiàn)監(jiān)測(cè)儀器，其特征在于，所述光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)包括微型光譜儀，光源經(jīng)過(guò)微透鏡準(zhǔn)直后進(jìn)入微型樣品反應(yīng)檢測(cè)室，出射光經(jīng)過(guò)微透鏡聚 焦后進(jìn)入微型光譜儀。
專(zhuān)利摘要一種水質(zhì)化學(xué)需氧量快速在線(xiàn)監(jiān)測(cè)儀器，包括光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)，流路系統(tǒng)，嵌入式測(cè)控系統(tǒng)；所述流路系統(tǒng)包括微型樣品反應(yīng)檢測(cè)室，微型樣品反應(yīng)檢測(cè)室連接微型蠕動(dòng)泵，微型樣品反應(yīng)檢測(cè)室連接光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)，光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)連接嵌入式測(cè)控系統(tǒng)，所述嵌入式測(cè)控系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊連接上位機(jī)。本實(shí)用新型監(jiān)測(cè)儀器集成羥基自由基氧化消解高效樣品前處理與微型光譜儀連續(xù)光譜分析于一體，可廣泛應(yīng)用于多類(lèi)地表水質(zhì)污染監(jiān)測(cè)與預(yù)警和污水處理排放監(jiān)測(cè)。
文檔編號(hào)G01N21/31GK203101266SQ20132009960
公開(kāi)日2013年7月31日 申請(qǐng)日期2013年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月5日
發(fā)明者魏康林, 陳明, 張進(jìn) 申請(qǐng)人:宜昌市博思科技有限責(zé)任公司