CN101072999A - 调理测定氧化还原电位用传感器的方法和仪器 - Google Patents

Abstract

一种调理测定水溶液(104)的氧化还原电位的传感器(100)以便大大缩短获得可靠氧化还原电位测定的时间的方法和仪器。此种调理在传感器(100)离开电位测定平衡(例如，清洁传感器，传感器暴露于空气等)时，常常是必要的。该方法可包括产生一段时间流经传感器(100)的测定电极(108)和参比电极(112)的电流。可靠的氧化还原电位测定可在经过这段时间以后在测定电极(108)与参比电极(112)之间的电压稳定时进行。视水溶液(104)而定，稳定化的值可以是恒定的或者是可变的。

Description

调理测定氧化还原电位用传感器的方法和仪器

技术领域

本发明涉及水溶液氧化还原电位的测定。

背景技术

氧化还原电位(ORP)是水溶液在化学反应(即，氧化)中释放电子或在化学反应(即，还原)中获得电子的能力的度量尺度。氧化和还原反应控制着饮用水、废水和水环境的水溶液中许多化学成分的性能。

发明概述

在一种实施方案中，本发明可提供一种调理水溶液氧化还原电位测定用的传感器的方法。该传感器可包括测定电极、参比电极和测量测定电极与参比电极之间的电压的电压表。该方法可包括将测定电极和参比电极放入到水溶液中，通过在测定电极和参比电极至少之一上施加一段时间电压以产生流经测定电极和参比电极的电流，并在这段时间以后测定水溶液的氧化还原电位。

在另一种实施方案中，本发明可提供一种调理水溶液氧化还原电位测定用传感器的方法。该传感器可包括测定电极、参比电极和测量测定电极与参比电极之间的电压的电压表。该方法可包括通过在测定电极和参比电极至少之一上施加电压达一段时间以产生流经测定电极和参比电极的电流。

在另一种实施方案中，本发明可提供一种水溶液氧化还原电位测定用传感器组件。该组件可包括测定电极、参比电极、电压表和电流源。电压表可被配置以测量测定电极与参比电极之间的电压。电流源可被配置以通过在测定电极与参比电极至少之一上施加电压产生流经测定电极和参比电极的电流。

在又一种实施方案中，本发明可提供一种水溶液氧化还原电位测定用传感器组件。该组件可包括测定电极、参比电极、电压表和电压源。电压表可被配置以测量测定电极与参比电极之间的电压。电压源可被配置以通过在测定电极与参比电极至少之一上施加电压产生流经测定电极和参比电极的电流。

本发明的进一步方面，连同其组织和操作方式，当结合附图研读以下的详细描述时自会明白，在所有附图中相同的元件具有相同的数字代号。

附图简述

本发明将参考展示本发明构造的附图做进一步描述。然而，要指出的是，在附图中展示的本发明不过是举例说明而已。下文中所描述和附图中所说明的各种不同的元件和元件组合可按照不同的方式安排和组织从而产生仍旧属于本发明精神和范围内的构造。还应当知道，这里所使用的措词和术语仅用作描述的目的，不应视为限制性的。“包括”、“包含”或“具有”或其变换说法在本文中的使用旨在涵盖其后列举的事项或其等价物以及附加事项。除非另行规定或限定，术语“安装”、“连接”、“支撑”和“偶联”应按广义解释，因此既涵盖直接也涵盖间接安装、连接、支撑和偶联物。再者，“连接(的)”和“偶联(的)”不局限于物理或机械连接或偶联。

图1是用于实施生物营养脱除废水处理方法的活性污泥废水处理系统的示意图。

图2是实施本发明用的传感器组件的示意图。

图3是采用现有技术传感器组件获得的氧化还原电位测定值的曲线图。

图4是采用图2的传感器组件获得的氧化还原电位测定值的曲线图。

图5是实施本发明用的传感器组件的示意图。

发明详述

氧化还原电位(ORP)是水溶液在化学反应(即，氧化)中释放电子或在化学反应(即，还原)中获得电子的能力的度量尺度。现有多种仪器如ORP传感器供测定水溶液的ORP之用。通过精确地测定ORP，可以确定各种不同水环境的状态。据此，可恰当地改良环境。例如，废水处理系统中的ORP测定可用于确定环境是否需要更多或更少的氧气或DO。ORP的重要性在技术上是众所周知的。有关调节废水中多种化学成分性能的氧化和还原反应的更多背景知识，可参见 Oxidation -Reduction Potential(ORP)method，2580，Standard Methods for theExamionation of Water and Wastewater，第20版，由American PulicHealth Association，American Water Works Association和WaterEnvironment Federation出版(1998)，在此将其全文收作参考。

一般而言，ORP传感器包括惰性金属测定电极、参比电极和测量测定电极与参比电极之间的电压的电压表。该电压代表着测定电极和参比电极所在的水溶液的ORP。ORP传感器，当测定氧化性水溶液的ORP(例如，测定游泳池中的氯的氧化能力)时，工作效率很高。但是当采用ORP传感器来测定还原性水溶液的ORP时，为取得可靠读数的调理时间可能极其长。另外，由于每次将ORP传感器的测定电极和/或参比电极从电位测定平衡中取出(例如，测定电极和/或参比电极的清洗、暴露于空气中之类)时，一般都要求此种调理，因此如此造成的延迟可能影响依赖于ORP测定的过程。

据此，本发明提供一种调理水溶液ORP测定用传感器的方法和仪器，使得建立可靠读数的时间大大缩短。在某些实施方案中，本发明被用于调理温和还原性水溶液，正如在生物营养脱除(BNR)废水处理方法中存在的那种，的ORP测定用传感器。

图1示意地表示实施BNR废水处理方法的废水处理系统10的一个例子。系统10包括第一曝气区或槽12，第二曝气区或槽14，第三曝气区或槽16和沉降槽或澄清池18。废水流入液通过导管20被引入到第一个曝气槽12。废水通常包含有机化合物、氮化合物和/或磷化合物的组合。废水可先经网滤和/或初步沉淀处理以除掉大粒状物质，然后引入到第一曝气槽12中。活性污泥通过导管22被引入到第一曝气槽12。大多数活性污泥从澄清池18被再循环。废水和再循环活性污泥在第一曝气槽12中进行混合(例如，均质化)，从而形成混合液。一般而言，废水与活性污泥是由在含氧气体(例如，空气)通过曝气装置24被引入到第一曝气槽12中时所产生的空气泡混合的。

图示出的曝气装置24包括安装在呈格栅状阵列的导管34上的大量传统扩散器26。含氧气体可通过歧管32在压力下经导管34供给到扩散器26中。含氧气体通过扩散器26膜中的大量穿孔流出形成大量空气泡。从扩散器26上升的空气泡起着双重功能：给混合液提供必要的混合作用和建立小于或等于混合液生物需氧量的氧气源。在某些方法中，机械混合和/或机械曝气器可用来补充或替代由曝气装置24提供的混合作用。

混合液靠重力从第一曝气槽12流入到第二曝气槽14，并从第二曝气槽14到第三曝气槽16。可控制第一、第二和第三曝气槽12、14和16每一个的环境条件以便优化整个废水处理过程的效率和可靠性。混合液从第三曝气槽16通过导管36转移到澄清池18。活性污泥在澄清池18中沉降，澄清的流出液或上层清液通过导管38从澄清池上部抽出以在排放或再利用之前作进一步处理。从澄清池18底部抽出的沉降的活性污泥一部分通过泵40经导管22再循环返回到第一曝气槽12，如图1所示。另一部分沉降的活性污泥通过导管42取出。在某些实施方案中，可按下述获得一种强化的BNR：将一部分混合液从第一曝气槽12、第二曝气槽14、第三曝气槽16及其组合至少之一再循环到非BNR废水处理过程顺序中的下一个曝气槽的曝气槽12、14和16。例如，参考图1中以虚线表示的泵44和导管46，第二曝气槽14和/或第三曝气槽16的一部分混合液可通过泵44经导管46再循环到第一曝气槽12去。

第一、第二和第三曝气槽12、14和16可以是如图1所示，被隔板或墙分隔成3个单独区的单一槽或池，或者可以是完全分开的槽或池，靠合适的导管装置连接起来。图示出的废水处理方法代表一种连续废水处理方法。在其它实施方案中，废水处理方法代表一种间歇废水处理方法。应当知道，废水处理系统10不过是被图示或描述为其中可采用本发明方法和仪器测定ORP的水溶液源的例子而已。在其它实施方案中，本发明方法和仪器可用于测定其它水溶液中的ORP(例如，氧化性水溶液)。

图5阐明了一种替代的传感器组件200。组件200包括敏感电池(sensing cell)208，它起到将电子传递给硝酸盐还原反应的导管作用。该电池具有玻璃管212，连接线216和铂元件220。该敏感半电池反应示于图5。组件200还包括参比电池224，它提供一个稳定的半电池电压作为敏感电池电压的比较。参比电池228可包括银-氯化银元件228、氯化钾-氯化银参比溶液232和液体接合点236。参比半电池反应表示在图5中。

图2阐明了一种传感器组件100，用于测定水溶液104的ORP。传感器组件100包括测定电极108(例如，惰性贵金属电极如铂电极、金电极等)，参比电极112和ORP分析器114以及电流源118。要知道，传感器组件100是示意地表示的并且传感器组件100的构造可以变化。例如，在某些实施方案中，整个传感器组件100可集成为单一的单元。在其它实施方案中，传感器组件100可包含很多单元。在其它实施方案中，例如，传感器组件100可包括U.S.Filter′s Stranco Products制造的Strantrol型号880 ORP控制器和传感器。还应了解，传感器组件100，在某些实施方案中，可包括电压源(未画出)，以替代电流源118。

图示出的ORP分析器114包括配置以测量测定电极108与参比电极112之间的电压的电压表。测定电极108与参比电极112之间的电压代表着测定电极108和参比电极112所在的水溶液104的ORP。ORP分析器114的电路可有多种形式，这取决于相关的ORP传感器的特征。

图示出的电流源118包括电压源122(例如，电池，特别是2节AA电池)，限流电阻器126、开关130、电位计134和计时器138。在其它实施方案中，电流源118可以备选方式被构造。在某些实施方案中，电压源，例如，电压源122，可被包括在传感器组件100中以替代电流源118。当测定电极108和参比电极112被置于水溶液104中时，可闭合开关130，以便将电流源118电偶联到测定电极108和参比电极112上。此种电偶联使电流源118在测定电极108和参比电极112至少之一上施加电压。该电压的施加产生流经测定电极108和参比电极112的电流。虽然该电路并未构成电流流动的完整回路，但水溶液104中的离子却起到促成电流流动所需完整回路的作用。

所产生的流经测定电极108和参比电极112的电流可通过控制所施加电压、所施加电压的持续时间和/或产生电流的持续时间加以控制。在图示出的实施方案中，电流的安培数取决于利用电位计134选取的电压源122的部分以及限流电阻器126的阻抗。图示出的电压源122包含1.5V电池，图示出的电位计134包含1兆欧电阻器，图示出的限流电阻器126包含500Ω电阻器。因此，电流源118可产生安培数介于约0mA～约3mA的电流。在其它实施方案中，安培数的水平可变化。然而，安培数的水平一般不应超过将损坏测定电极108、参比电极112和/或ORP分析器114的水平。再者，虽然电压源122图示成极性沿特定方向取向的电池，但在其它构造中，可采用其它类型，例如，环状电压源，和/或取向相反的电压源。

在其它实施方案中，电流源118可被配置以提供第一极性(例如，正极性)的电流以及第二极性(例如，负极性)的电流。例如，在一种实施方案(未画出)中，电流源118可包括第一电压源122，例如，电池，沿第一方向取向并产生沿第一方向的电流。在该实施方案中，电流源118还可包括第二电压源122，例如另一个电池，相对于第一个电压源122，沿相反方向取向并产生沿相反方向的电流。在进一步的实施方案中，传感器组件100可包括比所示和所描述的更多的电流源118和/或更多的电压源122。

随着电压的施加，可测定与所产生的电流相联系的在测定电极108和参比电极112之间的电压。该电压一般地与产生的电流安培数水平成反比变化。

在图示出的实施方案中，所施加电压的持续时间由开关130控制。当开关130闭合时，就产生电流。当开关130断开时，没有产生电流。在图示出的实施方案中，利用计时器138来触发开关130的闭合与断开。在某些实施方案中，计时器138可与ORP分析器114的电路通讯以便当特定条件存在时(例如，清洁过程的完成、由于测定电极108和/或参比电极112暴露于空气导致ORP测定值出现尖峰脉冲(spike)以后ORP测定值的衰减)闭合开关130。在其它实施方案中，操作工可用手致动计时器138来闭合开关130。计时器138可设定成在某一持续时间期满以后断开开关130。在其它实施方案中，开关可包含手动开关。在又一种实施方案中，其它措施可用来将电流源118电偶联到测定电极108和参比电极112上。

利用电流源118(或电压源)产生流经测定电极108和参比电极112的电流可大大缩短实现可靠的ORP测定所花的时间。图3和4阐明，当与现有技术测量技术相比时，采用本发明可大大将获取稳定、可靠ORP测定所要求的时间从大于1000分钟(图3)缩短到约60分钟(图4)。在进一步的构造中，本发明可使获取可靠ORP测定所要求的时间缩短到不足60分钟。在图3和4中图示出的ORP测量曲线是从具有约-470mV的ORP的水溶液获得的。

参看图3，其中图示出采用现有测定技术获得的ORP测定值，在参比点A，ORP测定值已达到电位测定平衡，因此，该ORP测定值精确地代表水溶液的ORP。在参比点B，测定电极108和参比电极112被暴露于空气或另一种水溶液中(例如，清洁剂或清洁过程)从而导致ORP测定值从电位测定平衡偏离并形成尖峰脉冲。在其它实施方案中，在参比点B，测定电极108和参比电极112至少之一被从水溶液104中取出。在参比点C，测定电极108和/或参比电极112被放回到水溶液104中。于是，ORP测定值朝着水溶液104的-470mV ORP值衰减。正如在参比点D所图示出的，经过大约1000分钟后，ORP测定值依然在-470mV ORP值以上约100mV。如上面所讨论的，此种衰减(delay)可能影响依赖于ORP测定的过程。

参考图4，其中图示出采用本发明测定技术获得的ORP测定值，参比点E和F对应于图3的参比点A和B。然而，并非简单地将测定电极108和参比电极112放入到水溶液104中并让ORP测定值朝可靠值慢慢衰减，而是在参比点G在测定电极108和参比电极112至少之一上施加电压并持续一段时间(例如，5min)，以便产生流经测定电极108和参比电极112的电流。在图示出的实施方案中，当电极108和112至少部分地浸没在水溶液中时在电极108和112上施加电压。

在某些实施方案中，电流源118可产生极性与水溶液104相同的流经测定电极108的电流。例如，在图2和4的阐述的实施方案中，当组件100正在取得还原性水环境的ORP测定值时，例如，由图4所图示的水环境104，电流源118可给电极108和112提供负极性电压。在某些实施方案中，例如，在图4中阐明的实施方案，电压的施加(例如，在该图示出的实施方案中的负电流)使测定电极108的电位超过测定溶液的ORP。如图4所示，例如，这将产生，对于测定电极108来说，更快的的调理时间。

在其它实施方案中，例如，当组件100正在取得氧化性水环境的ORP测定值时，电流源118可产生正极性的电流给电极108和112。在进一步的实施方案中，电流源118可产生交流或调制电流。

在图4所阐述的实施方案中，与产生的电流相关的电流电压可达大约-1000mV，这要比水溶液104的-470mV ORP值更负。在其它实施方案中，产生的电流、持续的时间和/或与所产生的电流相关的电压可变化。例如，在某些实施方案中，施加在电极108和112上的电压可产生基本上恒定的直流电(例如，约0.1mA)、交流电，或可变或调制电流，例如，缓坡电流、阶梯电流、指数-增长电流、指数-衰减电流、三角形电流，其组合等。

进一步参见图4，在参比点H去掉电压，ORP测定值将朝水溶液104的-470mV ORP值移动。正如在参比点I所示，经过约60min后，ORP测定值已返回到预期的-470mV ORP值，从而回到电位测定平衡。

上面所述以及附图中所示的实施方案仅作为举例说明而已，不拟构成对本发明概念和原则的限制。因此，本领域普通技术人员将看出，在不偏离所附权利要求中规定的本发明精神和范围的条件下可对诸元件及其配置和结构做出各种各样改变。要求保护的方法中的要求保护的步骤不必按照所列出的顺序实施，除非另行规定。

Claims (33)

1.一种调理水溶液氧化还原电位测定用传感器的方法，该传感器具有测定电极、参比电极和测量测定电极与参比电极之间的电压的电压表，该方法包括：

将测定电极和参比电极放入到水溶液中；

通过在测定电极和参比电极至少之一上施加一段时间电压产生流经测定电极和参比电极的电流；以及

经过该段时间以后测定水溶液的氧化还原电位。

2.权利要求1的方法，还包括让测定电极和参比电极之间的电压建立起可靠的读数，然后再测定可靠的水溶液氧化还原电位。

3.权利要求1的方法，其中水溶液包含还原性水溶液。

4.权利要求1的方法，水溶液包含废水处理过程的水溶液。

5.权利要求1的方法，其中产生流经测定电极和参比电极的电流包括产生流经测定电极和参比电极的基本上恒定的直流电流。

6.权利要求1的方法，其中产生流经测定电极和参比电极的直流电流包括产生流经测定电极和参比电极的可变电流。

7.权利要求1的方法，还包括在产生流经测定电极和参比电极的电流之前使测定电极和参比电极至少之一暴露于空气中。

8.权利要求1的方法，还包括在产生流经测定电极和参比电极的电流之前清洁测定电极和参比电极至少之一。

9.一种调理水溶液氧化还原电位测定用传感器的方法，该传感器具有测定电极、参比电极和测量测定电极与参比电极之间的电压的电压表，该方法包括：

通过在测定电极和参比电极至少之一上施加一段时间电压产生流经测定电极和参比电极的电流。

10.权利要求9的方法，还包括将测定电极和参比电极放入到还原性水溶液中。

11.权利要求10的方法，其中还原性水溶液是生物营养脱除废水处理过程的还原性水溶液。

12.权利要求9的方法，还包括经过这段时间以后测定还原性水溶液的氧化还原电位。

13.权利要求9的方法，其中产生流经测定电极和参比电极的电流包括，通过当测定电极和参比电极至少部分地浸没在水溶液中时在测定电极和参比电极至少之一上施加一段时间电压，产生流经测定电极和参比电极的电流。

14.权利要求9的方法，还包括：

将测定电极和参比电极放入到水溶液中；

取出水溶液中的测定电极和参比电极之一；和

将测定电极和参比电极之一放入到水溶液中。

15.权利要求14的方法，还包括经过这段时间以后测定水溶液的氧化还原电位。

16.权利要求15的方法，其中测定氧化还原电位包括在产生流经测定电极和参比电极的电流以后测定氧化还原电位。

17.权利要求14的方法，其中测定氧化还原电位包括将测定电极和参比电极放入到水溶液中以后测定氧化还原电位。

18.权利要求9的方法，其中水溶液包括还原性水溶液。

19.权利要求9的方法，其中水溶液包括氧化性水溶液。

20.权利要求9的方法，其中水溶液包括氧化性水溶液和还原性水溶液之一；并且

产生流经测定电极和参比电极的电流包括，通过在测定电极和参比电极至少之一上施加一段时间极性与水溶液相同的电压来产生流经测定电极和参比电极的电流。

21.权利要求9的方法，其中水溶液包括还原性水溶液，并且产生流经测定电极和参比电极的电流包括，通过在测定电极和参比电极至少之一上施加一段时间负极性电压来产生流经测定电极和参比电极的电流。

22.权利要求9的方法，其中水溶液包括氧化性水溶液，并且产生流经测定电极和参比电极的电流包括，通过在测定电极和参比电极至少之一上施加一段时间正极性电压来产生流经测定电极和参比电极的电流。

23.权利要求9的方法，其中与相同的测定水溶液氧化还原电位只是未经测定电极和参比电极产生电流的方法相比，在测定电极和参比电极至少之一暴露于空气中和进行清洁二者至少之一以后产生流经测定电极和参比电极的电流大大缩短获得测定电极和参比电极之间的代表性电压所需时间。

24.一种测定水溶液氧化还原电位用的传感器组件，该组件包含：

测定电极；

参比电极；

配置成测量测定电极和参比电极之间的电压的电压表；

配置成通过在测定电极和参比电极至少之一上施加电压产生流经测定电极和参比电极的电流的电流源。

25.权利要求24的组件，其中水溶液是生物营养脱除废水处理过程的还原性水溶液。

26.权利要求24的组件，其中电流源包含限制产生的电流的限流电阻器。

27.权利要求24的组件，还包括将电流源选择地电偶联到测定电极和参比电极上的开关。

28.权利要求24的组件，还包括计时器、可编程逻辑及其组合至少之一。

29.权利要求24的组件，其中电流源用来在测定电极和参比电极至少之一暴露于空气以后产生流经测定电极和参比电极的电流。

30.权利要求24的组件，其中电流源用来在清洁测定电极和参比电极至少之一以后产生流经测定电极和参比电极的电流。

31.权利要求24的组件，其中测定电极与参比电极之间的电压包含当产生流经测定电极和参比电极的电流时的第一值，其中测定电极与参比电极之间的电压包含当测定氧化还原电位时的第二值，且其中第一值比第二值更负。

32.权利要求24的组件，其中电流源产生流经测定电极和参比电极的可变电流。

33.一种测定水溶液氧化还原电位用的传感器组件，该组件包含：

测定电极；

参比电极；

配置成测量测定电极和参比电极之间的电压的电压表；

配置成通过在测定电极和参比电极至少之一上施加电压产生流经测定电极和参比电极的电流的电压源。

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