CN102288594A - 水体金属元素实时在线光学测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种水体金属元素实时在线检测装置。本发明利用高电压实现待测水样和金属阳极间的气体击穿，产生大气压等离子体，待测水样中的金属元素进入等离子体内，在等离子体高能粒子的作用下激发到高能级，从高能级跃迁到基态的过程中发射出各自的特征原子光谱，通过变换窄带滤光片的透过波长，实现金属元素特征原子光谱的选择。通过分析谱线的波长确定水体中金属元素的种类，分析谱线的强度可以获得元素浓度的信息。本发明仅用一套装置即可实现水体样品中多种金属元素的实时在线鉴别分析，极大地缩短了检测分析程序，提高了检测效率和测量准确度；本发明可用于生活饮水源、工业排污口等的金属离子检测。

Description

水体金属元素实时在线光学测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及水环境的检测分析，具体的说是一种水体金属元素实时在线光学测量装置。

背景技术

水是自然界一切生命的重要基础，是人类赖以生存和发展必不可少的物质之一。然而，由于人类的活动和工农业的发展，各种水体污染问题越来越受到广泛的关注，其中水域中的金属残留，尤其是重金属污染日益严重。重金属如汞、铬、镉、铅等残留在水环境逐渐富集，通过食物链进入消费者体内长期超量积累，对人类安全构成极大威胁。治理过程中需要提供大量的环境监测数据，如何监测和控制金属残留，尤其是重金属残留的排放，已成为倍加关注的热点。 

目前，对水中金属元素的检测技术多停留在实验室阶段，常用的方法是光谱和质谱技术，如电感耦合等离子体-原子发射光谱(ICP-AES)、火焰电离原子吸收光谱(FAAS)、电感耦合等离子体-质谱(ICP-MS)等。光谱和质谱技术具有检出限低、稳定可靠的优点，但是所用设备体积较大，操作步骤繁琐，检测成本偏高。另外，所用设备大都需要对样品进行预处理，不能对样品进行连续、实时测量，难以实现便携化和快速检测。

国内外真正应用于水中金属元素在线分析的技术主要是比色法和电化学方法。比色法原理简单，不需要特殊设备，是经典的化学分析方法之一。然而，该方法的灵敏度较低，只适合于测定某些特殊组分以及较高浓度的重金属；而且，该方法用到的显色剂、掩蔽剂或生成物本身对环境和操作人员存在潜在的安全隐患。电化学方法，如阳极溶出伏安法和电位溶出法，也能用于金属离子检测。这种方法只需要简单的工作电极、参比电极、电解池和记录装置，检测速度快，适于现场或在线分析，但它的测量结果易受到水中有机物等成分的干扰，在稳定性和选择性等方面还是存在不足。 

因此，亟需一种实时、在线和低成本的重金属快速检测仪器，以期实现快速有效地监控环境中的金属残留，保障人民健康与生态安全。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的水体金属元素检测技术中稳定性和选择性方面的不足，提供一种能够在水污染现场实现实时在线金属元素种类和浓度的测量方法和测量装置，实现现场的快速定性和定量分析，并能实现生活饮用水、河流、工业排污口等金属元素的连续监控。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：提出一种水体中金属元素实时在线光学测量装置，包括，样品激发部分和信息接收显示部分，样品激发部分包括：待测液体、进样泵、玻璃管、金属棒、高压电源，信息接收显示装置包含会聚透镜、滤光片、光电探测器、数据采集卡和计算机，待测液体经过进样泵进入玻璃管，流动的待测液体与高压电源的负极相连作为放电阴极，金属棒与高压电源正极相连作为放电阳极；流动的待测液体在玻璃管末端形成“凸”型液面，高压电源在“凸”型液面与金属棒之间施加高电压，产生大气压放电等离子体；待测液体中的金属离子进入等离子体并原子化产生金属原子，金属原子在等离子体中的高能电子和离子的作用下被激发到高能级，高能级的金属原子向低能级跃迁发出发射光谱；发射光谱经会聚透镜成像并将光信号送入多个窄带滤光片；多个窄带滤光片连接选通开关，选通开关接收计算机控制指令选通光信号通过其中一个窄带滤光片，滤去其他波长的光信号，仅让金属原子发射的光信号通过滤光片，经光电探测器进行光电转换和放大，产生电信号由数据采集卡送入计算机，根据电信号的强弱判断金属元素发射光谱信号的强度，进而计算金属元素的浓度。

本发明还提出一种水体中金属元素实时在线光学测量方法，包括步骤：待测液体经过进样泵进入玻璃管，流动的待测液体与高压电源的负极相连作为放电阴极，金属棒与高压电源正极相连作为放电阳极；流动的待测液体在玻璃管末端形成“凸”型液面，高压电源在“凸”型液面与金属棒之间施加高电压，产生大气压放电等离子体；待测液体中的金属离子进入等离子体并原子化产生金属原子，金属原子在等离子体中的高能电子和离子的作用下被激发到高能级，高能级的金属原子向低能级跃迁发出发射光谱；发射光谱经会聚透镜成像并将光信号送入多个窄带滤光片；多个窄带滤光片连接选通开关，选通开关接收计算机控制指令选通光信号通过其中一个窄带滤光片，滤去其他波长的光信号，仅让金属原子发射的光信号通过滤光片，经光电探测器进行光电转换和放大，产生电信号由数据采集卡送入计算机，根据电信号的强弱判断金属元素发射光谱信号的强度，进而计算金属元素的浓度。

本发明采用一套系统即可实现水体中多种金属元素的种类和浓度信息，并可实现多种金属元素的实时在线检测；可实现多种金属元素的同时测量和某金属元素的连续监控；开放大气环境下工作，无需真空设备，结构简单，设备成本降低，操作更加方便。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

具体实施方式

本发明的整体结构示意图如图1所示。水体金属元素实时在线光学测量装置，包括，样品激发装置和信息接收显示装置。样品激发装置由待测液体1，进样泵2，玻璃管3，金属棒4，高压电源5组成，待测液体组成放电阴极、耐烧蚀金属棒组成放电阳极。信息接收显示装置包含会聚透镜7、滤光片8、光电探测器9、数据采集卡10和计算机11。

待测液体样品在进样泵的带动下，以0.5~10ml/min的流速进入一段竖直放置的毛细玻璃管中，毛细玻璃管的内径可为几百微米到几毫米。作为放电阳极的金属棒一般为钨、钼、钽或不锈钢等耐烧蚀金属材料，直径可为1~5mm。高电压由直流、交流、射频或脉冲高压电源提供。毛细玻璃管与金属棒竖直在一条垂直线上。

信息接收显示装置中多通电开关分别连接多个窄带滤光片，多通电开关根据控制系统指令选通相应的窄带滤光片。每个窄带滤光片能通过的波长为某种金属元素的发射波长，其他波长的光信号禁止通过，根据窄带滤光片所通过的光信号的特征谱线判断金属元素的种类。金属元素的特征波长具体如表一所示：

表1 水体中主要金属元素的特征波长

可在待测液体样品1中加入一定量的盐酸、硫酸或硝酸等进行酸化， PH最好为0.9~4。经过酸化的待测液体样品经过滤光片及进样泵后，进入一段竖直放置的玻璃管中。待测液体水样经玻璃管末端溢出并在玻璃管末端形成“凸”型液面，流动的待测液体水样与高压电源负极相连，形成放电阴极；耐烧蚀金属棒为放电阳极，高压电源在“凸”型液面与金属棒阳极之间施加高电压，液体阴极和金属阳极间的大气在高电压的作用下击穿，产生大气压放电等离子体，液面周围的金属离子进入等离子体内部并实现原子化，产生的中性金属原子被等离子体中的载能粒子（高能离子或电子）激发。激发态金属原子向低能态跃迁，产生特定波长的发射。利用光学部件对发射荧光进行聚焦，由窄带滤光片对特定金属元素的发射光谱进行选择，光电探测器实现特定金属元素发射光谱强度到对应电信号的转换，再经过数据采集卡输入计算机记录并显示电信号的强弱，根据光谱信号强度与对应元素的含量具有一定的定量关系，原子光谱的波长与特定的元素一一对应关系，通过变换不同特征波长的窄带滤光片，实现多种金属元素的测量。因此，对该等离子体发射光谱进行分析即可获得被测水样中金属元素的成分和浓度信息。

在进样泵2的带动下，待测水样进入玻璃管3，流动的待测水样与高压电源5的负极相连，作为放电阴极；金属棒4与高压电源5正极相连，作为放电阳极。放电阴极、阳极电极间距可调，调节范围可为0.5~5mm；在开放大气环境下，在高压电源5的作用下，玻璃管3中流动的酸化待测水样与金属阳极间的气体击穿，产生大气压放电等离子体6。待测样品中的金属离子进入等离子体并实现原子化，金属原子在等离子体中的高能电子和离子的作用下被激发到高能级，高能级的金属原子向低能级跃迁发出金属原子特有的发射光谱。等离子体光信号经透镜7会聚成像；同时，光路中安装有多通电开关，分别连接多个窄带滤光片，每个窄带滤光片的透过波长对应一种金属原子的特征发射光谱波长，电开关根据控制系统指令选通。利用窄带滤光片8滤去其他波长的光信号，仅让金属原子发射波长处光信号通过滤光片8，通过窄带滤光片所通过的特征谱线判断金属元素的种类，随后经光电探测器9实现光电转换和放大，再由数据采集卡10和计算机11显示和输出。利用光电探测器转换的电信号的强弱判断金属元素发射光谱信号的强度，进而计算金属元素的浓度。

可采用两种工作状态：（1）多通电开关连续变换不同的滤光片，实现多种金属元素的同时测量；（2）多通电开关固定某一个滤光片，实现一种金属元素的连续监控。

Claims (7)

1. 一种水体中金属元素实时在线光学测量装置，包括，样品激发部分和信息接收显示部分，其特征在于，样品激发部分包括：待测液体、进样泵、玻璃管、金属棒、高压电源，信息接收显示装置包含会聚透镜、滤光片、光电探测器、数据采集卡和计算机，待测液体经过进样泵进入玻璃管，流动的待测液体与高压电源的负极相连作为放电阴极，金属棒与高压电源正极相连作为放电阳极；流动的待测液体在玻璃管末端形成“凸”型液面，高压电源在“凸”型液面与金属棒之间施加高电压，产生大气压放电等离子体；待测液体中的金属离子进入等离子体并原子化产生金属原子，金属原子在等离子体中的高能电子和离子的作用下被激发到高能级，高能级的金属原子向低能级跃迁发出发射光谱；发射光谱经会聚透镜成像并将光信号送入多个窄带滤光片；多个窄带滤光片连接选通开关，选通开关接收计算机控制指令选通光信号通过其中一个窄带滤光片，滤去其他波长的光信号，仅让金属原子发射的光信号通过滤光片，经光电探测器进行光电转换和放大，产生电信号由数据采集卡送入计算机，根据电信号的强弱判断金属元素发射光谱信号的强度，进而计算金属元素的浓度。

2.根据权利要求1所述的光学测量装置，其特征在于：放电阴极、放电阳极间距离可调，调节范围为0.5~5mm。

3.根据权利要求1所述的光学测量装置，其特征在于：玻璃管竖直放置，玻璃管的内径在几百微米到几毫米之间，玻璃管与金属棒竖直在一条垂直线上。

4.一种水体中金属元素实时在线光学测量方法，其特征在于，待测液体经过进样泵进入玻璃管，流动的待测液体与高压电源的负极相连作为放电阴极，金属棒与高压电源正极相连作为放电阳极；流动的待测液体在玻璃管末端形成“凸”型液面，高压电源在“凸”型液面与金属棒之间施加高电压，产生大气压放电等离子体；待测液体中的金属离子进入等离子体并原子化产生金属原子，金属原子在等离子体中的高能电子和离子的作用下被激发到高能级，高能级的金属原子向低能级跃迁发出发射光谱；发射光谱经会聚透镜成像并将光信号送入多个窄带滤光片；多个窄带滤光片连接选通开关，选通开关接收计算机控制指令选通光信号通过其中一个窄带滤光片，滤去其他波长的光信号，仅让金属原子发射的光信号通过滤光片，经光电探测器进行光电转换和放大，产生电信号由数据采集卡送入计算机，根据电信号的强弱判断金属元素发射光谱信号的强度，进而计算金属元素的浓度。

5.根据权利要求4所述的光学测量方法，其特征在于：放电阴极、放电阳极间距离可调，调节范围为0.5~5mm。

6.根据权利要求4所述的光学测量方法，其特征在于：玻璃管竖直放置，玻璃管的内径在几百微米到几毫米之间，玻璃管与金属棒竖直在一条垂直线上。

7.根据权利要求4所述的光学测量方法，其特征在于：在待测液体样品中加入一定量的盐酸、硫酸或硝酸进行酸化，使PH为0.9~4。