CN103616525A

CN103616525A - 一种水质总磷快速在线监测仪器

Info

Publication number: CN103616525A
Application number: CN201310667226.2A
Authority: CN
Inventors: 魏康林; 陈明
Original assignee: China Three Gorges University CTGU
Current assignee: China Three Gorges University CTGU
Priority date: 2013-12-11
Filing date: 2013-12-11
Publication date: 2014-03-05

Abstract

本发明涉及一种水质总磷快速在线监测仪，它包括电源模块、嵌入式测控系统、光学检测系统和多样品与试剂顺序进样流路系统，嵌入式系统上通过串口连接有人机交互系统，人机交互系统包括存储器、触摸屏和GPRS系统，GPRS系统与上位机连接，嵌入式系统上通过并口连接有光谱仪；嵌入式系统主控制器SAMSUNGS3C6410上有引脚与外围控制电路系统连接，外围控制电路系统连接样品检测室，样品检测室连接光谱仪。本发明能够在常温常压下应用于水质总磷污染监测与预警，适合野外多类水质监测现场分析，在样品化学前处理及在线控制方面具有自动恒温、高效搅拌与高效清洗的多功能系统集成的技术优势，测量时间仅需15分钟。

Description

一种水质总磷快速在线监测仪器

技术领域

本发明属于光谱水质在线分析与监测技术领域，涉及一种在常温常压应用条件下基于超声辅助消解与连续光谱分析的水质总磷快速在线监测仪器。

背景技术

总磷是控制水体富营养化的重要水质监测参数，是保护水资源的饮用、游览和养殖等开发价值而必须有效监控的水质参数之一，是水环境监测的必测项目之一。

目前，总磷监测仪器大多采用国家标准检测方法，即钼酸铵分光光度法 ,其原理是用过硫酸钾（或硝酸-高氯酸）使水样消解,将焦磷酸盐、偏磷酸盐和有机结合的磷酸盐等各种形式存在的磷全部氧化为无机正磷酸盐。正磷酸盐与钼酸铵反应生成磷钼杂多酸，加入抗坏血酸使其被还原,生成蓝色络合物,用分光光度法在700nm处检测总磷含量。该方法样品需要在高温、高压容器中消解反应,检测过程复杂，耗时耗能，并且存在较大的二次污染。

此外，就目前总磷检测的其他方法而言，如氯化亚锡还原光度法、离子色谱法、等离子体光谱-质谱仪分析等，这些方法或操作步骤冗长繁琐，或干扰因素较多，其中离子色谱法、等离子体光谱-质谱仪分析等检测方法需要使用比较昂贵的仪器，而且对操作人员有很高的专业技能要求，并且大都采用大型分析仪器，只能在实验室完成,不能满足野外现场无人值守的在线监测要求，更不适用于突发性污染事故的现场快速在线监测与预警。

综上分析，为满足水质突发性污染监测与预警这一现代水质监测技术发展要求，开发能够在常温常压应用条件下，低成本、高可靠、检测实时快速的水质总磷监测仪器是我国环境监测与治理保护领域的迫切需求。

发明内容

本发明的目的在于针对现有总磷检测在样品在线前处理条件苛刻（如国标中使用的方法，样品一般需要在高温高压条件下消解2个小时，产物二次污染严重）和分析仪器难以满足在线监测技术要求（如离子色谱法、等离子体光谱-质谱仪分析法等）两方面存在的技术不足，提供一种集成超声辅助消解高效样品化学前处理与连续光谱分析技术的水质总磷快速监测仪器，可广泛应用于多类地表水质污染监测与预警以及污水处理排放监测。

本发明采用如下技术方案：

一种水质总磷快速在线监测仪，它包括电源模块、嵌入式测控系统、光学检测系统和多样品与试剂顺序进样流路系统，其特征在于：

所述嵌入式测控系统包括嵌入式系统和外围控制电路系统，嵌入式系统上通过串口连接有人机交互系统，人机交互系统包括存储器、触摸屏和GPRS系统，GPRS系统与上位机连接，嵌入式系统上通过并口连接有光谱仪，嵌入式系统主控制器上有接口与外围控制电路系统连接，外围控制电路系统连接微型样品反应检测室，微型样品反应检测室连接光谱仪；

所述多样品与试剂顺序进样流路系统由微电子多位阀、微型精密蠕动泵、样品反应检测室组成；

所述光学检测系统包括准直光源，准直光源通过微型样品反应检测室，然后经过聚焦光路，最后进入光谱仪，所述的样品反应检测室由流通检测池、恒温超声水槽、超声换能器组成，流通检测池设置在恒温超声水槽内部，恒温超声水槽底部设有超声换能器，所述超声换能器由超声发生器驱动产生超声波，超声波频率为40kHz，功率5～10W可调。

优选的，流通检测池顶部设样品流路系统，流通检测池底部通过直流泵连接废液池，恒温超声水槽顶部设水槽蒸馏水进口，恒温超声水槽底部通过直流泵连接废液池。

优选的，流通检测池的下2/3部分淹没于恒温超声水槽的蒸馏水之中。

优选的，流通检测池由石英玻璃制成，恒温超声水槽由不锈钢制成，恒温超声水槽上设有石英玻璃光窗，石英玻璃光窗用于检测光路通过。

优选的，恒温超声水槽的外部设有热电温控模块。

优选的，嵌入式系统中主控制器为SAMSUNGS3C6410微处理器，其采用Linux内核技术。

优选的，外围控制电路系统包括自动恒温控制、光源开关控制、流路进样控制、自动搅拌控制和自动清洗控制。

本发明取得的技术效果：

1、本发明体积小、功耗低、操作简便，功能完善，检测快速，能够应用于水质总磷污染监测与预警，并适合野外多类水质监测的现场应用，仪器在样品化学前处理在线控制方面具有自动恒温、高效搅拌与高效清洗的多功能系统集成的技术优势，仪器能够在常温常压应用条件下快速检测水样中的总磷含量，测量时间仅需15分钟；

2、总磷在线检测的精密度、准确度与检出限等关键技术指标优于国家环境保护对在线监测仪器的技术规范要求。

附图说明

图1是本发明的结构原理图；

图2是样品反应检测室的结构示意图，其中，1. 蒸馏水进口，3. 直流泵，5. 检测池， 8. 样品流路系统，12. 废液池，16. 恒温超声水槽，18. 石英玻璃光窗，20. 热电温控模块，21超声换能器，22. 超声发生器；

图3是羟基自由基氧化消解高效样品前处理原理图；

图4是超声辅助消解高效样品前处理原理图；

图5是基于光谱仪的光学检测系统示意图；

图6是本发明的测量流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

图1示出了本在线监测仪的结构原理图，该监测仪包括电源模块、嵌入式测控系统、光学检测系统和多样品与试剂顺序进样流路系统。

所述嵌入式测控系统包括嵌入式系统和外围控制电路系统，嵌入式系统上通过串口连接有人机交互系统，人机交互系统包括存储器、触摸屏和GPRS系统，GPRS系统与上位机连接，嵌入式系统上通过并口连接有光谱仪；嵌入式系统主控制器SAMSUNGS3C6410上有引脚与外围控制电路系统连接，外围控制电路系统连接样品检测室，样品检测室连接光谱仪；所述多样品与试剂顺序进样流路系统由微电子多位阀、微型精密蠕动泵、样品反应检测室组成；所述的光学监测系统包括准直光源，准直光源通过微型样品反应检测室，然后经过聚焦光路，最后进入光谱仪，所述的样品反应检测室由流通检测池5、恒温超声水槽16、超声换能器21组成，流通检测池设置在恒温超声水槽内部，恒温超声水槽底部设有超声换能器，所述的超声换能器由超声发生器22产生超声波17，超声波频率为40kHz，功率10～20W可调。

所述的流通检测池顶部设样品流路系统8，流通检测池底部通过直流泵3连接废液池12，恒温超声水槽顶部设水槽蒸馏水进口1，恒温超声水槽底部通过直流泵3连接废液池12。

所述的流通检测池的下2/3部分淹没于恒温超声水槽的蒸馏水之中。

所述的流通检测池由玻璃制成，恒温超声水槽由不锈钢制成，恒温超声水槽上设有石英玻璃光窗18，石英玻璃光窗用于检测光路6通过。

所述的恒温超声水槽的外部设有热电温控模块20。

所述的嵌入式系统为SAMSUNG S3C6410微处理器，其采用Linux内核技术。

所述的外围控制电路系统主要包括样品检测室的自动恒温控制、光源开关控制、流路进样控制、自动搅拌控制和自动清洗控制。

如图１所示，主控制器SAMSUNG S3C6410向外围控制电路系统发送控制命令，被测水样与检测试剂通过微电子多位阀与微型精密蠕动泵组成的切换流路按一定的体积比高精度定量进入微小型样品反应检测室，样品反应体系在恒温控制、搅拌控制和超声辅助消解控制的作用下，在样品反应检测室内完成样品的在线化学前处理和光谱分析，光谱仪的输出信号送嵌入式系统分析处理，并通过GPRS系统把测量结果发送给上位机，嵌入式测控系统控制整个仪器系统运作，并通过无线发送模块与上位机进行信号通讯，实现上位机对仪器工作的远程监控。

图2示出了样品反应检测室的结构示意图，所述微小型多功能样品检测室在设计原理上不但考虑到水质样品反应体系的光学检测，而且还针样品在线前处理对消解、搅拌、恒温和清洗的技术要求，作为系统检测光路与试样流路的交叉，在不影响检测光路的前提下，基于超声技术与水浴恒温原理，设计了一种集光学检测、自动恒温、搅拌与高效清洗等功能于一体的多功能微小型样品反应检测室。

所述的样品检测室在结构上主要由流通检测池5、恒温超声水槽16、超声换能器21组成，流通检测池材料为K9玻璃，采用一体化熔融加工技术制造，是样品检测室的核心，它通过机械结构安装于不锈钢超声水槽的正中，水槽内盛蒸馏水，流通池的下2/3部分淹没于蒸馏水之中，实验研究证明，蒸馏水作为检测光路之一部分（检测光路通过蒸馏水进入流通检测池，再经过蒸馏水出样品室进入光谱仪）对检测光强的吸收很小，可以忽略不计，并且槽内蒸馏水可以通过流路系统定期更换，以保证蒸馏水的洁净度。这样，安装于不锈钢水槽正下方的微型超声换能器21（Φ15mm×50mm）产生的超声波17（10～20W40kHz）就可以穿过槽底蒸馏水进入流通检测池中，对池内样品反应体系起到超声辅助消解作用，完成光学检测后，在注水清洗流通池时，超声波又可以起到清洗的作用。同时，由于流通检测池的大部分淹没于蒸馏水中，这样，很容易在热电温控的作用下实现对样品反应体系的水浴恒温。

图3示出了羟基自由基氧化消解高效样品前处理原理图，所述高效样品前处理主要是利用Fenton试剂（硫酸亚铁和双氧水）中的Fe²⁺作为催化剂在酸性介质中催化H₂O₂分解产生氧化性极强的羟基自由基（·OH），并由此引发和传播自由基链反应。Fenton试剂消解有机磷化合物的实质就是在基链反应的作用下，羟基自由基（·OH）的强氧化性能够使有机磷化合物的分子结构发生脱 H( 原子) 反应，随后发生 C—C键的开裂，最后被完全氧化为 CO₂、H₂O和PO₄ ^3-，从而达到消解总磷的目的，具有较高的氧化消解效率。

图4示出了超声辅助消解高效样品前处理原理图，所述超声辅助消解是利用超声波的“空化”作用可以在样品前处理反应体系中形成瞬时高温高压，同时产生具有强烈冲击力的微射流，也可使焦磷酸盐、偏磷酸盐等物质分子中的P—S键和P—O 键断裂, 最后形成PO₄ ^3-。因此，超声的“空化”作用与羟基自由基（·OH）的强氧化性功能互补，极大增强了对水样中总磷的消解，提高消解率，便于后续的钼酸铵显色光谱分析法检测总磷的含量。

图5示出了基于光谱仪的光学检测系统示意图，光学检测系统主要由多功能微小型样品检测室和光谱仪组成，光源（5W/6V，仪器专用卤钨灯）经微透镜准直后进入样品反应检测室，出射光经微透镜聚焦进入光谱仪，光谱仪的光谱带宽和分辨率等指标满足水质光谱检测的技术要求。

图6示出了本发明的测量流程示意图，在检测时，上电后通过上位机监控软件发出指令，控制系统响应，开机系统自检后，初始化流路系统，待光源稳定30分钟后，开始测量水样中的总磷含量。

本发明的保护范围并不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离其保护范围。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明的意图也包含这些改动和变形在内。

Claims

1.一种水质总磷快速在线监测仪，它包括电源模块、嵌入式测控系统、光学检测系统和多样品与试剂顺序进样流路系统，其特征在于：

所述嵌入式测控系统包括嵌入式系统和外围控制电路系统，嵌入式系统上通过串口连接有人机交互系统，人机交互系统包括存储器、触摸屏和GPRS系统，GPRS系统与上位机连接，嵌入式系统上通过并口连接有光谱仪，嵌入式系统主控制器上经引脚与外围控制电路系统连接，外围控制电路系统连接微型样品反应检测室，微型样品反应检测室连接光谱仪；

所述多样品与试剂顺序进样流路系统由微电子多位阀、微型精密蠕动泵、微型样品反应检测室组成；

所述光学检测系统包括准直光源，准直光源通过微型样品反应检测室，经聚焦光路与光谱仪连接。

2.根据权利要求1所述的水质总磷快速在线监测仪，其特征在于：所述的微型样品反应检测室由流通检测池（5）、恒温超声水槽（16）、超声换能器组成（21），流通检测池（5）设置在恒温超声水槽（16）内部，恒温超声水槽（16）底部设有超声换能器（21），所述超声换能器（21）由超声发生器（22）驱动产生超声波，超声波频率为40kHz，功率10～20W可调。

3.根据权利要求2所述的水质总磷快速在线监测仪，其特征在于：流通检测池（5）顶部设样品流路系统（8），流通检测池（5）底部通过直流泵（3）连接废液池（12），恒温超声水槽（16）顶部设水槽蒸馏水进口（1），恒温超声水槽（16）底部通过直流泵（3）连接废液池（12）。

4.根据权利要求3所述的水质总磷快速在线监测仪，其特征在于：流通检测池（5）的下2/3部分淹没于恒温超声水槽（16）的蒸馏水之中。

5.根据权利要求3或4所述的水质总磷快速在线监测仪，其特征在于：所述流通检测池（5）由石英玻璃制成，恒温超声水槽（16）由不锈钢制成，恒温超声水槽（16）上设有石英玻璃光窗（18），石英玻璃光窗用于检测光路通过。

6.根据权利要求2或3所述的水质总磷快速在线监测仪，其特征在于：所述恒温超声水槽（16）的外部设有热电温控模块（20）。

7.根据权利要求1至4任一权利要求所述的水质总磷快速在线监测仪，其特征在于：嵌入式系统中主控制器为SAMSUNGS3C6410微处理器，其采用Linux内核技术。