CN103926206A - 一种水溶液中碳酸盐快速检测的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水溶液中碳酸盐快速检测装置，包括：二氧化碳发生分离装置，等离子体光源装置和检测装置。其特征在于该检测装置包含两个在线脱气机：其中第一个脱气机位于二氧化碳发生分离装置和样品容器之间，用于在线脱除两股进样溶液中的溶解气体；第二个脱气机位于二氧化碳发生分离装置和检测器之间，用于从混合后的溶液中提取产生的待测二氧化碳。该检测装置不仅能在线除去溶液中的游离二氧化碳、使碳酸盐测定中不受游离二氧化碳干扰、节省大量样品前处理时间；也能使酸化后产生的二氧化碳有效的被分离提取，具有很低的检出限。本发明具有装置简单、价格低廉实用等优点、适合做水溶液中无机碳及酸度的快速测定。

Description

一种水溶液中碳酸盐快速检测的装置

技术领域

本发明属于检测仪器应用技术领域，涉及一种水溶液中碳酸盐分析装置，具体说涉及一种水溶液中碳酸盐快速检测的装置。 

背景技术

目前，碳酸盐测定已经广泛服务于社会的各个领域。特别是在食品安全、环境监测和保护、地质和矿产资源勘查与评价、农业与水资源等领域有着及其广泛的应用。目前测定元素的方法最主要、应用最广泛的是使用无色散红外光谱法和化学滴定法。然而上面的两种方法存在着检出限不理想、测定误差大、仪器稳定性差等不足之处。 

等离子体原子发射光谱包括电感耦合等离子体、直流等离子体、微波等离子体、介质阻挡放电及辉光放电等。它们在测定无机碳及形态，具备非常好的测定灵敏度和检出限，且测量精度高，在目前无机碳及其形态测定方面已有应用。目前，等离子体发射光谱测定水溶液中无机碳所使用的样品进入方法普遍采用气态进样方法。该方法除了进样效率高外，还有一个优点是，它本身是一个分离过程，通过将气态物从液体样品中分离出来，可减小或消除溶液中存在的其它元素的干扰。 

但目前采用的该方法对测定水溶液中碳酸盐时存在下面问题：（1）由于目前的等离子体仪器普遍使用光栅分光（目前普遍使用中阶梯光栅），使仪器装置比较复杂，价格比较高，不适合单独测定水溶液中的碳酸盐。（2）当采用气态二氧化碳进样时，要使用无机酸酸化样品溶液，才能使样品中的碳酸根及碳酸氢根转化为二氧化碳进而实现二氧化碳气态进样，这就要求测定中用的蒸馏水必须事先煮沸除去二氧化碳，冷却后才能用于样品稀释和稀酸溶液的配制，否则蒸馏水中溶解的大量二氧化碳将使测定带来很大的空白值，使测定几乎无法进行。因此，蒸馏水必须事先煮沸除去二氧化碳，这一过程需要消耗大量的时间，因为不仅要煮沸蒸馏水，而且还要冷却后才能使用，且所用的所有的玻璃容器都要用无二氧化碳蒸馏水多次清洗以除去容器上残留的含二氧化碳水。（3）在混合后的溶液中分离二氧化碳时普遍采用喷雾（雾化）或鼓泡分离方法，使水溶液中的部分元素及水被雾化进样，这样就使等离子体对被雾化的元素也产生激发，对无色散仪器的检测器测定二氧化碳时产生光谱干扰。 

发明内容

为了克服现有技术的缺点与不足，本发明公开了一种水溶液中碳酸盐快速检测装置，包括：二氧化碳发生分离装置，等离子体光源装置和检测装置。其特征在于该检测装置包含两个在线脱气：其中第一个脱气机位于二氧化碳发生装置和样品容器之间，用于在线脱除两股进样溶液中的溶解气体；第二个脱气机位于二氧化碳发生装置和检测器之间，用于从混合后溶液单管中提取产生的待测二氧化碳；同时使用日盲光电倍增管作检测器。 

本发明中的第一个在线脱气机中包含两个进样脱气管，一根用于碳酸盐水溶液进样的脱气，另一个用于无机酸水溶液的进样脱气，经第一脱气机脱气后的两个出口管汇合处位于两个脱气机之间；第二个在线脱气机中只包含一个进样脱气管，该进样管用来导入第一个脱气机的两根出口管汇合后的、含有发生的二氧化碳的混合溶液。 

本发明中的第一个脱气机用真空方法进行脱气；第二个脱气机用通惰性气体吹扫脱气。 

本发明使用等离子体光源来激发二氧化碳，使之产生碳的发射光谱，然后使用日盲光电倍增管做检测器接收光谱信号，光路中无光栅或滤光片。 

本发明使用等离子体激发光源是指微波等离子体、电感耦合等离子体和介质阻挡放电等离子体产生的激发光源。 

下面是对本发明中各个部件的详细说明： 

本发明所述的第一个在线脱气机，其工作原理是运用真空脱气原理进行工作的。当稀释后的样品和无机酸溶液分别通过置于真空仓中的脱气管时，管内外产生的压力差可使溶液中的溶解的气泡分子（溶液中含的游离二氧化碳、氮气、氧气等）从脱气管的分离膜内不断析出。真空仓内脱气管设计长度可以满足一般常规流量的脱气要求。通过使用在线脱气机，可以使配制溶液时用的蒸馏水中含有的游离气体被脱除掉，避免了其在下一步在二氧化碳气液分离时其它气体（比如氮气、氧气等）随二氧化碳一同被分离出去，对等离子体激发产生发射光谱干扰测定。这就消除了干扰气体产生发射光谱干扰和溶液中溶解性二氧化碳产生放入高空白干扰。第一个脱气机的典型真空压力是在-0.05MPa到-0.09MPa压力之间，脱气机内单管对溶液的容量为5-20毫升。使用的脱气膜管材常用的Teflon AF-2400,也可以使用其它脱气膜管。

本发明所述的第二个在线脱气机，其原理是当稀释后的样品和无机酸溶液分别通过在线脱气机被除去溶解的气体后，两个溶液在一个三通管路中汇合并使待测的碳酸盐和无机稀酸发生反应，碳酸盐生成了气态二氧化碳，此时二氧化碳仍然在反应的管路中，当将该管路中的气液混合物通过置于含有流动的载气的脱气机时，气体便从脱气管的表面膜孔被载气吹扫出来，然后被载气载入到检测器中进行测定，而废液管从脱气机中出来后，其废液被排放。 

本发明采用的载气吹扫法来从脱气管溶液中分离二氧化碳，因此能使其它元素和水不形成气溶胶，即溶液中水和其它元素（如钙镁铜锌锰等）不易雾化形式被进样到等离子中被激发产生光谱，避免了微量被雾化的其它元素和水对二氧化碳的测定产生光谱干扰。否则，如果采用鼓泡或雾化分离酸化后溶液中的二氧化碳，则会使溶液中的其它溶解在水溶液中的元素（如钙镁锌锰等）少量被进入到检测仪器的光源中（如等离子体光源）中，因为本发明没有使用光散或滤光片，因此这些干扰光谱将全都被检测，产生严重的光谱干扰。 

本发明等离子体装置其工作原理是：通过高频电磁场耦合感应使气体被瞬间高度电离，形成等离子体。其具有很高的激发能，因此被用来本发明中二氧化碳的电离，使碳发光被测定。常见的等离子体有电感耦合等离子体、直流等离子体、微波等离子体、介质阻挡放电及辉光放电，这些等离子体都可以用来本发明。 

日盲光电倍增管的作用是：日盲光电倍增管的光谱响应范围是170-350nm,峰值在240nm左右,这样的光谱响应能够避开等离子体产生的可见光对碳测定的干扰，同时也是碳的灵敏发射谱线247nm正好被检测器完全充分接收检测，就有很高的响应灵敏度。二氧化碳在等离子体中被激发后，碳发射光谱被日盲光电倍增管转变成电信号后，能够进而被计算机读取。 

下面是本发明的一个总的实施流程，依据该基本实施例框架，本专业领域人员可以进行更详细的进行装置的构建和实施。 

本发明的总的实施例为：使用一个高频电源，氩气为工作气体的等离子体做激发光源。用普通蒸馏水稀释配制好待测样品溶液和1-5%的稀无机酸溶液，然后用蠕动泵（抽取溶液流速为1-5毫升/分钟）将待测溶液和稀无机酸溶液经两根管分别送入一在线脱气机，使二溶液中的溶解气体（氮气，游离二氧化碳、氧气等）被分别脱除掉，然后使从脱气机出来的两个溶液在一T型管混合，溶液中碳酸盐被酸酸化产生二氧化碳，产生的二氧化碳在第二个脱气机被载气分离出来，载气为流量300-400毫升/分钟的高纯氩。载气载着二氧化碳到检测仪器被检测。二氧化碳检测仪器包括载入到使碳电离发光的等离子体装置中被电离发出碳特征光谱线（247nm），该谱线经过透镜聚焦后，进入到日盲光电倍增管被检测。依据光谱定量原理进行元素的定量检测。使用含碳的标准溶液做外表校线，测得待测样品溶液中碳酸盐总量。本实施例使用的两个脱气机的膜管材料，典型的是Teflon AF-2400（0.81mm o.d.,0.61mm i.d.），其在脱气空间的典型长度在20厘米左右。第一个脱气机真空压力为-0.05到-0.09压力之间，第二个脱气机载气流速在250-350毫升/分钟之间。 

本发明公开的水溶液中碳酸盐快速检测装置与目前已有的电感耦合等离子体原子发射光谱相比不同点及相似点是： 

（1）目前的电感耦合等离子体原子发射光谱测定水溶液中碳酸盐时事先要经过加热除去蒸馏水（用于稀释样品溶液）中的溶解的二氧化碳，这就消耗大量前处理时间在煮沸—冷却—冲洗容量瓶—稀释刻度等前处理流程上，而本装置中使用第一个在线脱气机不仅能够在线快速除去蒸馏水和酸溶液及器皿中溶解吸附的游离二氧化碳，也能除去其它溶解气体，比如氮气。这些气体若不除去，将都被等离子体激发产生光谱，这对日盲光电倍增管检测碳酸盐转化而来的二氧化碳产生严重干扰。因此，使用第一个在线脱气机能迅速消除蒸馏水和酸溶液及器皿中溶解吸附的游离二氧化碳、氮气、氧气等气体干扰，能使日盲光电倍增管准确碳酸盐转化而来的二氧化碳。第一个脱气机使用的两根膜管典型的是Teflon AF-2400（0.81mm o.d.,0.61mm i.d.）,其在脱气空间的典型长度在20厘米左右。

（2）使用第二个在线脱气机，由于载气是隔着气液分离膜进行二氧化碳分离的，这样就避免了传统上的气液分离（鼓泡、喷雾、直接在溶液表面吹扫）过程中使溶液中部分其他元素（钙镁锌铜等等）被少量雾化而也被引入到等离子光源中，避免了这些元素由于雾化进样而被等离子体激发产生光谱，否则这些元素光谱将对日盲光电倍增管检测碳酸盐转化而来的二氧化碳产生测定也产生严重的光谱干扰。因此，使用第二个在线脱气机能避免其它元素（钙镁锌铜等等）的任何雾化，能使日盲光电倍增管准确碳酸盐转化而来的二氧化碳。第二个脱气机使用的膜管典型的是Teflon AF-2400,其在脱气空间的典型长度在20厘米左右。 

（3）检测器：目前的电感耦合等离子体原子发射光谱通常使用的是CCD检测器或全谱光电倍增管检测器，这就需要分光器件来除去大量的可见光区激发光谱对检测器的干扰，否则而本装置使用的是日盲光电倍增管有于光谱强度太大而使检测信号强度达到饱和不能检测。本发明使用的日盲光电倍增管其积极意义在于能够截止大于350nm的可见光和小于170的远紫外光谱干扰，这就过滤掉了大量的氮气和氩气产生的干扰光谱，而且其最佳波长响应是240nm，正处在碳的灵敏激发波长247nm附近，因此对二氧化碳检测具有极佳的灵敏度和准确度。 

相同点：都是使用等离子做激发光源，利用发射光谱法测定元素。 

本发明公开的水溶液中碳酸盐快速检测装置的技术指标如下： 

（1）样品和无机酸流速在0.5mL/min —50.5mL/min之间；

（2）仪器检出限：20ppb（以碳计）

（3）线性范围：至少400ppm(以碳计)

(4) 测定时间：单个样品从取样到测定完毕不大于5min 。

附图说明： 

图1为使用气态二氧化碳进样的等离子原子发射光谱测定水溶液中碳酸盐的装置结构示意图；

其中：

  a 为样品溶液进样管；

  b 为无机酸进样管；

  c 为脱气后样品溶液和无机酸混合后含待测的二氧化碳溶液管；

1、2、3 分别为样品容器、稀酸容器和废液容器；

4 为带有3个轨道的蠕动泵； 

5 为第一个在线脱气机；

6 为第一个脱气机流出后的样品溶液与稀无机酸在脱气机外面混合溶液用的三通管；

7  为第二个在线脱气机；

8 为第二个脱气机排放的废液；

9 为载气（氩）入口；

10为载有待测二氧化碳后的载气出口；

11 等离子体装置

12为等离子光源；

13 为日盲光电倍增管检测器。

具体实施方式

下面结合实施例说明本发明，这里所述实施例的方案，不限制本发明，本领域的专业人员按照本发明的精神可以对其进行改进和变化，所述的这些改进和变化都应视为在本发明的范围内，本发明的范围和实质由权利要求来限定。 

实施例1. 

如图1所示进样，使用蠕动泵分别抽取待测定的样品溶液和2%的稀盐酸溶液（事先由普通蒸馏水稀释时不用去除蒸馏水中的溶解的溶解二氧化碳和氮等溶解气体），两个溶液流速均为2毫升/分钟，两个溶液通过一在线脱气机（型号DG230）后，在内径1. 2 mm 的T 型玻璃三通中混合反应，使溶液中无机碳生成二氧化碳，含有经酸化产生的二氧化碳的溶液流经第二个在线脱气机(该在线脱气机为自制，采用Teflon AF-2400作为脱气通道材料，其长0.2m;0.81mm o.d.,0.61mm i.d.，在脱气机下部的侧面通入载气（高纯氩，流量300毫升/分钟）使反应产生的二氧化碳气体在膜上被分离出来并被载气载入到一个使用频率40.68MHz的电感耦合等离子体（使元素电离发光的等离子体装置）激发碳光谱发射，采用垂直观测方式，使二氧化碳中碳的谱线，进入到一日盲光电倍增管检测器中检测，经过与含碳的标准溶液比较，测得待测样品溶液中无机碳总量是24.2毫克/升。此结果与无色散红外分光法有很好的吻合。

实施例2. 

如图1所示进样，进样装置与操作步骤和程序与实施例1相同，所不同的是等离子体光源使用介质阻挡放电等离子体光源（电极电压为3.5kV、两极间距4mm,石英放电介质厚度0.15mm）。采用水平观测方式，使二氧化碳中碳的谱线，进入到一日盲光电倍增管检测器中检测，经过与含碳的标准溶液比较，测得待测样品溶液中无机碳总量是20.5毫克/升。此结果与无色散红外分光法有很好的吻合。

  

实施例3

如图1所示进样，进样装置与操作步骤和程序与实施例1相同，所不同的是等离子体光源使用MIP等离子体光源（功率100W）。采用垂直观测方式，使二氧化碳中碳的谱线，进入到一日盲光电倍增管检测器中检测，经过与含碳的标准溶液比较，测得待测样品溶液中无机碳总量是30.8毫克/升。此结果与无色散红外分光法有很好的吻合。

实施例4 

（对比实验）

    将实施例1中的在线脱气机停止工作，其它所有测定条件都相同，进行测定，获得的结果分别为：碳酸氢根总量52.3毫克/升。可见不使用在线脱气机时，测定结果有很大的正误差。该误差来源是用于稀释样品和稀酸的蒸馏水高含量的溶解二氧化碳干扰所致。

实施例5. 

（对比实验）

将实施例1中用来稀释待测样品和无机酸的蒸馏水通过煮沸的方法来去除水中的溶解二氧化碳，然后按照实施例1中操作程序进行测定（此时在线脱气机停止工作），尽管测定的结果与实施例1相同，但所耗用的时间确是实施例1中的5倍，需要的电能是实施例1中的3倍。

实施例6. 

采用该检测装置检测食品中碳酸盐方面的应用

如图1所示进样，进样装置与操作步骤和程序与实施例1相同，采用水平观测方式，将一可乐饮料稀释10倍后进行进样测定，经过与含碳的标准溶液比较，测得该可乐中测碳酸氢根总量是2.5毫克/升。此结果与无色散红外分光法有很好的吻合。

Claims (3)

1.一种水溶液中碳酸盐快速检测装置，包括：溶液脱气净化装置（5），气液分离装置（7），等离子体装置（11）和检测装置（13），其中溶液脱气净化装置与一个三通混合管（6）连接，三通管管（6）与气液分离装置（7）连接，气液分离装置（7）与光源装置（11、12）连接，而检测器（13）用来检测光源（12）发射出的光谱，其特征在于整个检测系统包含两个在线脱气机：其中第一个在线脱气机（5）位于三通管（6）和样品容器（1、2）之间，用于在线脱除两股进样溶液中的溶解气体；第二个在线脱气机(7)位于三通管（6）和光源装置（12）之间，用于从混合后溶液单管中提取产生的待测二氧化碳；同时使用日盲光电倍增管作检测器。

2.根据权利要求1所述的水溶液中碳酸盐快速检测装置，其特征在于第一个在线脱气机中（5）包含两个进样脱气管（a、b），一根用于碳酸盐水溶液进样的脱气，另一个用于无机酸水溶液的进样脱气，经第一在线脱气机脱气后的两个出口管汇合处位于两个脱气机（5）和（7）之间；第二个在线脱气机（7）中只包含一个进样脱气管（c），该进样管用来导入第一个脱气机的两根出口管汇合后的、含有发生的二氧化碳的混合溶液。

3.权利要求1所述的水溶液中碳酸盐快速检测装置在食品、环境、水质、化工、农业及地质和矿产检测方面的应用。