CN104807768B

CN104807768B - 水体硝基苯含量测量装置及测量方法

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Publication number: CN104807768B
Application number: CN201510249888.7A
Authority: CN
Inventors: 陈敦军; 宫能安; 张开骁; 胡立群
Original assignee: Nanjing University
Current assignee: Nanjing University
Priority date: 2015-05-18
Filing date: 2015-05-18
Publication date: 2017-07-04
Anticipated expiration: 2035-05-18
Also published as: CN104807768A

Abstract

本发明公开了一种水体硝基苯含量测量装置，流通池固定在遮光箱中，两面透光，光源固定在遮光箱内表面，探测器固定在光源正下方的遮光箱内表面，超声振子放置于流通池内，蠕动泵固定在遮光箱内，将流通池内的水排出至遮光箱外，电磁阀固定在遮光箱内，连接流通池和遮光箱外界空气，水箱设置于遮光箱外，三通电磁阀连接水箱、流通池和待测水样；所述单片机用于控制所有装置。并公开了使用该装置来测量水体硝基苯含量的测量方法。本发明可以准确测量大范围、高浓度的水体硝基苯含量，测量浓度范围扩展到0‑300000ppm，且可以循环自动在线测量，超声振子可以消除难溶于水的硝基苯的挂壁效应。

Description

水体硝基苯含量测量装置及测量方法

技术领域

本申请涉及一种水体硝基苯含量测量装置及测量方法，属于水质环境监测领域。

背景技术

环境中的硝基苯主要来自化工厂、染料厂的废水废气，尤其是苯胺染料厂排出的污水中含有大量硝基苯。硝基苯在水中具有极高的稳定性。由于其密度大于水，进入水体的硝基苯会沉入水底，长时间保持不变。又由于其在水中有一定的溶解度，所以造成的水体污染会持续相当长的时间。在硝基苯环境污染预警与治理，准确测量硝基苯在水体中的浓度有助于了解水体被污染的程度，可以最快速的制定适当的急救与治理措施。

吸光度（absorbance）是指光线通过溶液或某一物质前的入射光强度与该光线通过溶液或物质后的透射光强度比值的以10为底的对数（即a=lg(I₀/I₁)），其中a为吸光度，I₀为入射光强，I₁为透射光强，影响它的因素有溶剂、浓度、温度等等。

通过测量硝基苯溶液的紫外吸光度可以快速测量硝基苯溶液浓度，但是，硝基苯紫外吸收系数比较大，吸光度线性相关浓度范围比较低，只有在0-30ppm范围内才能测量准确，此外，由于硝基苯难溶于水，浓度稍大的硝基苯溶液在测量时很难准确测量，通过紫外吸收法准确测量大范围硝基苯溶液浓度比较困难。

硝基苯溶液标准曲线的绘制方法：配置浓度分别为0.1ppm、0.5 ppm、2.5 ppm、5ppm、10 ppm、15 ppm、20 ppm、25 ppm、30 ppm、35 ppm、40 ppm的硝基苯水溶液，得到不同标准浓度硝基苯对应的吸光度曲线A，如图1所示。在图1中，测量波长在峰值附近（240-300nm之间）的吸光度A值与浓度n存在对应关系，在240-300nm处每隔3nm取一个点，得到21个对应波长处的吸光度值之和a与浓度之间的关系如图2所示，说明硝基苯浓度n在0-30ppm区间时，吸光度值A与n存在线性相关性。选取图1中硝基苯浓度为10ppm的光谱作为标准光谱，标准光谱在不同波长λ处的吸光度用A（λ）表示。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以准确测量高浓度硝基苯溶液的装置。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种水体硝基苯含量测量装置，包括遮光箱、流通池、光源、探测器、水箱、单片机、蠕动泵、三通电磁阀、电磁阀、超声振子、第一水管、第二水管、第三水管、第四水管、第五水管；

所述流通池固定在遮光箱中，所述遮光箱与流通池均为密封式箱体，流通池至少有沿光路方向的两面透光，所述光源固定在流通池透光一侧上部中央位置对应的遮光箱内表面，所述探测器固定在光源垂直正下方的遮光箱内表面，所述超声振子放置于流通池内；

所述蠕动泵固定在遮光箱内，通过第一水管将流通池内的溶液排出至遮光箱外，所述电磁阀固定在遮光箱内，通过第二水管连接流通池和遮光箱外界空气，所述水箱设置于遮光箱外，所述三通电磁阀通过第三水管连接水箱，通过第四水管连接流通池，通过第五水管连接待测水样；

所述单片机用于控制光源、探测器、蠕动泵、三通电磁阀、电磁阀和超声振子。

优选的，所述遮光箱采用金属材料制成。

优选的，所述流通池采用石英玻璃制成。

优选的，所述光源为脉冲氙灯、氘灯或240-300nm之间的紫外LED。

优选的，所述探测器为光谱仪。

优选的，所述水箱内装有蒸馏水。

本发明还提供了一种水体硝基苯含量的测量方法，使用上述的装置完成，其步骤包括：

a、设定硝基苯浓度为10ppm的紫外吸收光谱作为标准光谱，选定240-300nm之间某点波长λ₀作为测量波长，测量得到流通池的体积容量V；

b、打开单片机开关，单片机依次启动光源、探测器，得到没有水样时的原始光强I₀；

c、单片机启动蠕动泵，控制三通电磁阀，将待测水样抽入填满流通池后，单片机再次启动光源、探测器，得到有水样时的透射光强I₁；

d、由光强I₀、I₁得到吸光度a₁，代入关系式n₁= 10 a₁/A（λ₀）ppm，得到流通池内溶液的浓度n₁，单片机判断吸光度n₁的大小，当n₁介于0-30ppm之间时，直接输出测量结果n= n₁；

e、n₁大于30ppm时，单片机打开电磁阀、关闭三通电磁阀，然后启动蠕动泵将流通池内的溶液排出0.9V，关闭电磁阀，启动蠕动泵，控制三通电磁阀抽入水箱内的蒸馏水0.9V，启动超声振子使得流通池内溶液混合均匀，单片机再次启动光源、探测器，得到透射光强I₂，由光强I₀、I₂得到吸光度a₂，代入关系式n₂= 10 a₂/A（λ₀）ppm得到流通池内溶液的浓度n₂；

f、判断n₂的大小，当n₂介于0-30ppm之间时，直接输出测量结果n= 10n₂，当n₂大于30ppm时，重复步骤e，以此类推，得到浓度n=100n₃、1000n₄或10000n₅。

本发明可以准确测量大范围、高浓度的水体硝基苯含量，测量浓度范围扩展到0-300000ppm，且可以循环自动在线测量，超声振子可以消除难溶于水的硝基苯的挂壁效应，对于污染严重，硝基苯实际浓度高于溶解度浓度的水体中的硝基苯含量也可以准确测量。

附图说明

图1为硝基苯溶液标准浓度的吸光度曲线。

图2为硝基苯溶液浓度与吸光度之间的对应关系图。

图3为本发明的水体硝基苯含量测量装置的结构示意图。

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

具体实施方式

实施例1

本水体硝基苯含量测量装置，包括遮光箱1、流通池2、光源3、探测器4、水箱5、单片机6、蠕动泵7、三通电磁阀8、电磁阀9、超声振子10、第一水管11、第二水管12、第三水管13、第四水管14、第五水管15；

所述流通池2固定在遮光箱1中，所述遮光箱1与流通池2均为密封式箱体，流通池2至少有沿光路方向的两面透光，所述光源3固定在流通池2透光一侧上部中央位置对应的遮光箱1内表面，所述探测器4固定在光源3垂直正下方的遮光箱1内表面，所述超声振子10放置于流通池2内；

所述蠕动泵7固定在遮光箱1内，蠕动泵7为BL100C智能流量型蠕动泵，通过第一水管11将流通池2内的溶液排出至遮光箱1外，所述电磁阀9固定在遮光箱1内，通过第二水管12连接流通池2和遮光箱1外界空气，所述水箱5设置于遮光箱1外，所述三通电磁阀8通过第三水管13连接水箱5，通过第四水管14连接流通池2，通过第五水管15连接待测水样；

所述单片机6用于控制光源3、探测器4、蠕动泵7、三通电磁阀8、电磁阀9和超声振子10，单片机6型号为STC12C5610AD，探测器4为USB4000光纤光谱仪，光源3为脉冲氙灯，遮光箱1用表面氧化处理的铝金属材料制成，具有遮光功能，流通池2为用石英玻璃熔铸制成的长方体。三通电磁阀8采用Klqd VX33-15-06E DC12V直动式三通电磁阀，电磁阀9采用2W1206BEDC12V直动式二通电磁阀，超声振子10采用40KHz的微型超声发生器。

实施例2

本水体硝基苯含量测量方法，采用实施例1的测量装置完成，配置20ppm的硝基苯溶液作为待测水样，其步骤包括：

a、设定硝基苯浓度为10ppm的紫外吸收光谱A作为标准光谱，选定240nm作为测量波长λ₀，测量得到流通池的体积容量V=158ml；

b、打开单片机开关，单片机依次启动光源、探测器，得到没有水样时的原始光强I₀=2893；

c、单片机启动蠕动泵，控制三通电磁阀，将待测水样抽入填满流通池后，单片机再次启动光源、探测器，得到有水样时的透射光强I₁=291；

d、由光强I₀、I₁得到吸光度a₁=0.998，代入关系式n₁= 10 a₁/A（λ₀）ppm，得到流通池内溶液的浓度n₁=10*0.998/0.502=19.87 ppm，单片机判断吸光度n₁的大小，因为n₁介于0-30ppm之间，直接输出测量结果n=19.87 ppm，相对误差0.65%。

实施例3

本水体硝基苯含量测量方法，采用实施例1的测量装置完成，其中光源改成氘灯，配置35ppm的硝基苯溶液作为待测水样，其步骤包括：

a、设定硝基苯浓度为10ppm的紫外吸收光谱A作为标准光谱，选定250nm作为测量波长λ₀，测量得到流通池的体积容量V=158ml；

b、打开单片机开关，单片机依次启动光源、探测器，得到没有水样时的原始光强I₀=4489；

c、单片机启动蠕动泵，控制三通电磁阀，将待测水样抽入填满流通池后，单片机再次启动光源、探测器，得到有水样时的透射光强I₁=46；

d、由光强I₀、I₁得到吸光度a₁=1.79，代入关系式n₁= 10 a₁/A（λ₀）ppm，得到流通池内溶液的浓度n₁=10*1.99/0.651=31ppm，单片机判断吸光度n₁的大小，因为n₁大于0-30ppm，进入下一步。

e、单片机打开电磁阀、关闭三通电磁阀，然后启动蠕动泵将流通池内的溶液排出0.9V，关闭电磁阀，启动蠕动泵，控制三通电磁阀抽入水箱内的蒸馏水0.9V，启动超声振子使得流通池内溶液混合均匀，单片机再次启动光源、探测器，得到透射光强I₂=2656，由光强I₀、I₂得到吸光度a₂=0.227，代入关系式n₂= 10 a₂/A（λ₀）ppm得到流通池内溶液的浓度n₂=3.48ppm；

f、判断n₂的大小，因为n₂介于0-30ppm之间，直接输出测量结果n= 10n₂=34.8ppm，相对误差0.6%。

实施例4

本水体硝基苯含量测量方法，采用实施例1的测量装置完成，其中光源改成280nm的紫外LED，配置320ppm的硝基苯溶液作为待测水样，其步骤包括：

a、设定硝基苯浓度为10ppm的紫外吸收光谱A作为标准光谱，选定280nmλ₀作为测量波长，测量得到流通池的体积容量V=158ml；

b、打开单片机开关，单片机依次启动光源、探测器，得到没有水样时的原始光强I₀=15658；

c、单片机启动蠕动泵，控制三通电磁阀，将待测水样抽入填满流通池后，单片机再次启动光源、探测器，得到有水样时的透射光强I₁=35；

d、由光强I₀、I₁得到吸光度a₁=2.65，代入关系式n₁= 10 a₁/A（λ₀）ppm，得到流通池内溶液的浓度n₁=10*2.65/0.795=33.3ppm，单片机判断吸光度n₁的大小，因为n₁大于30ppm，进入下一步。

e、单片机打开电磁阀、关闭三通电磁阀，然后启动蠕动泵将流通池内的溶液排出0.9V，关闭电磁阀，启动蠕动泵，控制三通电磁阀抽入水箱内的蒸馏水0.9V，启动超声振子使得流通池内溶液混合均匀，单片机再次启动光源、探测器，得到透射光强I₂=43，由光强I₀、I₂得到吸光度a₂=2.56，代入关系式n₂= 10 a₂/A（λ₀）ppm得到流通池内溶液的浓度n₂=32.2ppm；

f、判断n₂的大小，因为n₂大于30ppm，再次重复步骤e，得到得到透射光强I₃=16.7，由光强I₀、I₃得到吸光度a₃=2.972，代入关系式n₃= 10 a₃/A（λ₀）ppm得到流通池内溶液的浓度n₃=3.13ppm，因为n₃介于0-30ppm之间，直接输出测量结果n= 100n₃= 313ppm，相对误差2.2%。

实施例5

本水体硝基苯含量测量方法，采用实施例1的测量装置完成，其中光源改成波长在300nm的紫外LED，配置20000ppm的硝基苯溶液作为待测水样，其步骤包括：

a、设定硝基苯浓度为10ppm的紫外吸收光谱A作为标准光谱，选定300nm作为测量波长λ₀，测量得到流通池的体积容量V=158ml；

b、打开单片机开关，单片机依次启动光源、探测器，得到没有水样时的原始光强I₀=38956；

c、单片机启动蠕动泵，控制三通电磁阀，将待测水样抽入填满流通池后，单片机再次启动光源、探测器，得到有水样时的透射光强I₁=74；

d、由光强I₀、I₁得到吸光度a₁=2.72，代入关系式n₁= 10 a₁/A（λ₀）ppm，得到流通池内溶液的浓度n₁=10*2.72/0.348=78.2ppm，单片机判断吸光度n₁的大小，因为n₁大于30ppm，进入下一步。

e、单片机打开电磁阀、关闭三通电磁阀，然后启动蠕动泵将流通池内的溶液排出0.9V，关闭电磁阀，启动蠕动泵，控制三通电磁阀抽入水箱内的蒸馏水0.9V，启动超声振子使得流通池内溶液混合均匀，单片机再次启动光源、探测器，得到透射光强I₂=854，由光强I₀、I₂得到吸光度a₂=1.66，代入关系式n₂= 10 a₂/A（λ₀）ppm得到流通池内溶液的浓度n₂=47.7ppm；

f、判断n₂的大小，因为n₂大于30ppm，再次重复步骤e，得到得到透射光强I₃=2567，由光强I₀、I₃得到吸光度a₃=1.18，代入关系式n₃= 10 a₃/A（λ₀）ppm得到流通池内溶液的浓度n₃=34ppm；因为n₃大于30ppm，再次重复步骤e，得到得到透射光强I₄=8165，由光强I₀、I₄得到吸光度a₄=0.678，代入关系式n₄= 10 a₄/A（λ₀）ppm得到流通池内溶液的浓度n₄=19.5ppm，因为n₄介于0-30ppm之间，直接输出测量结果n= 1000n₄=19500ppm，误差2.5%。

实施例6

本水体硝基苯含量测量方法，采用实施例1的测量装置完成，其中光源改成氘灯，配置200000ppm的硝基苯溶液作为待测水样，其步骤包括：

b、打开单片机开关，单片机依次启动光源、探测器，得到没有水样时的原始光强I₀=54698；

c、单片机启动蠕动泵，控制三通电磁阀，将待测水样抽入填满流通池后，单片机再次启动光源、探测器，得到有水样时的透射光强I₁=828；

d、由光强I₀、I₁得到吸光度a₁=1.82，代入关系式n₁= 10 a₁/A（λ₀）ppm，得到流通池内溶液的浓度n₁=52.3ppm，单片机判断吸光度n₁的大小，因为n₁大于30ppm，进入下一步。

e、单片机打开电磁阀、关闭三通电磁阀，然后启动蠕动泵将流通池内的溶液排出0.9V，关闭电磁阀，启动蠕动泵，控制三通电磁阀抽入水箱内的蒸馏水0.9V，启动超声振子使得流通池内溶液混合均匀，单片机再次启动光源、探测器，得到透射光强I₂=1122，由光强I₀、I₂得到吸光度a₂=1.688，代入关系式n₂= 10 a₂/A（λ₀）ppm得到流通池内溶液的浓度n₂=48.5ppm；

f、判断n₂的大小，因为n₂大于30ppm，再次重复步骤e，得到得到透射光强I₃=2688，由光强I₀、I₃得到吸光度a₃=1.31，代入关系式n₃= 10 a₃/A（λ₀）ppm得到流通池内溶液的浓度n₃=37.6ppm；因为n₃大于30ppm，再次重复步骤e，得到得到透射光强I₄=4078，由光强I₀、I₄得到吸光度a₄=1.128，代入关系式n₄= 10 a₄/A（λ₀）ppm得到流通池内溶液的浓度n₄=32.4ppm；因为n₄大于30ppm，再次重复步骤e，得到得到透射光强I₅=9925，由光强I₀、I₅得到吸光度a₅=0.741，代入关系式n₅= 10 a₅/A（λ₀）ppm得到流通池内溶液的浓度n₅=21.3ppm，因为n₅介于0-30ppm之间，直接输出测量结果n= 10000n₅=213000ppm，误差6.5%。

Claims

1.一种水体硝基苯含量测量装置，包括遮光箱、流通池、光源、探测器、水箱、单片机、蠕动泵、三通电磁阀、电磁阀、超声振子、第一水管、第二水管、第三水管、第四水管、第五水管；

所述单片机用于控制光源、探测器、蠕动泵、三通电磁阀、电磁阀和超声振子；

所述水箱内装有蒸馏水。

2.根据权利要求1所述的水体硝基苯含量测量装置，其特征在于：所述遮光箱采用金属材料制成。

3.根据权利要求1或2所述的水体硝基苯含量测量装置，其特征在于：所述流通池采用石英玻璃制成。

4.根据权利要求1或2所述的水体硝基苯含量测量装置，其特征在于：所述光源为脉冲氙灯、氘灯或240-300nm之间的紫外LED。

5.根据权利要求1或2所述的水体硝基苯含量测量装置，其特征在于：所述探测器为光谱仪。

6.一种水体硝基苯含量的测量方法，使用权利要求1-5所述的装置完成，其步骤包括：

a、设定硝基苯浓度为10ppm的紫外吸收光谱A作为标准光谱，选定240-300nm之间某点波长λ₀作为测量波长，测量得到流通池的体积容量V；

d、由光强I₀、I₁得到吸光度a₁，代入关系式n₁＝10a₁/A(λ₀)ppm，得到流通池内溶液的浓度n₁，单片机判断吸光度n₁的大小，当n₁介于0-30ppm之间时，直接输出测量结果n＝n₁；

e、n₁大于30ppm时，单片机打开电磁阀、关闭三通电磁阀，然后启动蠕动泵将流通池内的溶液排出0.9V，关闭电磁阀，启动蠕动泵，控制三通电磁阀抽入水箱内的蒸馏水0.9V，启动超声振子使得流通池内溶液混合均匀，单片机再次启动光源、探测器，得到透射光强I₂，由光强I₀、I₂得到吸光度a₂，代入关系式n₂＝10a₂/A(λ₀)ppm得到流通池内溶液的浓度n₂；

f、判断n₂的大小，当n₂介于0-30ppm之间时，直接输出测量结果n＝10n₂，当n₂大于30ppm时，重复步骤e，以此类推，得到浓度n＝100n₃、1000n₄或10000n₅。