CN105223168A - 在线金属分析系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在线金属分析系统，本发明所述的在线金属分析系统，用于金属元素的在线检测，包括顺次连通的样品杯、光谱仪和供气装置；所述光谱仪与一工控机电连接，在所述样品杯与光谱仪之间的中间通路上设置有用于消除影响待测金属元素含量检测的干扰物的一消解装置；在所述样品杯与所述消解装置之间的中间通路上还并连有用于富集待测金属元素的一富集装置；所述消解装置和富集装置分别与所述工控机电连接。采用本发明，可以在线对所有金属元素进行检测，具有检出限低的特点。

Description

在线金属分析系统

领域

本发明属于金属元素检测领域，具体涉及一种在线金属分析系统。

背景

根据测量原理的不同，现有的在线重金属分析仪最主要包括两种：一种是比色法(或分光光度法)，其是利用物质对紫外-可见光区某一特定波长的光具有的吸收，而吸光度值(吸收的光)与物质的浓度呈一定的关系，从而对物质进行定量分析，但是存在检出限较高的问题。另一种是阳极溶出法，是根据物质的氧化还原性质来进行定量和定性分析，这类仪器的检出限可以做到很低，主要用于地表水的在线监测，但是仪器重复性较差，同时应用范围受到限制，只能分析重金属元素。

此外，还有少量的在线重金属分析仪采用冷原子荧光法和X射线荧光法，但冷原子荧光法的仪器只能用来分析特定的元素，如汞，而X射线荧光法检出限高，无法满足地表水水质监测的要求，这两类仪器的在线应用都非常有限，数量极少。

而实验室的重金属分析仪器所使用的方法，除了前述的比色法和阳极溶出法之外，主要还有原子吸收光谱法(AAS)，微波等离子体发射光谱法(MP-AES)，电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-AES)等光谱方法和质谱(MS)方法。这类仪器普遍具有稳定性好，而且可以同时分析多个金属元素的优点，但由于光谱法仪器和质谱法仪器对操作者和样品的要求都比较高，一般采用人工操作，因此不易实现在线化。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是：提供一种在线金属分析系统，既可以在线对所有金属元素进行检测，还具有检出限低的特点。

为实现上述目的，本发明按以下方案予以实现：

本发明所述的在线金属分析系统，用于金属元素的在线检测，包括顺次连通的样品杯、光谱仪和供气装置；所述光谱仪与一工控机电连接，在所述样品杯与光谱仪之间的中间通路上设置有用于消除影响待测金属元素含量检测的干扰物的一消解装置；在所述样品杯与所述消解装置之间的中间通路上还并连有用于富集待测金属元素的一富集装置；所述消解装置和富集装置分别与所述工控机电连接。

进一步地，所述供气装置与所述光谱仪电连接。

进一步地，所述供气装置与所述工控机电连接。

进一步地，所述富集装置内设置有用于吸附金属元素的交换柱和用于提供洗脱吸附金属元素的洗脱液洗脱机构；所述交换柱中采用的填充材料为离子交换树脂、螯合树脂或合成改性树脂。

进一步地，所述样品杯前端还连通有用于对待测样品粗过滤的一预处理装置。

进一步地，所述预处理装置与所述工控机电连接。

进一步地，所述供气装置包括氮气发生器和氩气钢瓶。

进一步地，所述光谱仪为微波等离子体发射光谱仪。

进一步地，所述微波等离子体发射光谱仪内设有微波磁控管，用以激发形成并维持氮等离子体。

进一步地，所述消解装置用于消除干扰物的消解方式为高温酸解或紫外酸解。

与现有相比，本发明的有益效果是：

本发明所述的在线金属分析系统，通过增设消解装置和富集装置，并且匹配工控机控制，其中，工控机可以控制所有装置或仪器按照预设程序执行检测，从而实现了在线化；所述消解装置可以去除待测溶液中的干扰物，所述富集装置为了满足部分高检测要求的金属元素，对待测液体经过吸附、洗脱，以提高待测金属元素的含量至检出限以上，最后通过光谱仪进行分析，既保证了分析过程中免受其他干扰物的影响，也满足了检出限低的要求。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，其中：

图1是本发明实施例1的所述的在线金属分析系统中管路连接示意框图；

图2是本发明实施例1的所述的在线金属分析系统中电路连接示意框图；

图3是本发明的所述的在线金属分析系统进行168小时连续监测后的检测统计图；

图4是本发明实施例2的所述的在线金属分析系统中电路连接示意框图。

图中：

1：预处理装置2：样品杯3：富集装置4：消解装置5：光谱仪6、工控机7：供气装置71：氮气发生器72：氩气钢瓶

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

本发明所述的在线金属分析系统，既实现了在线检测，还能够一次即可检测所有金属元素，不仅仅是重金属元素，还包括碱金属元素、碱土金属元素、类金属元素等，并且还能满足检出限低的需求。其中，所述在线金属分析系统包括有样品杯2、消解装置4、光谱仪5、供气装置7和工控机6，其中，所述样品杯2、消解装置4、光谱仪5和供气装置7顺次连通。

所述样品杯2用于装取待检测的样品(比如地表水等)，其体积足够大，保证系统检测所需的样品量；所述供气装置7用于提供光谱仪5所需的氮气和氩气。

所述光谱仪5专门用于检测待测金属元素的含量；所述消解装置4用于消除影响待测金属元素含量检测的干扰物，比如胶体等有机干扰物，通过加入不同类型的酸，并且调节不同酸度，对各类不同性质水样进行消解，可以采取高温酸解的方式，也可以采用紫外酸解的方式，目的在于去除有机干扰物。

由以上结构可知，所述样品杯2与所述消解装置5之间的中间通路上还并连有一富集装置3；所述富集装置3用于提高待检测金属元素含量值检出限以上，从而实现了较低检出限的要求。所述检出限指的是某一分析方法在给定的可靠程度内可以从样品中检测待测物质的最小浓度或最小量。因此对于样品中含量较低的某些金属元素，就其要求仪器的检出限比较低，为了保证能达到该要求，富集装置3的目的就是先通过吸附待测金属元素，然后洗脱，待检测样品与该洗脱液的体积比在10-100倍之间。

所述富集装置3内设有用于吸附金属元素的交换柱和提供洗脱液的洗脱机构(图中未示出)，其中交换柱用于吸附待测金属元素，其内填充的材料可以为离子交换树脂，也可以是螯合树脂或者合成改性树脂，以上树脂用于对样品中一些低含量的特定重金属元素具有富集作用。所述洗脱机构用于提供洗脱液。在消解装置4空闲后，抽取至消解装置进行消解。消解后的富集样品再送入到光谱仪5进行分析。

在实际使用过程中，根据样品检测类型、样品性质以及检测要求被分成两部分，一部分送入富集装置3中对样品进行富集处理后，再送入消解装置4中消解；另一部分则直接送入消解装置4中对样品进行消解处理。

以上所述供气装置7、光谱仪5、消解装置4和富集装置3分别都与工控机6连接，从而保证了以上装置或设备能在工控机6的控制中自动运行，实现了无人值守的在线模式。

为了便于整个系统的样品分析，所述样品杯2的前端还连通有预处理装置1，所述预处理装置1也与所述工控机6连接，其用于对样品进行粗过滤，去掉样品中的一些大颗粒物和杂物，以免堵塞系统的管道。经过预处理装置1处理后的样品被输送到样品杯2中进行后续处理。

所述供气装置7是包括有氮气发生器71和氩气钢瓶72，其中氮气发生器71用于提供氮气，其是利用空气制取氮气；氩气钢瓶72则是用于提供氩气。氮气与氩气都输送至光谱仪5。

本发明中所述光谱仪5采用的是微波等离子体发射光谱仪，其内设有微波磁控管(图中未示出)。氮气发生器71输送过来的氮气，经过微波磁控管生成的磁场和电场，激发形成并维持氮等离子体，并且使微波等离子体的温度保持在5000K以上，样品气溶胶被导入氮等离子体内，根据处于激发态的待测元素原子回到基态时，发射的特征谱线及强度对待测元素进行定性和定量分析，进而完成监测。

所述光谱仪5采用的微波等离子体源是由微波磁控管激发产生的，避免了使用乙炔等易燃气体带来的安全隐患。同时使用的氮气是通过氮气发生器71从环境空气获得的，极大的降低了整个系统的日常运行成本。

实验室微波等离子体发射光谱仪的重金属检出限及本系统的检出限列于下表一，由此可看出本系统的检出限完全可满足地表水中重金属的检测要求(参考《GB3838-2002地表水环境质量标准》)。

表一

同时，为了更好的阐明本发明所述的在线技术分析系统的功能和原理，首先对标准样品进行分析。其中，水质标准样品(GSBZ50009-88)中含有铜：0.642mg/l；铅：0.882mg/l；锌：2.19mg/l；镉：0.0747mg/l；镍：0.395mg/l；铬：0.383mg/l，使用本系统分析时，由于待测物浓度水平均高于本系统的检出限，样品只需经预处理装置和消解装置，而无需使用富集装置即可进入光谱仪6进行分析。经本系统分析得到的结果如表二所示：

表二

从以上表二分析环境标准样品的数据看，本系统的分析值在标称范围内。

同时，对实际样品(采用的实际水样取自广州珠江某断面)进行了分析：

由于河流断面的水样中大部分的重金属元素含量都比较低，本系统对部分元素采用直接分析，部分元素经富集后再分析。水样经预处理装置采集到样品杯中，蠕动泵将少部分样品直接送入消解装置，与消解试剂混合后，即按照设定的参数进行高温高压消解，完成后样品被抽取到光谱仪6，此时仪器对铜、铬、锌、铁、锰、镍等元素进行分析。与此同时，样品杯中的大部分样品(一般是1000mL)被抽取到富集装置，流经富集柱时，其中的填料将吸附特定的重金属元素，待1000mL样品全部经过富集柱后，抽取20mL洗脱液(可根据富集倍数进行调整)将吸附在富集柱上的重金属元素洗脱下来并收集，消解装置再抽取洗脱液和消解试剂混合后进行消解，消解完毕，样品被抽取到光谱仪6，此时仪器对铅、镉等低浓度的元素进行分析。这样即可利用一台仪器一次分析完铜、铬、锌、铅、镉、铁、锰、镍等重金属。测得本水样中的元素浓度如下表三：

需要注意的是：*为富集处理后的分析数据，是将富集样品分析数据根据富集倍数(50倍)换算回原始样品浓度的数据。

与实验室分析方法(ICP-AES)所测的结果对比看，本发明所述的在线金属分析系统，所测的数据与其吻合、数据准确、可靠，可以满足地表水水质重金属的分析的要求。

表三

另外，在实时监测运行数据时，通过本发明所述的在线金属分析系统对不同类型的重金属标准溶液进行168小时连续监测，其测试结果如图2所示的三个分开的统计图。

从图2可以得出：从测试稳定性来看此系统对大部分重金属的连续监测具有很好的稳定性，可满足水质中各类重金属的连续监测。

实施例2：

如图4本实施例与实施例2不同点仅在于：所述供气装置与光谱仪5电连接，受控于光谱仪5。

在实际使用过程中的工作原理以及实现的功效是一样的。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，故凡是未脱离本发明方案内容，依据本发明的实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明方案的范围内。

Claims (10)

1.在线金属分析系统，用于金属元素的在线检测，包括顺次连通的样品杯、光谱仪和供气装置；所述光谱仪与一工控机电连接，其特征在于：

在所述样品杯与光谱仪之间的中间通路上设置有用于消除影响待测金属元素含量检测的干扰物的一消解装置；

在所述样品杯与所述消解装置之间的中间通路上还并连有用于富集待测金属元素的一富集装置；

所述消解装置和富集装置分别与所述工控机电连接。

2.根据权利要求1所述的在线金属分析系统，其特征在于：

所述供气装置与所述光谱仪电连接。

3.根据权利要求1所述的在线金属分析系统，其特征在于：

所述供气装置与所述工控机电连接。

4.根据权利要求1所述的在线金属分析系统，其特征在于：

所述富集装置内设置有用于吸附金属元素的交换柱和用于提供洗脱吸附金属元素的洗脱液洗脱机构；

所述交换柱中采用的填充材料为离子交换树脂、螯合树脂或合成改性树脂。

5.根据权利要求1所述的在线金属分析系统，其特征在于:

所述样品杯前端还连通有用于对待测样品粗过滤的一预处理装置。

6.根据权利要求5所述的在线金属分析系统，其特征在于：

所述预处理装置与所述工控机电连接。

7.根据权利要求1或2或3所述的在线金属分析系统，其特征在于：

所述供气装置包括氮气发生器和氩气钢瓶。

8.根据权利要求1所述的在线金属分析系统，其特征在于：

所述光谱仪为微波等离子体发射光谱仪。

9.根据权利要求8所述的在线金属分析系统，其特征在于：

所述微波等离子体发射光谱仪内设置有用于激发形成并维持氮等离子体的微波磁控管。

10.根据权利要求1所述的在线金属分析系统，其特征在于：

所述消解装置用于消除干扰物的消解方式为高温酸解或紫外酸解。