CN107941731A - 一种水质中化学需氧量在线检测仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水质中化学需氧量在线检测仪，属于水质检测设备技术领域。本装置由反应池、电极组及光照模块组成；所述电极组包括一个半导体电极及一个对电极；两个电极放置在所述反应池中，并连成回路；所述反应池的一个侧面设有透光窗口，使所述光照模块发出的光线可投入并照射在所述半导体电极上；待测水样流入所述反应池中并浸没所述电极组，光照下发生氧化有机污染物的电极反应并产生电信号，检测该电信号以对应水样的COD值，实现水质COD的实时检出。
Description
技术领域
本发明涉及一种水质中化学需氧量在线检测仪，属于水质检测技术领域。
背景技术
水安全关乎生命健康，而水质监控是保障用水安全的核心问题。水体的化学需氧量(COD)是用于评价水体受污染程度的一项重要指标，是水质综合评价中的核心参数之一，及时准确地监测水体的COD值具有重要意义。
现有技术中，水质COD指标仍主要依赖化学滴定法进行测定，包括用于饮用水水质检定的高锰酸盐指数法和重铬酸钾氧化法这两种国标方法。此种方法操作繁琐、分析时间长、批量测定难，并且存在严重的二次污染，难以满足多种水体质量的检测需求。
采用基于半导体电极搭建的光电化学池对水质COD进行检测是可行方案，光照下，半导体电极产生高能羟基自由基(·OH)，其氧化能力极强，可参与水体中有机污染物的电极氧化反应。基于此，通过光电化学池的电信号监测可实现对COD值的实时在线检出。利用电信号检测的水质传感器具有快速响应、易于集成的优势。为克服COD实时在线检测的难题，利用该原理，考虑实际应用情况，设计方便适用的水体COD实时检测装置是推出可行产品成果的关键。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种光电化学传感的化学需氧量在线检测仪。所采用的技术方案是：
一种水质中化学需氧量在线检测仪，本装置包括反应池、电极组及光照模块；所述电极组包括一个半导体电极及一个对电极；两个电极放置在所述反应池中，并连成回路；所述反应池的一个侧面设有透光窗口，使所述光照模块发出的光线可投入并照射在所述半导体电极上。
待测水样流入所述反应池中并浸没所述电极组，光照下发生氧化有机污染物的电极反应并产生电信号，检测该电信号以对应水样的COD值。如电极的法拉第电流反映电极反应情况；电场作用下形成界面双电层的非法拉第电流反映电极表面附着特性；通过模拟电路的分析方法同时得到溶液电导、界面电容等多个测量数据；以及光照、给电控制等多条件的测试手段又得到更丰富的数据，各信号均与有机污染物浓度存在对应关系。
进一步的，所述反应池的一侧的上端设有进水口，并向内设有第一隔板，所述第一隔板的下端设有开孔；反应池相对的另一侧的下端设有出水口，并向内设有第二隔板，所述第二隔板的高度低于反应池外围。
所述第一隔板与所述第二隔板将所述反应池分隔为进水缓冲区、反应区、排水区；水样从进水口流入缓冲区，再从第一隔板的底部流入反应区待检测，保持水流稳定；多出的水样由第二隔板溢出到排水区并从排水口排出，以保持参与反应的水量不变。
进一步的，所述的半导体电极为表面负载TiO2纳米管阵列膜的Ti网电极。所述的半导体电极由金属钛网为基体，通过在含F电解液中阳极氧化，在表面生成TiO2纳米管阵列膜层，再经高温烧结转变为结晶态。TiO2纳米管阵列膜层稳定、无毒，对光吸收强，光电转换效率及电荷迁移率高，所产生的羟基自由基氧化能力极强，极易将有机污染物氧化。
进一步的，所述对电极为表面负载Pt的Ti网电极；所述对电极与所述半导体电极平行并竖直放置。因对电极发生H2的还原反应，Pt具有较低的析氢过电位，使还原反应可高效进行，避免电子无法有效迁移从而限制半导体电极氧化反应的进行。
进一步的，所述的光照模块包括紫外灯，所述紫外灯的发光波长小于380nm。
进一步的，所述的光照模块包括聚光杯，所述聚光杯将紫外灯光线汇聚后照入反应池中正面照射在所述半导体电极上。
进一步的，所述反应池的透光窗口为石英玻璃窗口。
与现有技术相比，本发明的水质中化学需氧量在线检测仪可适用于各种水质分析中COD的实时检出。通过搭建高效的光电化学池检测回路，只要有机污染物反生反应，其将产生对应的电荷转移，及产生法拉第电流。对微小电流的检出已无技术障碍，因此本装置可满足较高精度的COD检测需求。
另外，特殊的反应池设计保证了水流环境的稳定且可持续进行，避免对电信号造成剧烈扰动，影响检测精度；同时可实现水流的在线持续检测。
本发明的水质中化学需氧量在线检测仪稳定度高、灵敏度高、实现在线实时水质COD的高精度检定，具有极佳的推广应用价值。
附图说明
图1是本发明中一种水质中化学需氧量在线检测仪的正面结构示意图；
图2是本发明中一种水质中化学需氧量在线检测仪的侧面结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明中的基于光电化学传感的水质中化学需氧量在线检测仪做进一步说明：
如图1中所示的化学需氧量在线检测仪的正面结构示意图，该装置由反应池(1)、电极组以及光照模块组成；电极组包括对电极(2)和半导体电极(3)，其平行竖直放置在反应池(1)中并连成回路；反应池的一个侧面设有由石英玻璃片(4)构成的透光窗口；光照模块包括一个紫外灯(6)及一个聚光杯(5)，紫外灯(6)的发光波长小于380nm；聚光杯(5)将光线汇聚后透过石英玻璃片(4)正面照射在半导体电极(3)上。
对电极(2)为表面负载Pt的Ti网电极，通过将Ti网置于氯铂酸水溶液中阴极电解沉积Pt制备获得。
半导体电极(3)为表面负载TiO2纳米管阵列膜的Ti网电极，其以金属钛网为基体，通过在含F电解液中阳极氧化，在表面生成TiO2纳米管阵列膜层，再经高温烧结转变为结晶态，由此制备得到。
如图2中装置的侧面结构示意图所示，反应池(1)的右侧上端设有进水口(1d)，并向内设有第一隔板(1c)，第一隔板(1c)的下端设有开孔。反应池(1)的左侧下端设有出水口(1a)，并向内设有第二隔板(1b)，第二隔板的高度低于反应池(1)的外围。第一隔板(1b)与第二隔板(1c)将反应池(1)分隔为进水缓冲区、反应区、排水区。
通过水泵循环供水将待测水样从进水口流入缓冲区，再从第一隔板(1c)底部流入反应区待检测；多出的水样由第二隔板(1b)溢出到排水区并从排水口(1a)排出，以保持参与反应的水量不变。
光照下半导体电极(3)产生电子-空穴对，光生空穴迁移至电极表面产生高能羟基并氧化有机污染物，光生电子转移至对电极(2)参与H2的还原反应并产生电流，检测该电流值，其与水样的COD值存在对应关系。
电流经过I/V转换电路和一个低阶四通滤波器进行处理减少噪声干扰；所得的电信号输送到单片机STM32，经过A/D转换为数字信号，通过串口或者USB发送到上位机，实现数据显示和保存。
在实际测样前，先配制一组已知COD值的标准模拟溶液并使用该装置进行检测，获得COD值与电流值的对应关系以做出标准曲线。测样时，检测待测样品反应电流值，比对标准曲线即可获得水样COD检测结果。
以上描述只是本发明的具体实施方式，各举例说明不对本发明的实质内容构成限制。
Claims (8)
1.一种水质中化学需氧量在线检测仪，其特征在于，包括反应池、电极组及光照模块；
所述电极组包括一个半导体电极及一个对电极；两个电极放置在所述反应池中，并连成回路；
所述反应池，其一个侧面设有透光窗口，使所述光照模块发出的光线可投入并照射在所述半导体电极上；
待测水样流入所述反应池中并浸没所述电极组，光照下发生氧化有机污染物的电极反应并产生电信号，检测该电信号以对应水样的COD值。
2.如权利要求1所述的化学需氧量在线检测仪，其特征在于，所述反应池的一侧的上端设有进水口，并向内设有第一隔板，所述第一隔板的下端设有开孔；反应池相对的另一侧的下端设有出水口，并向内设有第二隔板，所述第二隔板的高度低于反应池外围；
所述第一隔板与第二隔板将所述反应池分隔为进水缓冲区、反应区、排水区；水样从进水口流入缓冲区，再从第一隔板的底部流入反应区待检测，保持水流稳定；多出的水样由第二隔板溢出到排水区并从排水口排出，保持参与反应的水量。
3.如权利要求1或2所述的化学需氧量在线检测仪，其特征在于，所述的半导体电极为表面负载TiO2纳米管阵列膜的Ti网电极。
4.如权利要求3所述的化学需氧量在线检测仪，其特征在于，所述的Ti网电极，其目数为80-100目。
5.如权利要求1-4中任一条所述的化学需氧量在线检测仪，其特征在于，所述对电极为表面负载Pt的Ti网电极；所述对电极与所述半导体电极平行并竖直放置。
6.如权利要求3或4所述的化学需氧量在线检测仪，其特征在于，所述的光照模块包括紫外灯，所述紫外灯的发光波长小于380nm。
7.如权利要求6所述的化学需氧量在线检测仪，其特征在于，所述的光照模块还包括聚光杯，所述聚光杯将所述紫外灯的光线汇聚后照入反应池中正面照射在所述半导体电极上。
8.如权利要求6或7所述的化学需氧量在线检测仪，其特征在于，所述反应池的透光窗口为石英玻璃窗口。
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