CN110542680B - 基于3d打印纸基的便携式废水cod检测装置及制作、测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于3D打印纸基的便携式废水COD检测装置及制作、测量方法，涉及废水COD检测技术领域。本发明利用碱性高锰酸钾溶液室温下氧化废水，使其颜色发生变化的特点，设计可自然降解的纸基检测装置，达到快速检测废水COD的目的。通过三维打印技术构建纸基检测基底，利用移动终端拍照以及计算机软件Image J处理获得废水RGB的色度值，建立基于废水色度(R‑G)值的废水COD表征数学模型，用于废水COD值的检测。本装置操作便捷，检测速度较快，以绿色环保的纸为基底，使用后可自然分解，具有广泛的工业废水检测应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及废水COD检测技术领域，具体涉及一种基于3D打印纸基的便携式废水COD检测装置及制作、测量方法。
背景技术
化学需氧量（Chemical Oxygen Demand, COD）是反映水体受有机物污染的重要指标，以化学方法测量水样中需要被氧化的还原性物质的量。目前，废水COD的离线检测方法主要依据国标《水质化学需氧量的测定重铬酸钾法》( GB 11914-89)，存在反应时间长（超过3h），药品消耗量大，反应过程中所使用的硫酸银和硫酸汞等重金属盐易造成二次污染等问题；采用COD在线检测设备，可实现对废水COD的连续监测，但设备费用高昂，体积庞大（设备高度超过1 m），重量超过50kg，不便于便携式检测； 中国发明专利（CN201020141968.3，紫外吸收法COD监测仪）提供了一种光谱检测设备，结构简单，测量便捷，但针对不同类型的水样，存在相关性差、测量精度低等问题；中国发明专利（CN201310259871.0，COD快速检测液、测试盒及测定方法）无需使用精密检测仪器，成本低廉，根据被测水样在显色剂的作用下其颜色的变化，实现对被测水样COD的范围测量，但对水样颜色的感知均是仅凭肉眼来主观判断，而且仅能实现被测水样COD范围的测量，精度较低。
碱性高锰酸钾作为氧化剂，较稳定易保存，常温下可氧化废水中的有机物。高锰酸根离子为紫色，在碱性条件下首先被还原为锰酸根离子（绿色），进一步被还原为二氧化锰（棕色）。这个反应过程为快速便捷检测废水COD提供了重要的理论依据。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种基于3D打印纸基的便携式废水COD检测装置及制作、测量方法。该装置在3D打印纸基基底表面涂饰固体蜡形成疏水层，作为反应池，再在反应池中滴加特制的显色剂作为废水COD检测的表征，通过显色反应，采用移动终端拍照的方法，记录废水在反应池的颜色及其RGB色彩模式的变化，通过构建COD表征数学模型，实现对废水COD的快速检测。使用该装置减少了显色剂的使用量和缩短了消解的反应时间，采用纸作为基底替代了玻璃、塑料等高分子物质，安全低耗环保，能够实现循环利用和自分解，以解决上述背景技术中提出的问题。
本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种基于3D打印纸基的便携式废水COD检测装置，包括纸基基底1、反应池2、疏水层3、显色剂4、透明密封膜层5和黑色胶膜层6；所述的纸基基底1作为容纳废水COD检测的载体；所述的反应池2在纸基基底1的上侧；所述的疏水层3在反应池2的表面形成固体薄膜；所述的显色剂4储存在反应池2中；所述的透明密封膜层5通过胶黏固定于纸基基底1的上表面；所述的黑色胶膜层6通过胶黏固定于透明密封膜层5上，与透明密封膜层5共同构成密封避光层；所述的反应池2中注射废水，通过移动终端拍照，将显色剂的颜色输入到计算机软件 Image J 中，利用显色剂氧化废水中有机物的颜色变化特性，对于不同COD值的废水与显色剂反应所引起色值变化进行检测。
其中，纸基基底1为直径3.0-10.0 cm和高度1.0-5.0 cm的圆柱体，包含四个反应池和两个拍照定位区；反应池2为半球状，直径为0.5-3.5 cm，反应池2的球心位于纸基基底上表面，距离纸基基底上表面圆心1.0-4.5 cm；拍照定位区由一个等边三角形定位区7和一个圆形定位区8组成，等边三角形定位区7和圆形定位区8的中心对称分布在纸基基底上表面的直径上，等边三角形定位区7边长为0.05-2.0 cm，圆形定位区8直径0.05-2.0 cm，等边三角形定位区7和圆形定位区8的中心均距离纸基的上表面圆心为1.0-3.0 cm。
本发明的第二个目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种基于3D打印纸基的便携式废水COD检测装置的制作方法，将设计好的纸基模型导入到Mcor IRIS 3D color printer全彩纸基3D打印机中，打印出纸基基底1，作为检测基底；将石蜡涂抹在纸基反应池2中，形成疏水层3；将高锰酸钾和氢氧化钠加入到蒸馏水中，搅拌均匀后加入脂肪醇聚氧乙烯醚（MOA-9），配制成显色剂；通过移液枪将显色剂注入到反应池2中；将透明密封膜层5通过胶黏组装于纸基基底1的上表面，并将黑色胶膜层6胶黏在透明密封膜层5上；当黑色胶膜层6撕掉后，将废水注射到反应池2中，通过移动终端拍照，将废水的颜色输入到计算机软件 Image J 中，利用显色剂氧化废水中有机物的颜色变化特性，对不同废水与显色剂反应所引起的色值变化进行检测，从而检测出废水COD值。
所述的制作方法具体包括以下步骤：
S1、将设计的纸基模型导入到Mcor IRIS 3D color printer全彩纸基3D打印机中，打印出纸基基底1，作为检测基底；
其中，纸基基底为直径3.0-10.0 cm和高度1.0-5.0 cm的圆柱体，包含四个反应池和两个拍照定位区；反应池2为半球状，直径为0.5-3.5 cm，反应池2的球心位于纸基基底上表面，距离纸基基底上表面圆心1.0-4.5 cm；拍照定位区由一个等边三角形定位区7和一个圆形定位区8组成，等边三角形定位区7和圆形定位区8的中心对称分布在纸基基底上表面的直径上，等边三角形定位区7边长为0.05-2.0 cm，圆形定位区8直径0.05-2.0 cm，等边三角形定位区7和圆形定位区8的中心均距离纸基的上表面圆心为1.0-3.0 cm。
S2、将石蜡颗粒于65-95 ℃温度下水浴加热，均匀涂抹在反应池2中，放置在100-150 ℃的烘箱中干燥30-200 s，在反应池2中构建疏水层3。
S3、称量0.1-0.5 g高锰酸钾和0.1-1.0 g氢氧化钠加入到10-100 mL蒸馏水中，搅拌均匀后加入0.001-0.1 g脂肪醇聚氧乙烯醚（MOA-9），将配制好的显色剂放在棕色试剂瓶中避光密封保存。
S4、使用移液枪依次将0.1-1.5 ml显色剂滴加到四个反应池中，滴加完毕后，再依次将裁切好的直径为3.0-10.0 cm的透明密封膜层5和黑色胶膜层6粘贴在纸基基底上表面，黑色胶膜层6位于透明密封膜层5之上，用于密封显色剂和避光保存，以延长使用期限。
S5、将制作好的废水COD检测装置表面的黑色胶膜层6撕去，使用注射器将待测水样注射到反应池2中，利用碱性高锰酸钾在室温下能够氧化有机物的强氧化性，锰离子由高价态变为低价态，引起的色值变化，表征废水COD值。
本发明的第三个目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种基于3D打印纸基的便携式废水COD检测装置的测量方法，包括以下步骤：
T1、消解废水：首先需要将纸基表面的黑色胶膜层6撕去，保留透明密封膜层5，然后采用注射器抽取0.1-2.0 ml待测废水，将针头穿透透明密封膜层5，注射到检测装置的反应池，反应时间为1-5 min；
T2、采集图像：利用移动终端摄像头对准检测装置的反应池拍照；
T3、处理数据：利用计算机软件（Image J软件）提取所获得的反应池内待测废水的色值数据，根据构建的COD表征数学模型换算得到废水COD值。
进一步地，所述的步骤T2中，所述的图像的采集采用移动终端摄像头的九宫格进行定位，其中横向线穿过反应池的球心，纵向线与反应池相切，两个拍照定位区分别位于其所在宫格的中心，纸基整体与纵向框图线相切。拍照参数设定：感光度（ISO）参数在100到800的范围内，移动终端摄像头的镜头和纸基检测装置上表面之间的距离小于8 cm，对焦模式设置为微距，采用自动对焦选项，所有拍照图片均以联合图像专家小组（JPEG）格式保存。
进一步地，所述的步骤T3中，色值数据为红(R)、绿(G)两个颜色通道的变化，所述的COD表征数学模型中，废水COD值与R和G的差值之间的关系如下：
y=0.1732x-6.1054
其中，y为R和G的差值，x为废水COD值。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
1、本发明利用碱性高锰酸钾溶液氧化废水中有机物后的色值变化，使用移动终端拍照获取废水的色值，通过Image J软件进行色值提取处理，采用废水的（R-B）值对COD值进行表征，解决了比色卡法受环境干扰、肉眼主观判断的问题，提高了检测的准确性和稳定性；
2、本检测装置采用纸基反应模型作为基底，制备简单，能够循环利用和自分解，实现绿色快捷检测。
3、本检测装置采用微量检测，减少了消解液的使用量和缩短了消解时间。
附图说明
图1是本发明公开的废水COD检测装置三维结构示意图；
图2是本发明的拍照定位示意图；
图3是本发明的废水COD表征数学模型拟合图；
其中，1-纸基基底，2-疏水层，3-显色剂，4-反应池，5-透明密封膜层，6-黑色胶膜层，7-等边三角形定位区，8-圆形定位区。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
如图1所示，本实施例公开了一种基于3D打印纸基的便携式废水COD检测装置，包括纸基基底1、反应池2、疏水层3、显色剂4、透明密封膜层5和黑色胶膜层6；所述的纸基基底1作为容纳废水COD检测的载体；所述的反应池2在纸基基底1的上侧，作为氧化废水中有机物的反应区；所述的疏水层3在反应池2的表面形成固体薄膜，防止显色剂4渗透到纸基基底1中；所述的显色剂4储存在反应池2中；所述的透明密封膜层5通过胶黏固定于纸基基底1的上表面；所述的黑色胶膜层6通过胶黏固定于透明密封膜层5上，与透明密封膜层5共同构成密封避光层，储存显色剂，并延长使用期限；所述的反应池2中注射废水，通过移动终端拍照，将显色剂的颜色输入到计算机软件 Image J 中，利用显色剂氧化废水中有机物的颜色变化特性，对于不同COD值的废水与显色剂反应所引起色值变化进行检测。
其中，纸基基底1为直径3.0-10.0 cm和高度1.0-5.0 cm的圆柱体，包含四个反应池和两个拍照定位区；反应池2为半球状，直径为0.5-3.5 cm，反应池2的球心位于纸基基底上表面，距离纸基基底上表面圆心1.0-4.5 cm；拍照定位区由一个等边三角形定位区7和一个圆形定位区8组成，等边三角形定位区7和圆形定位区8的中心对称分布在纸基基底上表面的直径上，等边三角形定位区7边长为0.05-2.0 cm，圆形定位区8直径0.05-2.0 cm，等边三角形定位区7和圆形定位区8的中心均距离纸基的上表面圆心为1.0-3.0 cm。
实施例二
本实施例公开了一种基于3D打印纸基的便携式废水COD检测装置的制作方法，包括以下步骤：
构建纸基基底：如图1所示，纸基基底1为直径6.9 cm和高度2.0 cm的圆柱体，在纸基基底1上表面包含4个相同大小、对称分布的反应池，反应池2为直径1.0 cm的半球，反应池2的球心距离纸基基底上表面圆心为2.23 cm；拍照定位区由一个等边三角形定位区7和一个圆形定位区8组成，等边三角形定位区7边长为0.34 cm，等边三角形定位区7和圆形定位区8的中心距离纸基基底1上表面圆心均为3.0 cm。
配制显色剂：称量0.5 g高锰酸钾和0.6 g氢氧化钠加入到100 mL蒸馏水中，搅拌均匀后加入0.001 g脂肪醇聚氧乙烯醚（MOA-9），将配制好的显色剂放在棕色试剂瓶中避光密封保存。
制作废水COD检测装置：采用Mcor IRIS 3D color printer全彩纸基3D打印机打印纸基基底1，将制得的纸基基底1置于干燥器中自然干燥4 h，避光密封保存；将石蜡颗粒于95 ℃水浴加热，均匀的涂抹在反应池2内表面，在120 ℃的烘箱中60 s，形成疏水层3；使用移液枪将0.4 ml显色剂滴加到反应池2，滴加完毕后，再依次将裁切好的直径为6.9 cm的透明密封膜层5和黑色胶膜6粘贴在纸基基底1上表面。废水COD检测装置的制作采用3D打印技术，设备尺寸精度能够达到毫米级，能够根据具体的实际情况制作相应的纸基基底，并且采用A4打印纸作为基底材料，具有成本廉价、结构小巧、精密度高、生物兼容性强、自分解、无二次污染等优点。
构建COD表征数学模型：采用RGB色彩模式比色法，获取红(R)、绿(G)两个颜色通道的变化，使用废水色度R和G的差值表征废水COD值。采用色值（R-G）客观表征废水COD值，能够克服比色卡法判断废水COD值的主观性，同时提高检测的精度。
实施例三
本实施例公开了一种基于3D打印纸基的便携式废水COD检测装置的制作方法，包括以下步骤：
测量废水COD：首先需要将黑色胶膜撕去，保留透明密封膜，然后采用注射器抽取0.2 ml待测废水，将针头穿透透明薄膜，注射到检测装置的反应池，反应时间为3 min；利用手机摄像头对准检测装置的反应池2拍照采集废水色度，采用手机相机的九宫格进行位置标定，其中横向线穿过反应池2的圆心，纵向线与反应池2相切，拍照定位区（即等边三角形定位区7和圆形定位区8）均位于其中一个宫格的中心，纸基整体与纵向框图线相切，如图3所示。拍照参数设定：感光度（ISO）参数在200，手机镜头距离纸基检测装置上表面8 cm，对焦模式设置为微距，此外使用自动对焦选项，所有图片均以联合图像专家小组（JPEG）格式保存。通过检测装置的设计和图像获取方法的设定，能够实现平行检测，并且减小人工操作和环境干扰产生的误差，提高检测的准确性和稳定性。
处理数据：待测废水的色度图像数据使用计算机软件 Image J 进行图像处理，采用RGB色彩模式比色法，获取红(R)、绿(G)两个颜色通道的变化，将(R-G)值带入COD表征数学模型，计算出废水COD值。
综上所述，本发明采用碱性高锰酸钾溶液为显色剂，利用3D打印技术制作环保可自然降解的纸基检测基底，构造反应池，通过显色反应处理废水，利用智能手机拍照方式记录待测废水在反应池的颜色，配合计算机软件Image J得到水样的RGB色值，实现对废水COD的表征。该纸基检测装置便于携带，可自然降解，替代了COD测试盒使用的高分子材料基底，采用微量显色剂，实现对废水COD的快速检测，无需专业培训，并且可以借助于网络实现数据共享，可应用于废水监测机构部门。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于3D打印纸基的便携式废水COD检测装置，其特征在于，所述的检测装置包括纸基基底（1）、反应池（2）、疏水层（3）、显色剂（4）、透明密封膜层（5）和黑色胶膜层（6），其中，
所述的纸基基底（1）作为容纳废水COD检测的载体；所述的反应池（2）在纸基基底（1）的上侧；所述的疏水层（3）在反应池（2）的表面形成固体薄膜；所述的显色剂（4）储存在反应池（2）中；所述的透明密封膜层（5）固定于纸基基底（1）的上表面；所述的黑色胶膜层（6）固定于透明密封膜层（5）上，与透明密封膜层（5）共同构成密封避光层；所述的反应池（2）中注射废水，通过移动终端拍照，将废水的颜色输入到计算机软件 Image J 中，利用显色剂氧化废水中有机物的颜色变化特性，对于不同COD值的废水与显色剂反应所引起色值变化进行检测；所述的纸基基底（1）为直径3.0-10.0 cm和高度1.0-5.0 cm的圆柱体，包含四个反应池和两个拍照定位区；拍照定位区由一个等边三角形定位区（7）和一个圆形定位区（8）组成，等边三角形定位区（7）和圆形定位区（8）的中心对称分布在纸基基底（1）上表面的直径上，等边三角形定位区（7）边长为0.05-2.0 cm，圆形定位区（8）直径0.05-2.0 cm，等边三角形定位区（7）和圆形定位区（8）的中心均距离纸基的上表面圆心为1.0-3.0 cm。
2.根据权利要求1所述的基于3D打印纸基的便携式废水COD检测装置，其特征在于，所述的反应池（2）为半球状，直径为0.5-3.5 cm，反应池（2）的球心位于纸基基底上表面，距离纸基基底（1）上表面圆心1.0-4.5 cm。
3.根据权利要求1所述的基于3D打印纸基的便携式废水COD检测装置，其特征在于，所述的透明密封膜层（5）通过胶黏固定于纸基基底（1）的上表面；所述的黑色胶膜层（6）通过胶黏固定于透明密封膜层（5）上。
4.一种根据权利要求1所述的基于3D打印纸基的便携式废水COD检测装置的制作方法，其特征在于，所述的制作方法具体包括以下步骤：
S1、将设计的纸基模型导入到全彩纸基3D打印机中，打印出纸基基底（1），作为检测基底；
S2、将石蜡颗粒于65-95 ℃温度下水浴加热，均匀涂抹在反应池（2）中，放置在100-150℃的烘箱中干燥30-200 s，在反应池（2）中构建疏水层（3）；
S3、称量0.1-0.5 g高锰酸钾和0.1-1.0 g氢氧化钠加入到10-100 mL蒸馏水中，搅拌均匀后加入0.001-0.1 g脂肪醇聚氧乙烯醚，将配制的显色剂放在棕色试剂瓶中避光密封保存；
S4、使用移液枪依次将0.1-1.5 ml显色剂滴加到四个反应池中，滴加完毕后，再依次将裁切好的直径为3.0-10.0 cm的透明密封膜层（5）和黑色胶膜层（6）粘贴在纸基基底上表面，黑色胶膜层（6）位于透明密封膜层（5）之上，用于密封显色剂和避光保存；
S5、将制作完成的废水COD检测装置表面的黑色胶膜层（6）撕去，使用注射器将待测水样注射到反应池（2）中，利用碱性高锰酸钾在室温下能够氧化有机物的强氧化性，锰离子由高价态变为低价态，引起的色值变化，表征废水COD值。
5.一种根据权利要求1-3任一所述的基于3D打印纸基的便携式废水COD检测装置的测量方法，其特征在于，所述的测量方法包括以下步骤：
T1、消解废水：首先需要将纸基表面的黑色胶膜层（6）撕去，保留透明密封膜层（5），然后采用注射器抽取0.1-2.0 ml待测废水，将针头穿透透明密封膜层（5），注射到检测装置的反应池（2），反应时间为1-5 min；
T2、采集图像：利用移动终端摄像头对准检测装置的反应池拍照；
T3、处理数据：利用计算机软件提取所获得的反应池内待测废水的色值数据，根据构建的COD表征数学模型换算得到废水COD值，其中，所述的COD表征数学模型采用RGB色彩模式比色法，获取红R、绿G两个颜色通道的变化，使用废水色度R和G的差值表征废水COD值。
6.根据权利要求5所述的基于3D打印纸基的便携式废水COD检测装置的测量方法，其特征在于，所述的步骤T2过程如下：
采用移动终端摄像头的九宫格对待采集的图像进行定位，其中横向线穿过反应池（2）的球心，纵向线与反应池（2）相切，两个拍照定位区分别位于其所在宫格的中心，纸基整体与纵向框图线相切，其中，移动终端摄像头的拍照参数设定为：感光度参数在100到800的范围内，移动终端摄像头的镜头和纸基检测装置上表面之间的距离小于8 cm，对焦模式设置为微距，采用自动对焦选项，所有拍照图片均以联合图像专家小组格式保存。
7.根据权利要求5所述的基于3D打印纸基的便携式废水COD检测装置的测量方法，其特征在于，所述的COD表征数学模型中色值数据为红R、绿G两个颜色通道的变化，废水COD值与废水色度R和G的差值之间的关系如下：
y=0.1732x-6.1054
其中，y为R和G的差值，x为废水COD值。
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