CN111537408B - 一种在线测定水环境中颗粒物粒径的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种在线测定水环境中颗粒物粒径的方法，属于环境保护技术领域，旨在解决现有方法难以满足实际在线控制需求等问题。本发明利用连接有探头的电化学阻抗分析仪对水中颗粒物进行实时频率扫描。在测试时无需对样品进行特殊处理，仅将电极探头插入待测悬浮液测定阻抗实部、虚部及复阻抗模量，用建立的等效电路模型进行数据拟合，并求出复阻抗模量突变时对应的临界频率。根据建立的临界频率与颗粒物粒径的标准曲线得到实时的粒径数据。本发明适用的颗粒物浓度范围较宽，不受待测颗粒物及分散相的折射率和颜色的影响，且抗杂质污染的能力较强，设备维护相对简单，更能满足工业生产运行时水环境中颗粒物实时分析控制的需求。

Description

一种在线测定水环境中颗粒物粒径的方法
所属技术领域
本发明涉及的是一种在线测定水环境中颗粒物粒径的方法，属于环境保护技术领域。
背景技术
水环境中颗粒(如活性污泥等)粒径的大小对颗粒物的絮凝、沉淀、吸附、过滤等过程有着显著影响，也关系到水中污染物的迁移和转化。因此，实时测定水中颗粒物的粒径对这些过程的控制有着重要意义。目前测定水环境中颗粒粒径的方法主要为光散射法，一般通过激光粒度仪对颗粒的尺度分布进行测试。然而该方法在水环境中实时测试时尚存在一些不足。首先，光散射法不适用于高浓度颗粒的检测，在测试过程中需要对颗粒悬浊液进行稀释，从而可能对颗粒的原貌产生影响。其次，光散射法容易受颗粒物折射率及分散相颜色等因素干扰，且在实际应用过程中光室的耐污性较差。这些缺陷限制了光散射法在实际工业中的应用，使得水中颗粒物的粒径变化难以得到在线反馈。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷，本发明提供了一种在线测定水环境中颗粒物粒径的方法，其目的是绕过现有方法的不足，利用连接有探头的电学设备对水中颗粒物进行实时频率扫描，并获取扫描过程的电学特征，根据建立的标准曲线，在线反馈出颗粒物的粒径。
本发明可通过如下技术途径实现：
包括，用连接有电导电极的商业电化学阻抗仪对颗粒物悬浊液进行测试并进行以下步骤：
(1)在测试时无需对样品进行特殊处理，仅将电极探头插入待测颗粒悬浮液进行频率扫描以获取悬浮液的阻抗实部、虚部及复阻抗模量；
(2)用等效电路对阻抗实部和虚部数据进行拟合，得到等效电学元件的参数；
(3)根据所得等效电学元件参数计算频率扫描过程中复阻抗模量突变的临界频率；
(4)建立临界频率与颗粒物粒径的标准曲线；
(5)根据标准曲线及频率扫描数据获取实时的颗粒物粒径。
特别是，子步骤(1)中所述颗粒物悬浊液样品的浓度范围为1mg/L-100g/L，测定时温度保持恒定，电化学阻抗仪施加的正弦电压范围为1-1000mV，扫描频率范围为0.1Hz-10MHz。
进一步地，子步骤(2)中所述等效电路由两电路串联而成，其中一个电路为悬浊液的电荷移动电阻Rc，另一个电路由悬浊液双电层电荷转移电阻Rt与双电层电容Cp并联而成。等效电路拟合时，拟合的频率范围应包含复阻抗模量突变的临界频率，优选为1Hz-1MHz。
进一步地，子步骤(3)中所述复阻抗模量突变的临界频率为校正后的复阻抗模量的对数值由近似恒定转变为随频率的对数值增加而下降的相关频率点，其计算式为：
Figure BDA0002498200960000011
式中，fc为复阻抗模量突变的临界频率。所述校正后的复阻抗模量等于每个扫描频率下对应的复阻抗模量减去最高频率下的复阻抗模量。
进一步地，子步骤(4)中所述临界频率与颗粒物粒径的标准曲线基本关系式为：
R＝klg(fc)+b
式中，R为颗粒物的粒径，lg(fc)为临界频率的对数值，k和b均为常数。
所述标准曲线的建立步骤为：
①以已知粒径的二氧化硅颗粒为标准颗粒物，制备粒径不同的二氧化硅悬浊标准液5-10个；
②测定该悬浊标准液样品的临界频率；
③将标准液样品的临界频率与粒径代入所述的临界频率与颗粒物粒径的标准曲线基本关系式，求出参数k与b的值。
进一步地，子步骤(5)中所述获取实时颗粒物粒径的方法为将由实时频率扫描计算出的临界频率带入所述临界频率与颗粒物粒径的标准曲线，即可得到实时的颗粒物粒径数据。
本发明的有益效果是：
本发明提出了一种在线测定水环境中颗粒物粒径的新方法，与目前现有方法相比，本发明适用的颗粒物浓度范围较宽，不受待测颗粒物及分散相的折射率和颜色的影响，且由于没有光路系统，抗杂质污染的能力较强，设备维护相对简单，更能满足水环境中颗粒物实时分析控制的需求。
附图说明
附图1是本发明所述的水环境中颗粒物悬浊液频率扫描示意图。
图中：1—恒温器、2—电导电极、3—颗粒物悬浊液、4—商业电化学阻抗仪、5—电化学阻抗仪与电极间的连接导线。
附图2是本发明所述的等效电路示意图。
图中：Rc为悬浊液的电荷移动电阻，Rt为悬浊液双电层电荷转移电阻，Cp为双电层电容。
附图3是本发明所述的临界频率的示意图。
图中：lgZ为校正后的复阻抗模量的对数值，lgf为扫描频率的对数值，lgfc为临界频率的对数值。
附图4是本发明所述的临界频率与粒径的标准曲线。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明，但所涉及附图及实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。
频率扫描测试：首先将具有频率扫描功能的商业电化学阻抗分析仪连接上电导率电极作为在线测试的工具。所述阻抗仪优选为日置IM3570，其性能参数介绍如表1所示。所述电导电极优选为Tetracon 325电极，其主要性能参数介绍如表2所示。
表1 阻抗分析仪的主要性能参数表
Figure BDA0002498200960000031
表2 电导电极主要性能参数
电极型号 Tetracon 325
生产厂家 德国WTW公司
极数 4
感测极材质 石墨
电极常数 <![CDATA[0.475cm<sup>-1</sup>±1.5％]]>
温度范围 -5-100℃
如图1所示，将电导电极作为探头插入待测颗粒物悬浊液中进行频率扫描，探头插入深度应保证样品没过电极的接触圆片。悬浊液浓度范围为1mg/L-100g/L。扫描时阻抗仪施加1-1000mV正弦电压，扫描频率为0.1Hz-10MHz，并记录不同频率下的悬浮液阻抗实部、虚部及复阻抗模量，采集点数为201。
等效电路拟合及临界频率确定：用如图2所示的等效电路对所得阻抗的实部和虚部进行拟合，得到悬浊液双电层电荷转移电阻Rt及双电层电容Cp的拟合值，拟合的频率范围应包含复阻抗模量突变的临界频率，优选为1Hz-1MHz。所述复阻抗模量突变的临界频率为校正后的复阻抗模量的对数值由近似恒定转变为随频率的对数值增加而下降的相关频率点，如图3所示。其计算式为：
Figure BDA0002498200960000032
式中，fc为复阻抗模量突变的临界频率。为减小悬浮液电导率带来的影响，所述校正后的复阻抗模量等于每个扫描频率下对应的复阻抗模量减去最高频率下的复阻抗模量。
临界频率与颗粒物粒径的标准曲线建立：首先分别取5-10份粒径不等的二氧化硅颗粒标准品，加入一定量的蒸馏水制备二氧化硅悬浊标准液。标准液中颗粒物浓度与待测水环境颗粒物样品相当，粒径范围优选为10nm-1mm。其次，用前述方法对每个标准液进行频率扫描和等效电路拟合，得到其临界频率。随后，以各标准液的临界频率的对数为X轴，以其中二氧化硅颗粒的粒径为Y轴作图，并用线性回归分析进行拟合。将拟合所得斜率和截距带入下式即可得临界频率与颗粒物粒径的标准曲线。
R＝klg(fc)+b
式中，R为颗粒物的粒径，lg(fc)为临界频率的对数值，k和b分别为标准曲线的斜率和截距。
实时颗粒物粒径的获取：由于等效电路的拟合、临界频率的确定等步骤均可通过编程实现，故建立好标准曲线后，在具体实施时仅需将测试探头插入待测悬浊液获取频率扫描时的阻抗实部、虚部及复阻抗模量，即可通过设计好的程序步骤在线反馈出水环境中颗粒物的粒径信息。
下面采用以下实施例对本发明进行进一步的说明：
实施例一：
从北京某再生水厂(记为再生水厂1)日处理水量为10万吨的膜生物反应器中取活性污泥(记为污泥1)作为待测颗粒物。污泥浓度为17.9g/L。其他测定过程与具体实施方式中所述一致。建立的标准曲线如图4所示。取部分待测污泥悬浊液在搅拌器中进行搅拌剪切，得到的实时粒径变化如表3所示。
表3 污泥1机械搅拌时的实时粒径
搅拌剪切时间/s 粒径/μm
0 48.173
10 40.281
20 33.135
30 30.879
40 29.135
50 29.019
60 28.768
实施例二：
从北京某再生水厂(记为再生水厂2)日处理水量为20万吨的厌氧/缺氧/好氧生物反应工艺中取活性污泥(记为污泥2)作为待测颗粒物。污泥浓度为18.1g/L。其他测定过程与具体实施方式中所述一致，标准曲线选用实施例一中建立的标准曲线。取部分待测污泥悬浊液在搅拌器中进行搅拌剪切，得到的实时粒径变化如表4所示。
表4 污泥2机械搅拌时的实时粒径
搅拌剪切时间/s 粒径/μm
0 60.388
10 50.164
20 38.168
30 30.976
40 26.149
50 25.589
60 25.188

Claims (5)

1.一种在线测定水环境中颗粒物粒径的方法，包括用连接有电导电极的商业电化学阻抗仪对颗粒物悬浊液进行测试，其特征在于，包含如下步骤：
(1)在测试时无需对样品进行特殊处理，仅将电极探头插入待测颗粒物悬浊液进行频率扫描以获取悬浊液的阻抗实部、虚部及复阻抗模量；
(2)用等效电路对阻抗实部和虚部数据进行拟合，得到等效电学元件的参数，等效电路由两电路串联而成，其中一个电路为悬浊液的电荷移动电阻Rc，另一个电路由悬浊液双电层界面的电荷转移电阻Rt与双电层电容Cp并联而成，等效电路拟合频率范围为1Hz-1MHz，包含复阻抗模量突变的临界频率；
(3)根据所得悬浊液双电层界面的电荷转移电阻Rt与双电层电容Cp计算频率扫描过程中复阻抗模量突变的临界频率，计算式为：
Figure FDA0004065569760000011
式中，fc为复阻抗模量突变的临界频率，是校正后的复阻抗模量的对数值由近似恒定转变为随频率的对数值增加而下降的相关频率点，其中校正后的复阻抗模量等于每个扫描频率下对应的复阻抗模量减去最高频率下的复阻抗模量；
(4)建立临界频率与颗粒物粒径的标准曲线；
(5)根据标准曲线及频率扫描数据获取实时的颗粒物粒径。
2.根据权利要求1中所述的一种在线测定水环境中颗粒物粒径的方法，其特征在于，子步骤(1)中所述颗粒物悬浊液样品的浓度范围为1mg/L-100g/L，测定时温度保持恒定，电化学阻抗仪施加的正弦电压范围为1-1000mV，扫描频率范围为0.1Hz-10MHz。
3.根据权利要求1中所述的一种在线测定水环境中颗粒物粒径的方法，其特征在于，子步骤(4)中所述临界频率与颗粒物粒径的标准曲线基本关系式为：
R＝klg(fc)+b
式中，R为颗粒物的粒径，lg(fc)为临界频率的对数值，k和b均为常数。
4.根据权利要求3中所述的一种在线测定水环境中颗粒物粒径的方法，其特征在于，子步骤(4)中所述临界频率与颗粒物粒径的标准曲线的建立步骤为：
①以已知粒径的二氧化硅颗粒为标准颗粒物，制备粒径不同的二氧化硅悬浊标准液5-10个；
②测定该悬浊标准液样品的临界频率；
③将标准液样品的临界频率与粒径代入所述的临界频率与颗粒物粒径的标准曲线基本关系式，求出参数k与b的值。
5.根据权利要求1中所述的一种在线测定水环境中颗粒物粒径的方法，其特征在于，子步骤(5)中所述获取实时颗粒物粒径的方法为将由实时频率扫描计算出的临界频率带入所述临界频率与颗粒物粒径的标准曲线，即可得到实时的颗粒物粒径数据。
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