CN112485297A - 检测流体中重金属的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种检测流动流体(如饮用水源)中是否存在重金属的系统和方法。所述系统包括接收流体的过滤部分的第一室和接收流体的未过滤部分的第二室。测试装置测量第一室中的过滤流体和第二室中的未过滤流体的电特性，例如电位差，并且控制器可使用测量的电特性来检测流体中一种或多种重金属(例如铅、镉、锌、镍和/或铜)的存在情况或数量。
Description
技术领域
本发明总体上涉及流体中重金属的检测，并更具体地涉及用于检测供水中重金属或其他特定污染物的组件。
背景技术
供水系统通常旨在将中央水源(如水塔或河流)的水分配给消费者使用或饮用。重要的是，这种供水系统要包含合适的水过滤和处理设备，以在人类饮用之前从水中去除有害污染物。当水流过构成供水系统的管道时，水质会因化学反应、生物过程、管道腐蚀、浸出或降解而降低。例如，老式建筑中的水下管道会将铅和其他重金属或污染物如镉、锌、镍和铜浸入水中，这可能对人体健康特别有害。
虽然有检测饮用水中铅或其他重金属的方法，但这种检测通常复杂、昂贵，并且需要将样品邮寄到实验室进行检测。因此，由于从认证的实验室或电极组件进行样品测量成本高昂且会造成时间延迟，现有的检测饮用水中有害金属的方法很少使用。此外，在没有即时铅测量设备的情况下，消费者可能仍然未意识到他们正在食用有害重金属，因此在饮用前不会进行适当的使用点过滤。
因此，检测饮用水供应系统内污染物的改进系统和方法将会很有用。更具体地，可安装在管道中以即时反馈供水中有害重金属存在情况的污染物检测组件将是特别有益的。
发明内容
将在下面的描述中部分地阐述本发明的各个方面和优点，或者在所述描述中可能会变得显而易见，或者可能通过本发明的示例而获知。
在一个示例性实施例中，提供了一种检测流体中污染物的系统。所述系统包括接收流体的过滤部分的第一室和接收流体的未过滤部分的第二室。提供了一种测试装置，用于测量第一室中流体的过滤部分和第二室中流体的未过滤部分的电特性，并且控制器可操作地连接至所述测试装置，所述控制器用于至少部分地根据所测量的电特性来检测流体中的污染物。
在另一示例性实施例中，提供了一种检测流体中污染物的方法。所述方法包括：将流体的过滤部分提供给第一室，将流体的未过滤部分提供给第二室，使用测试装置测量第一室中流体的过滤部分和第二室中流体的未过滤部分的电特性，以及至少部分地根据测量的电特性来检测污染物的存在情况或数量。
参考以下说明和所附权利要求书，能更好地理解本技术的这些和其它特征、方面和优点。结合在本说明书中并且构成本说明书一部分的附图显示了本发明的实施方式并且与描述一起用于对本发明的原理进行解释。
附图说明
参照附图，说明书中阐述了面向所属领域普通技术人员的本发明的完整公开，这种公开使得所属领域普通技术人员能够实现本发明，包括本发明的最佳实施例。
图1是根据本发明示例性实施例的检测特定污染物的静态污染物检测组件的实验室设置立体图；
图2是根据本发明示例性实施例的动态污染物检测组件的示意图；
图3是根据本发明另一个示例性实施例的动态污染物检测组件的示意图；
图4是根据本发明又一个示例性实施例的动态污染物检测组件的示意图；
图5是根据本发明示例性实施例的用于检测供水中特定污染物的方法。
在本说明书和附图中重复使用的附图标记旨在表示本发明的相同或类似特征或要素。
具体实施方式
现在将详细地参照本发明的实施方式，其中的一个或多个示例示于附图中。每个示例都以对发明进行解释的方式给出，并不对本发明构成限制。实际上，对于所属领域技术人员而言显而易见的是，能够在不偏离本发明的范围或者精神的前提下对本发明进行多种改型和变型。例如，作为一个实施方式的一部分示出或者进行描述的特征能够用于另一个实施方式，从而产生又一个实施方式。因此，期望的是，本发明覆盖落入所附权利要求及其等同形式的范围内的这些改型以及变型。
现在参考图1和2，将根据本发明的示例性实施例描述污染物检测系统，这里简称检测系统100。具体地，图1示出了简化的示意性实验室设置，以便于讨论检测系统100的工作方式。图2示出了可使用检测系统100的示例性供水系统102。
如下所述，检测系统100通常可用于检测流体流或流体样本中污染物的存在情况、数量或浓度，此处图示为来自供水系统102的水流106。供水系统102通常可包括供水源104，所述供水水源104可包括过滤罐和子系统的系统，使得水流106清洁并且基本不含污染物和有害化学物质。但是，如上所述，在某些条件和环境下，这种水106可能仍然含有有害污染物、重金属或其他不适宜的化学物质。如图所示，检测系统100即时运行并与供水系统102串联，用于直接和精确地检测污染物。
如本文所述，检测系统100用于检测特定污染物的存在情况，例如重金属(在图1和图2中由附图标记108标识)，例如铅、镉、铜和铬，这些污染物可能存在于饮用水供应系统中，并且当人类饮用时可能存在健康问题。但应理解的是，检测系统100的各个方面可用于替代实施例中，以检测任何流体中是否存在任何污染物，并且术语特定污染物、污染物、重金属等可在本文中互换使用。此处描述的具体应用仅旨在解释本发明的各方面，而不旨在以任何方式进行限制。
如图所示，检测系统100包括第一室110，用于接收流体的过滤部分，此处标识为过滤流体112。此外，检测系统100包括第二室114，所述第二室114用于接收流体的未过滤部分，此处标识为未过滤流体116。如本文所用，术语“过滤流体”等是指已经被处理、筛选或过滤以去除至少一种污染物(例如重金属108)的水106的一部分。相比之下，术语“未过滤流体”等指未经处理的水流106，其可用于与过滤流体112进行比较，具体参见下文更详细的描述。
值得注意的是，过滤流体112和未过滤流体116可以具有不同的电特性。可通过测量这些电特性，来确定水106中特定重金属108的存在情况、数量或浓度。例如，过滤流体112和未过滤流体116的电位、电压、电导率、电离电位或其他可测量的电特性可以有所不同，并且可由微控制器或检测系统检测到。具体地，如图所示，检测系统100可包括用于测量过滤流体112和未过滤流体116的电特性的测试装置120。测试装置120可以可操作地与控制器122连接，所述控制器122可监测电特性，并可编程以用于确定水106中一种或多种重金属108的存在情况、数量或浓度。
本文中所使用的“处理装置”或“控制器”可指一个或多个微处理器，并且不必限于单个元件。处理装置或控制器122可编程以用于操作检测系统100、测试装置120和其他组件。处理装置可包括一个或多个存储元件，或者与一个或多个存储元件相关联，例如，非暂时性存储介质。在一些此类实施例中，存储元件包括电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)。通常，存储元件可存储处理装置可访问的信息，包括可由处理装置执行的指令。可选地，指令可以是软件或任何一组指令和/或数据，并且当指令被处理装置执行时可使处理装置执行操作。
此外，测试装置120可以是任何合适的测量装置或装置系统，其可用于测量第一室110和第二室112的电特性，其可适用于估计或确定诸如水106的流体中是否存在诸如重金属108的污染物。根据所示实施例，测试装置120是电位测量装置，用于测量过滤流体112、未过滤流体116的电位，或者测量过滤流体112和未过滤流体116之间的电位差。或者，测试装置120可测量第一室110和第二室112内的电压、电导率、电离电位或其他合适的特性。尽管下文将描述操作测试装置120的示例性的设置和方法，但应理解的是，在本发明范围内，可对检测系统100和测试装置120进行变更和修改。
如图所示，电位测量装置或测试装置120包括位于第一室110内的第一电极130，使其接触过滤流体112。第一电极130可通过第一电线132与控制器122电连接。同样，第二电极134可位于第二室114内，使其接触未过滤流体116。第二电极134可通过第二电线136与控制器122电连接。此外，桥接组件138可与过滤流体112和未过滤流体116均电连接。更具体地，桥式电极140可位于第一室110和第二室114中的各个室中，以分别接触过滤流体112和未过滤流体116。电桥导线142可在桥式电极140之间延伸并对所述桥式电极140进行电连接。
以这种方式，产生了包括控制器122、第一室110和第二室114的闭合电路，控制器122可使用所述闭合电路来检测电位或其他电特性的变化。所有电极130、134和140都可由任何适于便于测量过滤流体112和未过滤流体116的电特性的材料构成。根据示例性实施例，这些电极130、134和140由贵金属制成，例如金、银、铂和/或钛。或者，这些电极130、134和140可由不锈钢、石墨、石墨烯和/或氧化石墨烯制成。
尽管在图1中示出了基本的实验室设置，但应理解的是，检测系统100可以更紧凑的形式实现。例如，根据图2中示意性示出的示例性实施例，检测系统可位于印刷电路板上，或者可以为单个微机电系统(MEMS)150。在这方面，第一室110和第二室114可以是非常小的(例如微观)储存器，用于分别容纳少量的过滤流体112和未过滤流体116。此外，电极130、134和140以及导线132、136和142可以是类似于印刷电路板形成的或通过微加工形成的电触点。
根据示例性实施例，需要过滤系统或装置，以便从单个水源(例如水106)向第一室110和第二室114供应过滤流体112和未过滤流体116。根据所示实施例，第一室110包含过滤介质160，所述过滤介质160用于从水106中过滤重金属108以产生过滤流体112。具体地，过滤介质160可包括用于吸收特定重金属108的滤珠162。尽管术语“过滤”在本文中用于描述污染物的去除或收集，但应理解的是，该术语通常用于指化学去除，例如从流体中吸附或配位键/螯合污染物。例如，滤珠162可设计成从水106中吸收铅。因此，测试装置120可在没有这种铅的情况下测量过滤后的流体112，并且可与相同的未过滤形式的水106(例如，未过滤的流体116)进行比较。
在工作过程中，检测系统100可通过接收水106的定期样本或者通过接收水106的连续水流来工作。控制器122可连续监测测试装置120，以检测第一室110和第二室114的电特性的变化。此外，控制器122可包括数据库或数据表，数据库或数据表将这种电特性与特定重金属108的存在情况、数量或浓度相关联。此外，控制器122可用于在测量到的电特性表明水106内的重金属108的浓度超过预定阈值时发出通知。
如本文所述，检测系统100包括两个单室，并且通常可用于检测是否存在单一重金属108。但应理解的是，根据替代实施例，检测系统100可包括附加室，所述附加室可包括附加的和/或不同的过滤介质160，以便于不同重金属108的检测或定量测量。在这方面，第一室110可包括用于吸收铅的滤珠162，第二室114可接收未过滤的水106，第三室(未示出)可包括用于从水106吸收铜的滤珠162，第四室(未示出)可包括用于从水106吸收铬的滤珠162。测试装置120可与这些附加室可操作地连接，并且控制器122可将第一室110、第三室和第四室中的每一个之间的电特性与第二室114中未过滤流体116的电特性进行比较。以这种方式，控制器122可确定任何适当数量的污染物(例如重金属108)的存在情况、数量或浓度。
尽管在本文中将测试装置120描述为位于第一室110和第二室114内的电极系统，但应理解的是，在本发明的范围内，可使用其他装置和电路/设置来确定电特性。例如，根据另一实施例，静电流变仪(未示出)可用于测量多个室内的电离能，并且控制器122可利用所述电离能来检测特定重金属108的数量。但应理解的是，在本发明的范围内，可使用其它合适的装置测定电离能。
此外，应理解的是，检测系统100可包括各种附加特征或电子部件，用于改善检测过程和提高重金属检测的准确性。例如，控制器122可包括电容滤波器166，用于降低测试装置120接收到的信号中的噪声。此外，控制器122可包括电源、放大器和其他装置的系统，用于增强或放大这些测试信号，减少极化和噪声，以其他方式提高重金属检测的准确度。
现在参考图3和图4，将根据本发明的示例性实施例描述检测系统100的示例性配置。具体地，图3示出了具有三个串联测试室的检测系统100，图4示出了具有三个并联测试室的检测系统100。由于与上述实施例的相似性，相似的附图标记用于指代相同或相似的特征。此外，下面还描述了图3的串联实施例，应理解的是，图4所示的实施例可以类似的方式操作，但是过滤室以并联方式流体连接。
在图3所示的实施例中，未处理的水106通过入口170进入测试装置120。然后，水106通过过滤路径172和未过滤路径174。过滤路径172串联穿过三个过滤室176，而未过滤路径174穿过未过滤室178。过滤路径172和未过滤路径174可在从出口180离开测试装置120之前在过滤室176和未过滤室178的下游合并。
类似于上述实施例，每个过滤室可包括过滤介质160，用于从水106中过滤特定的重金属108。具体地，根据所示实施例，第一过滤室176包含铅过滤介质182，第二过滤室176包含铜过滤介质184，第三过滤室176包含铬过滤介质186。应理解的是，测试装置120也可包括任何合适数量的过滤室176，每个过滤室包含任何合适的过滤介质。
此外，测试装置120可包括一个或多个可操作地连接到控制器122的阀188，用于在不需要测试时关闭入口、过滤路径172和/或未过滤路径174。测试装置120还包括电连接系统，为了清楚起见，在图3和4中用附图标记190表示。类似于上述的电极130、134、导线132、136和桥接组件138，电连接190可用于促进检测过滤路径172和未过滤路径174中的流体之间的电位或电导率差异。具体地，如图3和图4所示，电连接190在作为公共桥的E2与E1、E3和E4之间延伸，所述E1、E3和E4各自进行独立感测并与E2进行比较，以检测电导率或电位差，从而有助于污染物检测。此外，因为使用了各种过滤介质182-186，所以根据示例性实施例，可确定每个过滤室176和未过滤室178之间的电位，以确定每个特定污染物(例如，铅、铜和铬)的数量或浓度。
现在已经呈现了根据示例性实施例的检测系统100的构造和控制器122的配置，下面将描述用于运行检测流体中污染物的存在情况、数量或浓度的检测系统的示例性方法200。尽管下面的论述涉及运行检测系统100的示例性方法200，但是所属领域技术人员将理解，示例性方法200适用于各种其他系统配置和操作方法的运行。在示例性实施例中，本文公开的各种方法步骤可由控制器122执行。
现在参考图5，方法200包括，在步骤210，向第一室提供流体的过滤部分。例如，可将水流106提供到第一室110中，在所述第一室中，滤珠162或另一种合适的过滤介质160用于从所述流体中过滤特定的重金属108以产生过滤流体112。步骤220包括向第二室提供流体的未过滤部分。例如，可将水106作为未过滤流体116(例如，未处理或未筛选重金属108)提供给第二室114。
步骤230包括使用测试装置测量第一室中的流体过滤部分和第二室中的流体未过滤部分的电特性。例如，测试装置可以是电位测量装置，其包括位于第一室110和第二室114内并且电连接到控制器122的电极130、134和140，以便于检测过滤流体112和未过滤流体116之间的电位差。
步骤240包括至少部分地根据测量的电特性来检测重金属的存在情况或数量。在这方面，控制器122可包括数据库或查找表，所述数据库或查找表将测量的电特性与特定量或浓度的重金属108相关联。步骤250可包括当测量到的电特性表明重金属浓度超过预定阈值时发出通知。在这方面，控制器122可预编程一种或多种重金属108的安全阈值。控制器122可监测这种重金属108的数量或浓度，并且可在浓度超过所述安全阈值时向用户或消费者发出通知。
为了说明和讨论的目的，图5描绘了以特定顺序执行的步骤。使用本文提供的内容，所属领域普通技术人员知晓，在不偏离本发明的范围的情况下，可以各种方式修订、重新排列、扩展、省略或更改本文提供的任何方法的步骤。此外，尽管使用检测系统100作为示例来对方法200的各方面进行解释，但应理解的是，这些方法可应用于检测流体中的污染物(例如重金属)的任何合适的检测系统的工作。
本文描述的系统和方法使用多个电极和双室来测量和/或检测供水系统中的重金属。第一室包含过滤装置，所述过滤装置从第一室中的水中过滤重金属。相比之下，第二室接收来自相同水源的水，但不包含过滤装置。两个室都有两个电极浸入溶液中，其中一个电极连接在两个室之间。通过监测第一室中的过滤水和第二室中的未过滤水之间的电压/电导率差，可通过用浓度校准电压差来获得重金属的定量评估。通过使用串联的放大器可进一步放大所述电压差，并且通过使用交流信号发生器可尽量减小浓度极化以获得稳定的信号。电极可由贵金属制成，例如金、银、铂和/或钛。可通过对微控制器中重金属的电导率进行编程来控制检测到的重金属的具体类型。
这种测量或检测供水中重金属的系统和方法有许多优点。例如，所述系统可在线安装在商业或住宅环境中的使用点位置，用于提供水质的即时反馈。此外，所述系统可连续使用，或者可简单地通过在达到过滤容量时更换过滤介质或过滤装置而重复使用。此外，所述系统可帮助检测过滤器的寿命及其去除这种重金属的效率。此外，这种系统将是紧凑型，与实验室测试相比具有很高的成本效益，并且在检测供水中的污染物方面非常有效。
本书面描述使用示例对本发明进行了公开(其中包括最佳实施例)，并且还使所属领域技术人员能够实施本发明(其中包括制造和使用任何装置或系统并且执行所包含的任何方法)。本发明的可专利范围通过权利要求进行限定，并且可以包括所属领域技术人员能够想到的其它的示例。如果这种其它的示例包括与权利要求的字面语言没有区别的结构元件，或者如果这种其它的示例包括与权利要求的字面语言没有实质区别的等同结构元件，则期望这种其它的示例落入权利要求的范围中。
Claims (20)
1.一种检测流体中污染物的系统，其特征在于，所述系统包括：
第一室，用于接收流体的过滤部分；
第二室，用于接收流体的未过滤部分；
测试装置，用于测量第一室中流体的过滤部分和第二室中流体的未过滤部分的电特性；及
控制器，可操作地连接至所述测试装置，所述控制器用于至少部分地根据所测量的电特性来检测流体中的污染物。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述测试装置是电位测量装置，用于测量流体的过滤部分的电位、流体的未过滤部分的电位、或者流体的过滤部分和流体的未过滤部分之间的电位差。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述电位测量装置包括：
位于第一室内的第一电极；
位于第二室内的第二电极；及
同时位于所述第一室和第二室中的桥式电极。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述第一电极、第二电极和桥式电极中的每个电极均包括金、银、铂、钛、不锈钢、石墨、石墨烯或氧化石墨烯中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述测试装置是电导率测量装置，用于测量流体的过滤部分的电导率、流体的未过滤部分的电导率、或者流体的过滤部分和流体的未过滤部分之间的电导率差。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，第一室包含过滤介质，所述过滤介质用于从流体中过滤污染物，以产生流体的过滤部分。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述过滤介质包括用于吸收污染物的滤珠。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器在测量到的电特性表明污染物的浓度超过预定阈值时发出通知。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述污染物包括铅、镉、铜和铬中的至少一种。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，流体是来自供水系统的水。
11.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一室、第二室、测试装置和控制器安装在单个印刷电路板上。
12.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统作为单个微机电系统(MEMS)来实施。
13.权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统进一步包括：
第三室，用于接收流体的二次过滤部分，并且所述测试装置电连接到所述第三室。
14.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述测试装置是测量电离能或电位的静电流变仪。
15.权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统进一步包括：
电容滤波器，用于降低测试装置接收的信号中的噪声。
16.一种检测流体中污染物的方法，其特征在于，所述方法包括：
向第一室提供流体的过滤部分；
向第二室提供流体的未过滤部分；
使用测试装置测量第一室中的流体过滤部分和第二室中的流体未过滤部分的电特性；及
至少部分地根据测量的电特性来检测污染物的存在情况或数量。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述测量电特性包括：
使用电位测量装置测量流体的过滤部分的电位、流体的未过滤部分的电位或者流体的过滤部分和流体的未过滤部分之间的电位差。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述测量电特性包括：
将第一电极设置在第一室内；
将第二电极设置在第二室内；及
将桥式电极同时设置在第一室和第二室内。
19.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
通过在第一室中设置过滤介质来从流体中过滤污染物，以产生流体的过滤部分。
20.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
向第三室提供流体的二次过滤部分；及
使用测试装置测量所述第三室的电特性，所述测试装置是用于测量电离能或电位的静电流变仪。
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