CN214703336U - 基于化学发光技术的总有机碳原位测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于化学发光技术的总有机碳原位测量装置，包括外壳，外壳上设置有水密通气管、水密插头、进水口和排水口，在所述外壳中封装有气泵、臭氧发生器、水泵、反应池、光电转换模块和信号采集与控制电路；所述气泵通过水密通气管泵入外界空气给臭氧发生器产生臭氧，并输送至反应池；所述水泵通过进水口泵入待测水体至反应池，与臭氧发生化学发光反应，产生的光线经由透镜组汇聚后，射向光电转换模块以生成电信号；所述信号采集与控制电路根据所述电信号生成测量数据，通过水密插头上传；所述排水口连通反应池，用于排出测量结束后的废液。本实用新型的总有机碳测量装置在使用时无需配置前处理设备，因此可对待测水体实现原位测量。

Description

基于化学发光技术的总有机碳原位测量装置

技术领域

本实用新型属于海洋水质监测设备技术领域，具体地说，是涉及一种利用化学发光技术测量海水中总有机碳含量的装置。

背景技术

总有机碳（Total Organic Carbon，简称TOC）是表征水体中碳总量的指标，不仅能够反映水体富营养化的程度，还能够反映水体中生命活动的情况。因此，总有机碳的浓度变化对于海洋碳循环以及海洋生态系统的研究具有非常重要的作用。但是，总有机碳的产生、迁移、转化与循环等过程都相当复杂，获取准确的TOC数据是了解碳循环过程、影响生态环境机理的前提条件。然而，对于海洋环境而言，总有机碳的浓度是非常低的。一般来讲，大洋深处的总有机碳浓度通常为 30~50μmol/L，甚至更低；而在近岸海域，总有机碳的浓度基本上也仅仅略高于100μmol/L。可见，只能采用痕量测量手段才能分析出海水中的TOC含量，因此准确测量出海水中的TOC浓度，其难度是比较大的。

原位测量是指在固定位置开展长期监测任务。在海洋环境监测领域可实现原位监测的平台包括：浮标、潜标、海床基以及渔排等长期放置于水体环境中的基体。而总结现有的TOC测量方法，国内外的TOC测量手段大多采用高温燃烧氧化法或者紫外消解法，测量时需要配合使用较多的前处理设备，因此，不具备对海水进行原位测量的可行性。

发明内容

本实用新型基于臭氧溶液氧化化学发光的反应机理，提出了一种用于对水体中的总有机碳含量进行测量的装置，使用时无需配置前处理设备，可对待测水体实现原位测量。

为解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案予以实现：

一种基于化学发光技术的总有机碳原位测量装置，包括外壳，外壳上设置有水密通气管、水密插头、进水口和排水口，在所述外壳中封装有气泵、臭氧发生器、水泵、反应池、光电转换模块和信号采集与控制电路；其中，所述气泵连通所述水密通气管，泵入外界空气；所述臭氧发生器连接所述气泵，利用泵入的外界空气产生臭氧；所述水泵连通所述进水口，泵入待测水体；所述反应池接收所述臭氧发生器输出的臭氧以及所述水泵泵入的待测水体，使臭氧和待测水体中的有机物质在反应池中发生化学发光反应；在所述反应池上安装有用于汇聚光线的透镜组，所述排水口连通所述反应池，用于排出测量结束后的废液；所述光电转换模块通过所述透镜组采集反应池中的光线，并生成电信号；所述信号采集与控制电路接收所述光电转换模块输出的电信号，并生成测量数据通过所述水密插头上传。

在本申请的一些实施例中，为了加快臭氧与待测水体的氧化反应速度，优选在所述反应池中设置微孔曝气管，将所述微孔曝气管通过臭氧输入管连接至臭氧发生器，将臭氧发生器产出的臭氧以微小气泡的形式快速、均匀的扩散至整个反应池，与反应池中的待测水体进行快速融合，达到水气平衡，产生化学发光反应。

在本申请的一些实施例中，优选将所述微孔曝气管布设于反应池内的底部，以实现臭氧气泡与待测水体的充分混合；所述反应池的进水口优选布设于反应池的底面，反应池的出水口优选布设于反应池的顶面，在反应池的侧面开设测量窗口，将所述透镜组安装于所述测量窗口处。

在本申请的一些实施例中，为了保证泵入到臭氧发生器内的空气干燥，本申请在所述外壳中还封装有干燥剂桶，将所述干燥剂桶与外壳上的进气口相连通，利用干燥剂桶中封装的干燥剂对通过进气口引入的外界空气进行干燥处理，然后输送至所述气泵，以对所述气泵和臭氧发生器起到保护作用。

在本申请的一些实施例中，为了对待测水体进行前置处理，本申请优选在所述外壳的底部设置防附着铜罩，并将所述进入口布设在所述外壳的底部，且在进水口中设置过滤网，以将待测水体中的杂质滤除后，再输送至水泵；同时，本申请优选将所述水密通气管、水密插头和排水口布设在所述外壳的顶面，且在所述排水口中设置过滤网，以对排放的废液进行粗过滤。

在本申请的一些实施例中，为了对测量装置中的液体输送管路实现自清洗功能，本申请在所述外壳中还封装有两个三通选择阀；其中，第一三通选择阀的公共口连通所述水泵，其常闭口连通所述反应池的进水口；第二三通选择阀的公共口连通所述外壳上的排水口，其常闭口通过气液混合管路连接所述反应池的出水口，其常开口通过排水管路连接所述第一三通选择阀的常开口。通过对两个三通选择阀的连接通路进行切换，以改变液体输送管路中液体的流向，从而实现对液体输送管路的自行冲洗。

与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果是：本实用新型的总有机碳原位测量装置利用臭氧作为强氧化剂与待测水体中的有机物进行化学发光反应，并采用微光光电转换技术对反应过程中产生的光线进行采集、转换和处理，即使待测水体中的TOC含量极低，也能实现TOC含量的准确检测。同时，由于本实用新型的测量装置无需配置辅助的前处理设备，因此，可以直接投放入待测海域使用，满足了海水原位测量的需求，使得最终获得的TOC含量的测量结果更加真实可信。

结合附图阅读本实用新型实施方式的详细描述后，本实用新型的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1是本实用新型所提出的总有机碳原位测量装置的一种实施例的整体架构示意图；

图2是图1中的反应池的一种实施例的结构示意图；

图3A、图3B、图3C是图1所示的总有机碳原位测量装置工作在管路自清洗模式下的液体流向图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细地描述。

需要说明的是，在本实用新型的描述中，术语“顶”、“底”、“内”、“外”等指示方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，还需要说明的是，在本实用新型的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

本实施例的总有机碳测量装置适于对海水进行原位测量，可以通过浮标投放于待测海域并下放至所要求的深度，以检测海水在该深度的TOC含量。

如图1所示，本实施例的总有机碳原位测量装置包括外壳10，外壳10上布设有水密通气管2、水密插头1、进水口11和排水口23，外壳10中封装有干燥剂桶3、气泵4、臭氧发生器6、水泵13、反应池19、光电转换模块18、信号采集与控制电路24等主要部件。

本实施例优选将所述外壳10设计成圆柱状，顶部布设所述水密通气管2、水密插头1和排水口23，底部设置防附着铜罩12和进水口11，并优选在进水口11中设置过滤网，以对进入到测量装置中的待测水体（例如海水）进行两级前置处理。

所述水密插头1可以通过防水电缆连接至浮标，向浮标上传测量数据；也可将浮标提供的电源引入测量装置，为测量装置中的各用电负载供电。当然，也可以在测量装置的外壳10中内置电池，采用电池供电的方式为测量装置中的各用电负载供电。

所述水密通气管2可以延伸至海面，用于将外界空气引入到测量装置的外壳10中。

由于海面上方的空气较为湿润，需要干燥后方可使用，因此，本实施例在测量装置的外壳10中还设置有干燥剂桶3。干燥剂桶3中内置有硅胶等干燥剂，首先利用干燥剂对外界空气进行干燥处理后，再在气泵4的驱动下，经由进气管路5泵送至臭氧发生器6。在本实施例中，所述气泵4优选采用隔膜气泵，所述臭氧发生器6优选采用直流臭氧发生器，利用泵入的干燥空气产生臭氧，然后经由臭氧输入管7输送至反应池19。

所述反应池19为臭氧和待测水体提供气液混合和化学反应的场所，优选采用耐腐蚀的石英玻璃制成，且进行遮光处理，避免外界光线射入反应池19，对反应池19内的化学发光反应产生干扰。本实施例为了提高气液混合的充分性和均匀性，根据气泵输入臭氧的压力大于反应池液压这一特点，在反应池19中增设微孔曝气管25，如图2所示，以形成无膜式曝气反应池。本实施例优选将微孔曝气管25布设在反应池19内的底部，其上布设细密的微孔阵列，微孔的孔径优选设计为100微米。臭氧通过气泵4经由微孔曝气管25上的微孔阵列生成微小的气泡，然后均匀地、不断地扩散至整个反应池19中，与反应池19中的海水进行充分的化学发光反应，达到水气平衡，产生光线，供光电转换模块18检测和采集。

作为一种优选实施例，所述光电转换模块18优选采用光电倍增管，布设在反应池19的一侧。在反应池19与光电转换模块18正对的一侧开设测量窗口26，并在测量窗口26中安装透镜组17。所述透镜组17可以采用一个或多个凸透镜形成。海水与臭氧气体进行氧化反应时会产生羟基自由基，羟基自由基与海水中的有机物质反应会产生化学发光现象，利用透镜组17对反应池19中产生的光线进行汇聚，然后由光电转换模块18持续采集，并转换成相应的电信号，传输至信号采集与控制电路24，以生成测量数据，通过水密插头1上传至浮标。

在本实施例中，所述信号采集与控制电路24可以仅对光电转换模块18输出的电信号进行滤波、放大及格式转换处理后，通过水密插头1上传至浮标，利用浮标上的处理终端计算生成TOC含量的测量结果。当然，也可以将计算程序写入所述信号采集与控制电路24，直接利用信号采集与控制电路24计算出TOC含量的测量结果后，再通过水密插头1上传至浮标，供监测人员查看即可。

为了使海水能够注满反应池19，以提高TOC含量测量的准确度，优选将反应池19的进水口开设在反应池19的底面，如图2所示，将反应池19的出水口开设在反应池19的顶面。

由于海水中各种有机物和大颗粒藻类会在管路中附着与繁殖，因此，定期对测量装置中的液体输送管路进行冲洗是非常有必要的工序。由于本实施例的测量装置采用臭氧与海水进行氧化化学发光反应，臭氧作为一种强氧化剂不仅可以参与反应，更可以作为一种微生物杀灭剂清洁管路。因此，本实施例充分利用臭氧的特性，进一步在外壳10中封装两个三通选择阀15、21，如图1所示，通过切换两个三通选择阀15、21的连接通路，并适时地改变水泵13的正反转方向，即可对测量装置中的每一根液体输送管路进行氧化冲洗，避免了微生物的附着，延长了测量装置的使用周期。

具体而言，本实施例将第一三通选择阀15的常闭口NC通过进水管路16连接至反应池19的进水口，将第一三通选择阀15的公共口COM通过进水管路14连接至水泵13的第一进出水口，并将水泵13的第二进出水口通过进水管路9连接至外壳10上的进水口11。这样在启动水泵13正转（或反转）后，即可将海水通过进水口11引入测量装置，并泵送流入反应池19，与臭氧进行氧化化学发光反应。在本实施例中，所述水泵13优选采用蠕动泵。

将反应池19的出水口通过气液混合管路20连接至第二三通选择阀21的常闭口NC，将第二三通选择阀21的常开口NO通过排水管路8连接至第一三通选择阀15的常开口NO，将第二三通选择阀21的公共口COM通过排水管路22连接至外壳10上的排水口23。这样通过改变水泵13的转向并切换两个三通选择阀15的连接通路，即可对测量装置中的液体输送管路实现自清洗功能。

下面结合图1、图2，对本实施例的总有机碳原位测量装置的具体工作过程进行详细阐述。

（一）进样与排废

海面上的空气通过水密通气管2，在隔膜气泵4的驱动下，经过干燥剂桶3中的硅胶干燥后，进入臭氧发生器6产生臭氧。臭氧通过臭氧输入管7进入无膜式曝气反应池19，作为强氧化剂参与反应。与此同时，海水通过防附着铜罩12和进水口11进行两级过滤前处理后，在蠕动水泵13的驱动下，经过进水管路9和进水管路14进入第一三通选择阀15。将第一三通选择阀15的公共端COM与其常闭口NC连通，使海水通过进水管路16进入无膜式曝气反应池19。海水进入无膜式曝气反应池19后，在与不断输入的臭氧进行氧化作用后，通过气液混合管路20流向第二三通选择阀21。将第二三通选择阀21的公共端COM与其常闭口NC连通，将反应完后的废液通过排水管路22输送至排水口23，经排水口23中的过滤网进行粗过滤处理后，排放到海水中。

（二）测量

海水通过进水管路16进入反应池19，同时臭氧通过臭氧输入管7进入微孔曝气管25，经过微孔曝气管25上的微孔阵列曝气与海水中的有机物质发生化学发光反应。光电转换模块18在透镜组17的折射放大作用下可以准确地采集到这些微弱的发光信号，并转换成电信号后，发送至信号采集与控制电路24，以生成测量数据，经由水密插头1上传至浮标。

在测量过程中，臭氧和海水的输入是不间断的，在测量开始一段时间后，会达到水气平衡。此时，将第一三通选择阀15的公共口COM切换至与其常开口NO连通，即，从进水管路16切换到排水管路8，切断海水对无膜式曝气反应池19的输入。由于臭氧源源不断的输入，无膜式曝气反应池19中剩余的海水是固定的，因此，无膜式曝气反应池19中的总有机碳TOC会被彻底反应掉。化学发光信号通过透镜组17和光电转换模块18的测量，在信号采集与控制电路24中会生成一系列测量数据，这些测量数据即可用于海水中TOC含量的计算。

（三）管路冲洗

第一步，进行臭氧混合液的填充过程，如图3A所示。将两个三通选择阀15、21的公共口COM分别与其自身的常闭口NC连通，打开蠕动水泵13和臭氧发生器6，令反应池19内的臭氧混合液充满整个气液混合管路20、第二三通选择阀21和排水管路22。

第二步，进行反向冲洗进样管路过程，如图3B所示。驱动蠕动水泵13反向旋转，此时继续臭氧的输入，令进水管路16、第一三通选择阀15、进水管路14、蠕动水泵13和进水管路9都充满臭氧混合液，利用过量的臭氧对进样管路进行冲洗。

第三步，进行正向冲洗管路排废过程，如图3C所示。关闭臭氧发生器6，停止臭氧输入，切换两个三通选择阀15、21的方向，使其公共口COM与其自身的常开口NO连通。驱动蠕动水泵15正向旋转，令原本在进水管路9、蠕动水泵13、进水管路14和第一三通选择阀15中的臭氧混合液流入排水管路8，通过计算蠕动水泵13转速、管路长度，令臭氧混合液正好填满排水管路8，达到对排水管路8进行冲洗的目的。废液通过排水管路22经由排水口23排出。

以上三步往复循环进行五次，便可实现所有管路和接头的清洗。

本实施例的总有机碳测量装置结构简单、体积小、功耗低、无需添加试剂，适合对待测水体进行原位检测。

当然，以上所述仅是本实用新型的一种优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于化学发光技术的总有机碳原位测量装置，其特征在于，包括：

外壳，其上设置有水密通气管、水密插头、进水口和排水口，在所述外壳中封装有：

气泵，其连通所述水密通气管，泵入外界空气；

臭氧发生器，其连接所述气泵，利用泵入的外界空气产生臭氧；

水泵，其连通所述进水口，泵入待测水体；

反应池，其接收所述臭氧发生器输出的臭氧以及所述水泵泵入的待测水体，使臭氧和待测水体中的有机物质在反应池中发生化学发光反应；在所述反应池上安装有用于汇聚光线的透镜组，所述排水口连通所述反应池，用于排出测量结束后的废液；

光电转换模块，其通过所述透镜组采集反应池中的光线，并生成电信号；

信号采集与控制电路，其接收所述光电转换模块输出的电信号，并生成测量数据通过所述水密插头上传。

2.根据权利要求1所述的基于化学发光技术的总有机碳原位测量装置，其特征在于，在所述反应池中设置有微孔曝气管，其通过臭氧输入管连接所述臭氧发生器。

3.根据权利要求2所述的基于化学发光技术的总有机碳原位测量装置，其特征在于，所述微孔曝气管位于反应池内的底部，反应池的进水口位于反应池的底面，反应池的出水口位于反应池的顶面，在反应池的侧面开设有测量窗口，所述透镜组安装在所述测量窗口处。

4.根据权利要求1所述的基于化学发光技术的总有机碳原位测量装置，其特征在于，在所述外壳中还封装有干燥剂桶，其连通所述外壳上的进气口，将引入的外界空气进行干燥处理后，输送至所述气泵。

5.根据权利要求1所述的基于化学发光技术的总有机碳原位测量装置，其特征在于，在所述外壳的底部设置有防附着铜罩，所述进水口布设在所述外壳的底部，且在进水口中设置有过滤网；所述水密通气管、水密插头和排水口布设在所述外壳的顶面，且在所述排水口中设置有过滤网。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的基于化学发光技术的总有机碳原位测量装置，其特征在于，在所述外壳中还封装有：

第一三通选择阀，其公共口连通所述水泵，其常闭口连通所述反应池的进水口；

第二三通选择阀，其公共口连通所述外壳上的排水口，其常闭口通过气液混合管路连接所述反应池的出水口，其常开口通过排水管路连接所述第一三通选择阀的常开口。

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