CN215574675U - 一种测量地质水等水质中离子含量的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及离子含量监测领域，具体公开了一种测量地质水等水质中离子含量的装置，其包括测量装置、控制装置以及定量泵装置，其特征在于，所述测量装置包括用于放置待测水样的水样容器，设置在水样容器两侧且相互对应的发射模块和接收模块，安装在水样容器底部设置有搅拌子和搅拌器；控制装置包括信号板，与信号板连接的主板，与主板连接的显示屏/按键、电源和输出控制板。本实用新型通过采用分光光度法识别颜色突变终点，自动滴定、测量，完全替代了手工滴定和人工判断终点，能够实时、准确地测量水质中的碳酸根、重碳酸根和氢氧根含量，保证了测量的精准度。

Description

一种测量地质水等水质中离子含量的装置

技术领域

本实用新型涉及离子含量监测领域，具体涉及一种测量地质水等水质中离子含量的装置。

背景技术

碳酸根和重碳酸根是地质勘探、采矿行业地质水中主要的阴离子，通过测定采矿过程中地层水的碳酸根和重碳酸根浓度，有助于确定地层水的硬度、种类和分离水中二氧化碳的量。

目前水质中的碳酸根/重碳酸根/氢氧根的测定采用酚酞和甲基橙作为指示剂，用已知浓度的标准盐酸进行实验室手工滴定，具体为：移取已知体积的样品(0.2mL～20mL，视样品碳酸根、碳酸氢根、氢氧根浓度而定)于250mL三角瓶中，加水使溶液体积为50ml～60mL，加入3滴酚酞指示剂，用已知浓度的HC1标准溶液(0.05mol/L～0.2mol/L，视样品碳酸根、碳酸氢根、氢氧根浓度而定)滴定至溶液由粉红色变为无色，则为第1终点，记下耗酸量，在试样中继续加入2滴甲基橙指示剂，再用HCI标准溶液滴定至溶液由黄色变为橙红色，则为第2终点，记下耗酸量，根据2个终点的耗酸量、样品体积、标准盐酸浓度即可计算待测样品碳酸根、碳酸氢根、氢氧根的浓度。由于第二终点为由黄色变为橙红色，存在不同人员判断终点不同的问题，容易造成盐酸溶液用量上的误差，导致计算碳酸根/重碳酸根/氢氧根的的含量存在误差。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决现有技术存在的缺陷，提供一种测量地质水等水质中离子含量的装置及方法。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种测量地质水等水质中离子含量的装置，包括测量装置、控制装置以及定量泵装置，所述测量装置包括用于放置待测水样的水样容器，设置在水样容器两侧且相互对应的发射模块和接收模块，安装在水样容器底部设置有搅拌子和搅拌器；

控制装置包括信号板，与信号板连接的主板，与主板连接的显示屏/按键、电源和输出控制板；

所述定量泵装置包括第一定量泵、第二定量泵以及第三定量泵，第一定量泵通过管道连接标准盐酸溶液容器和水样容器，第二定量泵通过管道连接酚酞溶液容器和水样容器，第三定量泵通过管道连接甲基橙溶液容器和水样容器，第一定量泵、第二定量泵以及第三定量泵信号连接所述输出控制板，所述搅拌器信号连接输出控制板。

进一步，所述发射模块由能够发射出固定波长平行光的发光二极管光源和限流电阻组成。

进一步，所述接收模块由垂直放置的光电倍增管组成。

进一步，所述主板为EPC-287I-L-T工控主板。

进一步，所述接收模块将经待测溶液吸收后的光强度转换为电信号，该电信号由信号板进行测量，信号板由放大电路、测量电路和单片机组成，能够测量所述接收模块的电信号，并通过内部CAN总线传输给主板，主板具有电阻触摸屏接口、CAN_bus通讯接口，通过内部CAN总线、串口通讯方式实现对显示屏/按键、信号板和输出控制板的通讯和控制。

测量地质水等水质中离子含量的方法，包括如下步骤：

步骤S1.将包含特定波长的发射模块和接收模块预热后，取待测水样0.2mL-20mL，加入到洁净的水样容器内，记录待测水样体积为V，加入经煮沸的去离子水50mL，该特定波长的光经过待测水样，记录此时模块电压值为空白电压值A₀；

步骤S2.向步骤S1的混合溶液中滴入酚酞试剂，该特定波长的光经过该混合溶液，记录此时模块电压值为初始电压值A₁；

步骤S3.在进行所述步骤S2后，若加入酚酞后接收电压值无明显变化，说明加入酚酞后混合溶液为无色，则说明待测水样中不含有碳酸根，仅含有重碳酸根，此时向待测水样中滴入甲基橙指示剂，然后通过定量泵装置自动添加已知浓度的盐酸溶液，至待测水样的接收电压值至第二特征接收电压值，记录从开始滴定至第二特征接收电压值加入盐酸溶液的体积V₂和盐酸的浓度c(HCl)，测量过程结束；

步骤S4.在进行所述步骤S2后，若加入酚酞后接收电压值明显降低，说明加入酚酞后混合溶液为粉红色，待测样水含碳酸根，则通过定量泵装置自动添加已知浓度的盐酸溶液，直至所述待测水样的接收电压值变化至第一特征接收电压值，记录从开始滴定至第一特征接收电压值加入盐酸溶液的体积V₁和盐酸浓度c(HCl),继续进行步骤S5；

步骤S5.在进行所述步骤S4后，向所述步骤S4的混合溶液中滴入甲基橙指示剂，加入甲基橙指示剂后混合溶液为黄色，记录加入甲基橙溶液后混合溶液的接收电压值，然后继续通过定量泵装置自动加入已知浓度的盐酸溶液，直至测量所述待测水样的接收电压至第二特征接收电压值，记录从所述步骤S4的第一特征接收电压值到步骤S5第二特征接收电压值加入盐酸溶液的体积V₂和盐酸浓度c(HCl)，测量过程结束。

进一步，待测水样中的碳酸根、重碳酸根以及氢氧根含量的计算方法为：

所述S3步骤中加酚酞指示剂后为无色的待测水样时：

待测水样中不含有碳酸根，仅含有重碳酸根，步骤S1中待测水样的体积记为V，步骤S3中加入盐酸标准溶液的体积记为V₂，其浓度记为c(HCl)，计算公式如下所示：

ρ(HCO₃ ^-)＝V₂×M₃×c(HCl)/V

式中，ρ(HCO₃ ^-)——HCO₃ ^-的浓度，g/L；

V₂—从步骤S3开始滴定至步骤S3第二特征接收电压值，加入盐酸溶液的体积，mL；

M₃——HCO₃ ^-的摩尔质量，g/mol；

c(HCl)—步骤S3中加入盐酸标准溶液的浓度，mol/L；

V——步骤S1中加入待测水样的体积，mL。

进一步，待测水样中的碳酸根、重碳酸根以及氢氧根含量的计算方法为：

对于所述步骤S4中加入酚酞指示剂后为粉红色的待测水样，根据加入盐酸溶液的体积V₁和所述的步骤S5中加入盐酸溶液的体积V₂的大小，计算方法为：

①当V₁>V₂时，溶液中OH^-和CO₃ ^2-共存：

ρ(OH^-)＝(V₁-V₂)×M₁×c(HCl)/V

ρ(CO₃ ^2-)＝V₂×M₂×c(HCl)/V

式中，ρ(OH^-)——OH^-的浓度，g/L；

ρ(CO3^2-)——CO₃ ^2-的浓度，g/L；

V₁—从步骤S4开始滴定至步骤S4第一特征接收电压值加入盐酸溶液的体积，mL；

V₂——从所述步骤S4的第一特征接收电压值到步骤S5中第二特征接收电压值加入盐酸溶液的体积，mL；

M₁——OH^-的摩尔质量，g/mol；

M₂——CO₃ ^2-的摩尔质量，g/mol；

c(HCl)—步骤S4、S5中加入盐酸标准溶液的浓度，mol/L；

V——步骤S1中加入待测水样的体积，mL；

②当V₁<V₂时，溶液中HCO₃ ^-和CO₃ ^2-共存：

ρ(CO₃ ^2-)＝V₁×M₂×c(HCl)/V

ρ(HCO₃ ^-)＝(V₂-V₁)×M₃×c(HCl)/V

式中，ρ(CO3^2-)——CO₃ ^2-的浓度，g/L；

ρ(HCO₃ ^-)——HCO₃ ^-的浓度，g/L；

V₁——从步骤S4开始滴定至步骤S4第一特征接收电压值加入盐酸溶液的体积，mL；

V₂——从所述步骤S4的第一特征接收电压值到步骤S5中第二特征接收电压值加入盐酸溶液的体积，mL；

M₂——CO₃ ^2-的摩尔质量，g/mol；

M₃——HCO₃ ^-的摩尔质量，g/mol；

c(HCl)——步骤S4、S5中加入盐酸标准溶液的浓度，mol/L；

V——步骤S1中加入待测水样的体积，mL；

③当V₁＝V₂时，溶液中只有CO₃ ^2-：

ρ(CO₃ ^2-)＝V₁×M₂×c(HCl)/V

式中，ρ(CO3^2-)——CO₃ ^2-的浓度，g/L；

V₁——从步骤S4开始滴定至步骤S4第一特征接收电压值加入盐酸溶液的体积，mL；

M₂——CO₃ ^2-的摩尔质量，g/mol；

c(HCl)——步骤S4、S5中加入盐酸标准溶液的浓度，mol/L；

V——步骤S1中加入待测水样的体积，mL。

进一步，所述步骤S3中，加入酚酞后接收电压值无明显变化的判断方法为：若|A₀-A₁|<0.2×A₀，即A₀和A₁差值的绝对值小于0.2倍的A₀，则判断为加入酚酞后接收电压值无明显变化。

进一步，所述步骤S4中，加入酚酞后接收电压值明显降低的判断方法为：若(A₀-A₁)＞0.2×A₀，即A₀减去A₁的值大于0.2倍的A₀，则判断为加入酚酞后接收电压值明显降低，第一特征接收电压值为空白电压值A₀。

本实用新型的有益效果为：本实用新型通过采用分光光度法识别颜色突变终点，自动滴定、测量，完全替代了手工滴定和人工判断终点，能够实时、准确地测量水质中的碳酸根、重碳酸根和氢氧根含量，保证了测量的精准度。本实用新型采用特定波长的分光光度计替代离子选择电极，通过滴定即可进行测定，适应环境能力强，能够实现在线和实时测量。

附图说明

图1为本实用新型的测量流程图；

图2为本实用新型测量装置的结构示意图；

图3为本实用新型实施例1中盐酸体积-接收电压值滴定曲线；

图4为本实用新型实施例2中盐酸体积-接收电压值滴定曲线。

具体实施方式

实施例1

如图2所示，一种测量地质水等水质中离子含量的装置，包括测量装置、控制装置以及定量泵装置，测量装置包括用于放置待测水样的水样容器1，设置在水样容器1两侧且相互对应的发射模块2和接收模块3，设置在水样容器1底部的搅拌子和搅拌器14；

测量装置部分包括信号板4，与信号板4连接的主板5，主板5连接显示屏/按键6、电源7和输出控制板15；

定量泵装置包括第一定量泵8、第二定量泵9以及第三定量泵10，第一定量泵8通过管道连接标准盐酸溶液容器11和水样容器1，第二定量泵9通过管道连接酚酞溶液容器12和水样容器1，第三定量泵10通过管道连接甲基橙溶液容器13和水样容器1，第一定量泵8、第二定量泵9以及第三定量泵10信号连接输出控制板15。水样容器1底部安装搅拌器14，搅拌器14信号连接输出控制板15。

其中，发射模块2由能够发射出固定波长平行光的发光二极管光源和限流电阻组成，优选为490nm的单冷色发光二极管光源和1000Ω的限流电阻，接收模块3主要由垂直放置的光电倍增管组成，能够将经待测溶液吸收后的光强度转换为电信号，该电信号由信号板4进行测量，信号板4由放大电路、测量电路和单片机组成，能够测量所述接收模块3的电信号，并通过内部CAN总线传输给主板5，主板5具有电阻触摸屏接口、CAN_bus通讯等接口，能够通过内部CAN总线、串口通讯等方式实现对显示屏/按键6、信号板4和输出控制板15的通讯和控制功能，主板5优选为EPC-287I-L-T工控主板，也可根据需要更换为能够实现所述通讯、测量和控制功能的其他型号主板。

进一步，测量地质水等水质中离子含量的方法如图1所示，该实施例中加入酚酞后所述接收电压值明显降低(吸光度明显增大)，说明加入酚酞后所述溶液为粉红色，该实施例中盐酸体积-接收电压值滴定曲线如图3所示，测量该水样中的碳酸根、重碳酸根和氢氧根的方法步骤如下：

S1、将包含特定波长的发射模块(优选为490nm)和接收模块预热5分钟后，取待测水样10mL加入到测量部分的水样容器，记待测水样体积为V，加入经煮沸30分钟的去离子水50mL，该特定波长的光经过待测水样，记录此时模块电压值为空白电压值A₀；

S2、通过第二定量泵向S1中所述混合溶液加入3滴酚酞试剂(150μL)，该特定波长的光经过该混合溶液，记录此时模块电压值为初始电压值A₁。

S3.在进行步骤S2所述加入酚酞后，接收电压值明显降低(一种优选的加入酚酞后接收电压值明显降低的判断方法为：若(A₀-A₁)>0.2×A₀，即A₀减去A₁的值大于0.2倍的A₀，则判断为加入酚酞后接收电压值明显降低)，说明加入酚酞后混合溶液为粉红色，待测样水含酚酞碱度，则通过定量泵装置自动添加0.05mol/L的标准盐酸溶液，在加入615μL标准盐酸溶液后，所述待测水样的接收电压值变化至第一特制接收电压值(一种优选的第一特征接收电压值为空白电压值A₀)，记录从开始至第一特征接收电压值加入盐酸溶液的体积V₁为0.615mL、盐酸浓度c(HCl)为0.05mol/L,继续进行步骤S4；

S4.在进行所述步骤S3后，向步骤S3的混合溶液中滴入甲基橙溶液，加入甲基橙溶液后混合溶液为黄色，记录加入甲基橙溶液后混合溶液的接收电压值，然后继续通过定量泵装置自动加入0.05mol/L的盐酸溶液，在继续加入(1260-615)μL，即645μL标准盐酸溶液后，所述待测水样的接收电压第一次低于(到达)第二特征接收电压值(一种优选的第二特征接收电压值为180mV)，记录从所述步骤S3的第一特征接收电压值到步骤S4第二特征接收电压值加入盐酸溶液的体积V₂为0.645mL和盐酸浓度c(HCl)为0.05mol/L，测量结束；

S5、计算水样中的碳酸根、重碳酸根和氢氧根含量。计算公式如下：

①当V₁>V₂时，溶液中OH^-和CO₃ ^2-共存

ρ(OH^-)＝(V₁-V₂)×17.01×c(HCl)/V

ρ(CO₃ ^2-)＝V₂×60.02×c(HCl)/V

②当V₁<V₂时，溶液中HCO₃ ^-和CO₃ ^2-共存

ρ(CO₃ ^2-)＝V₁×60.02×c(HCl)/V

ρ(HCO₃ ^-)＝(V₂-V₁)×61.02×c(HCl)/V

③当V₁＝V₂时，溶液中只有CO₃ ^2-

ρ(CO₃ ^2-)＝V₁×60.02×c(HCl)/V

其中，ρ(OH^-)表示氢氧根的浓度，单位为g/L、ρ(CO₃ ^2-)表示碳酸根的浓度，单位为g/L、ρ(HCO₃ ^-)表示重碳酸根的浓度，单位为g/L，V₁、V₂和V的单位是mL，c(HCl)表示盐酸标准溶液的浓度，单位为mol/L。

因V₁＝0.615mL，V₂＝0.645mL，V₁<V₂,代入计算得：

ρ(CO₃ ^2-)＝0.615×60.02×0.05/10.0≈0.185g/L

ρ(HCO₃ ^-)＝(0.645-0.615)×61.02×0.05/10.0≈0.009g/L。

实施例2

该实施例中添加酚酞溶液后，所述接收电压值无明显变化(吸光度无明显变化)，说明加入酚酞后所述溶液为无色，该实施例盐酸体积-接收电压值滴定曲线如图4所示，测量该水样中的碳酸根、重碳酸根和氢氧根的方法步骤如下：

S1、将包含特定波长的发射模块(优选为490nm)和接收模块预热5分钟后，取待测水样10mL加入到测量部分的水样容器，记待测水样体积为V，加入经煮沸30分钟的去离子水50mL，该特定波长的光经过待测水样，记录此时模块电压值为空白电压值A₀；

S2、通过第二定量泵向S1中所述混合溶液加入3滴酚酞试剂(150μL)，该特定波长的光经过该混合溶液，记录此时模块电压值为初始电压值A₁。

S3、经过计算，A₀>0.8*A₁，即加入酚酞后接收电压值无明显变化(吸光度无明显变化)，说明加入酚酞后所述溶液为无色，则说明待测水样中不含有碳酸根，V₁＝0mL，仅含有重碳酸根。此时通过第三定量泵向所述待测水样中加入2滴甲基橙溶液(100μL)，然后通过第一定量泵以一定的速度自动添加已知浓度的盐酸溶液，加入4930μL盐酸溶液后，所述待测水样的接收电压值到达第二特征接收电压值(第二特征接收电压值优选为180mV，橙红色)，记录从开始滴定至步骤S3第二特征接收电压值加入盐酸溶液的体积V₂为4.930mL、标准盐酸浓度c(HCl)为0.05mol/L，测量结束；

S4、计算水样中的碳酸根、重碳酸根和氢氧根含量。计算公式如下：

此时溶液中只有HCO₃ ^-：

ρ(HCO₃ ^-)＝V₂×61.02×c(HCl)/V

其中，ρ(HCO₃ ^-)表示重碳酸根的浓度，单位为mg/L，V₁、V₂和V的单位是mL，c(HCl)表示盐酸标准溶液的浓度，单位为mol/L。

代入计算得：

ρ(HCO₃ ^-)＝4.930×61.02×0.05/10.0≈1.504g/L。

本实用新型通过采用分光光度法识别颜色突变终点，自动滴定、测量，完全替代了手工滴定和人工判断终点，能够实时、准确地测量水质中的碳酸根、重碳酸根和氢氧根含量，保证了测量的精准度。本实用新型采用特定波长的分光光度计替代离子选择电极，通过滴定即可进行测定，适应环境能力强，能够实现在线和实时测量。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型的范围内。本实用新型要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (5)

1.一种测量地质水等水质中离子含量的装置，包括测量装置、控制装置以及定量泵装置，其特征在于，所述测量装置包括用于放置待测水样的水样容器，设置在水样容器两侧且相互对应的发射模块和接收模块，安装在水样容器底部设置有搅拌子和搅拌器；

控制装置包括信号板，与信号板连接的主板，与主板连接的显示屏/按键、电源和输出控制板；

所述定量泵装置包括第一定量泵、第二定量泵以及第三定量泵，第一定量泵通过管道连接标准盐酸溶液容器和水样容器，第二定量泵通过管道连接酚酞溶液容器和水样容器，第三定量泵通过管道连接甲基橙溶液容器和水样容器，第一定量泵、第二定量泵以及第三定量泵信号连接所述输出控制板，所述搅拌器信号连接输出控制板。

2.根据权利要求1所述的一种测量地质水等水质中离子含量的装置，其特征在于，所述发射模块由能够发射出固定波长平行光的发光二极管光源和限流电阻组成。

3.根据权利要求1或2所述的一种测量地质水等水质中离子含量的装置，其特征在于，所述接收模块由垂直放置的光电倍增管组成。

4.根据权利要求3所述的一种测量地质水等水质中离子含量的装置，其特征在于，所述主板为EPC-287I-L-T工控主板。

5.根据权利要求3所述的一种测量地质水等水质中离子含量的装置，其特征在于，所述接收模块将经待测溶液吸收后的光强度转换为电信号，该电信号由信号板进行测量，信号板由放大电路、测量电路和单片机组成，能够测量所述接收模块的电信号，并通过内部CAN总线传输给主板，主板具有电阻触摸屏接口、CAN_bus通讯接口，通过内部CAN总线、串口通讯方式实现对显示屏/按键、信号板和输出控制板的通讯和控制。

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