CN217846060U - 一种水中锰离子浓度测定装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种水中锰离子浓度测定装置。该水中锰离子浓度测定装置，包括：用于容纳水样的容器；用于分配水样的分配件；用于将水中的Mn(Ⅳ)过滤掉的第一过滤件；用于将水中的Mn(Ⅳ)过滤掉的第二过滤件；用于将水中的Mn(Ⅱ)和Mn(Ⅲ)氧化为Mn(Ⅶ)的反应器；用于测量吸光度的紫外分析模块。该水中锰离子浓度测定装置可以准确地测定水中Mn(Ⅱ)、Mn(Ⅲ)和Mn(Ⅳ)的浓度及含量分布，装置的各部件易得、成本低以及装置操作简单，大大提高了测定水中不同价态锰离子含量的工作效率，降低了水质分析工作的成本。

Description

一种水中锰离子浓度测定装置

技术领域

本实用新型涉及水质检测技术领域，更具体地，涉及一种水中锰离子浓度测定装置。

背景技术

锰在地壳中储量丰富，在过渡元素中仅次于铁和钛，且其价态丰富(零价到七价)。

随着现代科学研究的不断完善，研究家们发现金属锰离子的不同价态尤其是自然水体中和锰处理有机污染物相关技术中的中间价态锰在自然环境界中和水处理技术中有着重要作用，之前，由于分析手段的缺陷和对锰的性质认知不足等原因，锰的中间价态尤其是Mn(Ⅲ)在自然界中的存在及在地球化学反应中的重要作用在很长一段时间内被忽略。

此外，目前在中国存在多处地下水和地表水锰含量超标的情况。如果水源中锰含量超标，不仅会对人体的中枢神经、智力和生殖功能产生不良影响而严重威胁人们的健康，还会使得环境生态系统遭到破坏。

环境水中的锰主要以二价、三价和四价(Mn(Ⅱ)、Mn(Ⅲ)和Mn(Ⅳ))的形式存在，其中Mn(Ⅳ)以胶体形式存在。目前国内认可度比较高且常用的锰离子检测设备，比如电感耦合等离子体-原子发射光谱仪和电感耦合等离子体-质谱仪大都只能测量水中总锰的含量或某一种价态的锰的含量，比如名称为锰离子在线监测装置的中国专利，而不能精确测定水中不同价态的锰的浓度，也不能了解水体中不同价态锰的含量分布，现有X射线荧光光谱仪(XPS)可以精确测定不同价态锰离子，但是这种设备设备昂贵维护、管理要求高、样品前处理比较麻烦等缺点。

因此，开发一种可测定水中不同价态锰离子(Mn(Ⅱ)、Mn(Ⅲ)和Mn(Ⅳ))浓度的装置。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服上述现有的锰离子检测设备无法测定水中不同价态锰离子(Mn(Ⅱ)、Mn(Ⅲ)和Mn(Ⅳ))浓度及含量分布的问题，提供一种水中锰离子浓度测定装置。该水中锰离子浓度测定装置可以准确地测定水中Mn(Ⅱ)、 Mn(Ⅲ)和Mn(Ⅳ)的浓度及含量分布，装置的各部件易得、成本低以及装置操作简单，大大提高了测定水中不同价态锰离子含量的工作效率，降低了水质分析工作的成本。

本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现：

一种水中锰离子浓度测定装置，包括：

用于容纳水样的容器；

用于分配水样的分配件；

用于将水中的四价锰(Mn(Ⅳ))过滤掉的第一过滤件；

用于将水中的四价锰(Mn(Ⅳ))过滤掉的第二过滤件；

用于将水中的二价锰(Mn(Ⅱ))和三价锰(Mn(Ⅲ))氧化为七价锰(Mn(Ⅶ)) 的反应器；

用于测量吸光度的紫外分析模块；

所述分配件设有第一出液口、第二出液口和第三出液口；

所述紫外分析模块设有第一进液口、第二进液口和第三进液口；

所述容器的内腔与分配件连通；所述第一出液口与第一进液口连通；所述第二出液口、第一过滤件和第二进液口依次连通；所述第三出液口、第二过滤件、反应器和第三进液口依次连通。

现有技术已公开，水中的Mn(Ⅳ)以胶体形式存在，可通过过滤除掉，而Mn(Ⅱ) 和Mn(Ⅲ)则存在于滤液中。另外，现有技术也已公开，Mn(Ⅲ)、Mn(Ⅳ)和Mn(Ⅶ) 可发生显色反应进而通过紫外分析技术测得其浓度。

该水中锰离子浓度测定装置工作过程为：先通过分配件将水样输送到第一过滤件，过滤后的水样进入到紫外分析模块，从而测得水中的Mn(Ⅲ)的浓度。然后通过分配件直接将水样输送紫外分析模块，从而测得水中Mn(Ⅲ)和Mn(Ⅳ)的含量，通过计算得出Mn(Ⅳ)的浓度。再通过分配件将水样输送到第二过滤件，过滤后的水样进入到反应器，经过反应后，水中的Mn(Ⅱ)和Mn(Ⅲ)都被氧化为 Mn(Ⅶ)，水样再进入到紫外分析模块，从而测得水中的Mn(Ⅶ)的浓度，通过计算得出Mn(Ⅱ)的浓度。再通过进一步的计算，即可得到水中Mn(Ⅱ)、Mn(Ⅲ)和Mn(Ⅳ)的总量以及各含量的分布。

本实用新型的水中锰离子浓度测定装置可以准确地测定水中Mn(Ⅱ)、Mn(Ⅲ) 和Mn(Ⅳ)的浓度及含量分布，装置的各部件易得、成本低其装置操作简单，大大提高了测定水中不同价态锰离子含量的工作效率，降低了水质分析工作的成本。

优选地，所述容器设有可加入焦磷酸钠的第一投样口。

优选地，所述第一过滤件的过滤孔的直径为0.2～0.4μm；所述第二过滤件的过滤孔的直径为0.2～0.4μm。

更为优选地，所述第一过滤件的过滤孔的直径为0.22μm；所述第二过滤件的过滤孔的直径为0.22μm。

优选地，所述反应器设有可通入臭氧的进气口。

更为优选地，还包括臭氧发生器，所述臭氧发生器的出气口与反应器的进气口连通。

进一步优选地，所述臭氧发生器的出气口与反应器的进气口之间还设有流量计。

进一步优选地，还包括制氧机，所述制氧机的出气口与所述臭氧发生器的进气口连通。

更为优选地，还包括氮气罐，所述氮气罐的出气口与反应器的进气口连通。

设置氮气罐，通入氮气进行吹脱，从而除去反应后在水样中残留的臭氧，进一步提高后续测定的准确度。

更为优选地，还包括臭氧尾气分解器和气体浓度分析仪，所述反应器的出气口与臭氧尾气分解器的进气口和气体浓度分析仪的进气口连通。

进一步优选地，所述臭氧尾气分解器的进气口还与气体浓度分析仪的出气口连通。

更为优选地，所述反应器的内部还设有可实现臭氧和水样混合均匀的混合件。

进一步优选地，所述混合件为搅拌器或气体分布器。

更为优选地，所述反应器的内部还设有实现温度计，用于监控反应的温度。

优选地，所述反应器与第三进液口之间还设有第三过滤件。

设置第三过滤件，可除去反应后形成的可能影响显色反应的物质，进一步提高后续测定的准确度。

优选地，所述紫外分析模块包括测量区和可容纳待测液的进样区，所述测量区和进样区连通。

更为优选地，所述测量区设有紫外分光光度计。

更为优选地，所述紫外分析模块设有可加入ABTS显色剂、水或pH＝2～5的缓冲液的第二投样口，所述第二投样口与进样区连通。

进一步优选地，所述紫外分析模块设有可加入ABTS显色剂、水或pH＝4.6 的缓冲液的第二投样口，所述第二投样口与进样区连通

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型的水中锰离子浓度测定装置可以准确地测定水中Mn(Ⅱ)、Mn(Ⅲ) 和Mn(Ⅳ)的浓度及含量分布，装置的各部件易得、成本低以及装置操作简单，大大提高了测定水中不同价态锰离子含量的工作效率，降低了水质分析工作的成本。

附图说明

图1为实施例1的水中锰离子浓度测定装置的结构示意图。

图2为实施例1的水中锰离子浓度测定装置的紫外分析模块的结构示意图。

图3为实施例3中不同价态锰标准溶液的通过紫外分析得到的吸光值与浓度的标准曲线图。

其中，1为容器，2为分配件、用3为第一过滤件、4为第二过滤件、5为反应器、6为紫外分析模块、61为第二投样口、62为进样区、63为测量区、7为臭氧发生器、8为第三过滤件。

具体实施方式

为了更清楚、完整的描述本实用新型的技术方案，以下通过具体实施例进一步详细说明本实用新型，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本实用新型，并不用于限定本实用新型，可以在本实用新型权利限定的范围内进行各种改变。

需要说明的是，当一个元件认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或可能同时存在居中元件。本实用新型所使用的术语“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

实施例1

本实施例提供一种水中锰离子浓度测定装置，如图1所示，该水中锰离子浓度测定装置包括用于容纳水样的容器1、用于分配水样的分配件2、用于将水中的Mn(Ⅳ)过滤掉的第一过滤件3、用于将水中的Mn(Ⅳ)过滤掉的第二过滤件4、用于将水中的Mn(Ⅱ)和Mn(Ⅲ)氧化为Mn(Ⅶ)的反应器5、用于测量吸光度的紫外分析模块6、臭氧发生器7、第三过滤件8、流量计、制氧机和氮气罐。容器1 设有可加入焦磷酸钠的第一投样口，加入焦磷酸钠可以防止水样中Mn(Ⅲ)发生歧化反应，更有利于准确测定Mn(Ⅲ)的浓度。分配件2为自动分配器。第一过滤件3为过滤器，第一过滤件3的的过滤孔的直径为0.22μm。第二过滤件4为过滤器，第二过滤件4的的过滤孔的直径为0.22μm。反应器5为玻璃反应器，反应器5的内部设有混合件，混合件为气体分布器，混合件可实现臭氧和水样混合均匀；反应器5的内部还设有实现温度计，用于监控反应的温度。紫外分析模块6设有可加入ABTS显色剂、水或pH＝2～5的缓冲液的第二投样口61，如图2 所示，紫外分析模块6包括进样区62和测量区63，测量区63设有紫外分光光度计。第三过滤件8为过滤器，第三过滤件8的的过滤孔的直径为0.22μm。流量计为玻璃转子流量计。

分配件2为自动分配器，分配件2设有第一出液口、第二出液口和第三出液口，紫外分析模块6设有第一进液口、第二进液口和第三进液口。各部件的连接情况如下：容器1的内腔与分配2的进液口通过管道连通，第一出液口、第一进液口、进样区62和测量区63通过管道连通；第二出液口、第一过滤件3、第二进液口、进样区62和测量区63通过管道依次连通；第三出液口、第二过滤件4、反应器5、第三过滤件8、第三进液口、进样区62和测量区63通过管道依次连通。臭氧发生器7的出气口、流量计与反应器5的进气口依次通过管道连通。第二投样口61与进样区62连通。制氧机的出气口与臭氧发生器7的进气口通过管道连通。氮气罐的出气口与反应器的进气口通过管道连通。

现有技术已公开，水中的Mn(Ⅳ)可通过过滤除掉，而Mn(Ⅱ)和Mn(Ⅲ)则存在于滤液中。另外，现有技术也已公开，水中的Mn(Ⅲ)、Mn(Ⅳ)和Mn(Ⅶ)可发生显色反应而通过紫外分析技术测得其浓度。

该水中锰离子浓度测定装置工作过程为：先通过分配件将水样输送到第一过滤件，过滤后的水样进入到紫外分析模块，从而测得水中的Mn(Ⅲ)的浓度。然后通过分配件直接将水样输送紫外分析模块，从而测得水中Mn(Ⅲ)和Mn(Ⅳ)的含量，通过计算得出Mn(Ⅳ)的浓度。再通过分配件将水样输送到第二过滤件，过滤后的水样进入到反应器，经过反应后，水中的Mn(Ⅱ)和Mn(Ⅲ)都被氧化为 Mn(Ⅶ)，水样再进入到紫外分析模块，从而测得水中的Mn(Ⅶ)的浓度，通过计算得出Mn(Ⅱ)的浓度。再通过进一步的计算，即可得到水中Mn(Ⅱ)、Mn(Ⅲ)和 Mn(Ⅳ)的总量以及各含量的分布。

本实施例的水中锰离子浓度测定装置可以准确地测定水中Mn(Ⅱ)、Mn(Ⅲ) 和Mn(Ⅳ)的浓度及含量分布，装置的各部件易得、成本低以及装置操作简单，大大提高了测定水中不同价态锰离子含量的工作效率，降低了水质分析工作的成本。

实施例2

本实施例提供一种水中锰离子浓度测定装置，该水中锰离子浓度测定装置在实施例1的水中锰离子浓度测定装置的基础上，还包括臭氧尾气分解器和气体浓度分析仪，反应器5的出气口与臭氧尾气分解器的进气口和气体浓度分析仪的进气口连通通过管道连通，臭氧尾气分解器的进气口还与气体浓度分析仪的出气口连通。通过设置气体浓度分析仪和臭氧尾气分解器，可实现对反应器排出的气体的监控和分解，可大幅度减少对大气造成的二次污染，具有安全、环保、零污染的特点。

实施例3

本实施例利用实施例1的水中锰离子浓度测定装置测定水中的Mn(Ⅱ)、 Mn(Ⅲ)和Mn(Ⅳ)的浓度及含量分布，具体步骤如下：

S1.校准曲线的绘制：对Mn(Ⅱ)、Mn(Ⅲ)和Mn(Ⅶ)标准溶液处理后，以水参比测量吸光度，由所测得吸光度经空白校正后对的浓度绘制标准曲线，根据不同价态的锰离子与ABTS反应的计量关系反算得到不同价态的锰离子含量的标准曲线。标准曲线如图3所示。

S2.将水样加入到水中锰离子浓度测定装置的容器中，投入焦磷酸钠(PP) 络合剂，使得水样中Mn(Ⅲ)形成Mn(Ⅲ)-PP络合物。

S3.Mn(Ⅲ)的测定：利用分配件使水样通过第一过滤件，得到过滤含有Mn(Ⅱ) 和Mn(Ⅲ)滤液，滤液进入到紫外分析模块的进样区，再加入ABTS和pH＝4.6的乙酸/乙酸钠缓冲液充分反应后再加入去离子水，所得待测溶液通过紫外分光光度计用1cm比色皿在415nm处，以水参比测量样品吸光度A₀。

其反应原理的反应方程式如下：

根据Mn(Ⅲ)与ABTS反应发一个电子转移的计量关系及ABTS^·+在415nm的摩尔吸收系数＝3.4*10⁴M^-1cm^-1和A₀，算出的浓度为C₀，其中C₀等于：

S4.Mn(Ⅳ)的测定：利用分配件使水样进入到紫外分析模块的进样区，加入 ABTS和pH＝4.6的乙酸/乙酸钠缓充分反应通过紫外分光光度计后再加入去离子水，所得待测溶液用1cm比色皿在415nm处，以水参比测量样品吸光度A₁。

其反应原理的反应方程式如下：

根据Mn(Ⅲ)与ABTS反应发一电子转移和Mn(Ⅳ)与ABTS反应发二个电子转移的计量关系及ABTS^·+在415nm的摩尔吸收系数＝3.4*10⁴M^-1cm^-1和A₁，算出 Mn(Ⅳ)的浓度为C₁，其中C₁等于：

S5.Mn(Ⅱ)的测定：利用分配件使水样进入到第二过滤件，得到的滤液通入反应器中，充分反应(反应体系的pH为5，臭氧的浓度为50～150μmol，反应时间为3min)后的水样的锰为七价锰Mn(Ⅶ)，反应结束后通入氮气吹脱，然后水样通过第三过滤件进入到紫外分析模块的进样区，加入ABTS和乙酸缓冲液充分反应后再加入去离子水，所得待测溶液用1cm比色皿在415nm处，以水参比测量样品吸光度A₂。

其反应原理的反应方程式如下：

臭氧把Mn(Ⅱ)、Mn(Ⅲ)氧化为Mn(Ⅶ)，

Mn(II)-PP+O₃→Mn(IV)-PP(MnO²+-PP)+O₂

Mn(IV)-PP+O₃→Mn(VI)-PP+O₂

Mn(VI)-PP→Mn(VII)+Mn(V)-PP

Mn(VI)-PP→Mn(VII)+Mn(V)-PP

Mn(III)-PP+O₃→Mn(V)-PP+O₂

Mn(V) -PP+O₃→Mn(VII)+O₂

ABTS显色反应，

根据Mn(Ⅶ)与ABTS反应发五个电子转移的计量关系及ABTS^·+在415nm的摩尔吸收系数＝3.4*10⁴M^-1cm^-1和A₂，算出Mn(Ⅶ)的浓度为C₂，其中C₂等于：

根据Mn元素质量守恒定律，算出Mn(Ⅱ)的浓度C₃：

C₃＝C₂-C₀

S5.总锰含量和各价态锰离子的含量分布计算。总锰的含量C₄等于：

C₄＝C₀+C₁+C₃

不同价态的锰的含量分布：

按照上述步骤S1～S5测定实验室配制的含Mn(Ⅱ)、Mn(Ⅲ)和Mn(Ⅳ)的水样，同时还采用利用X射线荧光光谱法(XPS)检测相同的水样，以对比测定结果。结果如下表1所示。

表1实验配水样中不同价态锰离子的浓度和含量分布测定结果

从表1可知，采用实施例1的装置测定水样中的Mn(Ⅱ)、Mn(Ⅲ)和Mn(Ⅳ) 浓度，其测定结果与现有的可精确不同价态锰离子的XPS测定的结果以及水样标准浓度都非常接近，表明本实用新型的装置能有效、精确地测定水体中不同价态锰离子的浓度和含量分布。

应用例

本应用例取某实际水体原水作为水样，采用实施例1的装置测定水样中的 Mn(Ⅱ)、Mn(Ⅲ)和Mn(Ⅳ)浓度，同时还采用利用X射线荧光光谱法(XPS)检测相同的水样，以对比测定结果。结果如下表2所示。

表2实际水体中不同价态锰离子的浓度和含量分布测定结果

从表2可知，采用实施例1的装置测定实际水样中的Mn(Ⅱ)、Mn(Ⅲ)和Mn(Ⅳ) 浓度，其测定结果与现有的可精确不同价态锰离子的XPS测定的结果非常接近，表明本实用新型的装置能有效、精确地测定水体中不同价态锰离子的浓度和含量分布。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水中锰离子浓度测定装置，其特征在于，包括：

用于容纳水样的容器(1)；

用于分配水样的分配件(2)；

用于将水中的四价锰过滤掉的第一过滤件(3)；

用于将水中的四价锰过滤掉的第二过滤件(4)；

用于将水中的二价锰和三价锰氧化为七价锰的反应器(5)；

用于测量吸光度的紫外分析模块(6)；

所述分配件(2)设有第一出液口、第二出液口和第三出液口；

所述紫外分析模块(6)设有第一进液口、第二进液口和第三进液口；

所述容器(1)的内腔与分配件(2)连通；所述第一出液口与第一进液口连通；所述第二出液口、第一过滤件(3)和第二进液口依次连通；所述第三出液口、第二过滤件(4)、反应器(5)和第三进液口依次连通。

2.根据权利要求1所述水中锰离子浓度测定装置，其特征在于，所述容器(1)设有可加入焦磷酸钠的第一投样口。

3.根据权利要求1所述水中锰离子浓度测定装置，其特征在于，所述第一过滤件(3)的过滤孔的直径为0.2～0.4μm；所述第二过滤件(4)的过滤孔的直径为0.2～0.4μm。

4.根据权利要求1所述水中锰离子浓度测定装置，其特征在于，所述反应器(5)设有可通入臭氧的进气口。

5.根据权利要求4所述水中锰离子浓度测定装置，其特征在于，还包括臭氧发生器(7)，所述臭氧发生器(7)的出气口与反应器(5)的进气口连通。

6.根据权利要求4所述水中锰离子浓度测定装置，其特征在于，所述反应器(5)的内部还设有可实现臭氧和水样混合均匀的混合件。

7.根据权利要求1所述水中锰离子浓度测定装置，其特征在于，所述反应器(5)与第三进液口之间还设有第三过滤件(8)。

8.根据权利要求1所述水中锰离子浓度测定装置，其特征在于，所述紫外分析模块(6)包括测量区(63)和可容纳待测液的进样区(62)，所述测量区(63)和进样区连通(62)。

9.根据权利要求8所述水中锰离子浓度测定装置，其特征在于，所述测量区(63)设有紫外分光光度计。

10.根据权利要求8所述水中锰离子浓度测定装置，其特征在于，所述紫外分析模块(6)设有可加入ABTS显色剂、水或pH＝2～5的缓冲液的第二投样口(61)，所述第二投样口(61)与进样区(62)连通。

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