JP2010513874A - Improved water quality analysis - Google Patents

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チャオ,フイジュン
チャン,シャンチン
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アクア・ダイアグノスティック・プロプライエタリー・リミテッド
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    • G01N27/30Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells

Abstract

プローブ構成に有用な、水試料の化学的酸素要求量(COD)の測定法は、a)光活性作用電極、所望により参照電極及び対電極を有し、支持電解質溶液を含有する光電気化学セルに一定の電位バイアスをかけるステップと;b)作用電極を光源を用いて照射し、作用電極で支持電解質溶液から生じたバックグラウンド光電流を記録するステップと;c)分析される水試料を光電気化学セルに加えるステップと;d)作用電極を光源を用いて照射し、試料で生じた定常光電流を記録するステップと;e)水試料の化学的酸素要求量を、式(I)[式中、δはネルンスト拡散層厚、Dは拡散係数、Aは電極面積、Fはファラデー定数、及びissは定常光電流である]を用いて決定するステップとを含む。該方法は広範囲の光強度及びpHに対応可能である。
【選択図】図1
A method for measuring chemical oxygen demand (COD) of a water sample useful for probe construction includes: a) a photoelectrochemical cell having a photoactive working electrode, optionally a reference electrode and a counter electrode, and containing a supporting electrolyte solution B) irradiating the working electrode with a light source and recording the background photocurrent generated from the supporting electrolyte solution at the working electrode; c) light the water sample to be analyzed Applying to the electrochemical cell; d) irradiating the working electrode with a light source and recording the steady state photocurrent generated in the sample; e) the chemical oxygen demand of the water sample is represented by the formula (I) [ wherein, [delta] is the Nernst diffusion layer thickness, D is the diffusion coefficient, a is the electrode area, F is the Faraday constant, and i ss includes determining with a stationary light current. The method can accommodate a wide range of light intensity and pH.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、光電気化学セルを用いて水の酸素要求量を測定するための新規な方法に関する。特に、本発明は、二酸化チタンナノ粒子半導体電極を用いて水試料の化学的酸素要求量を測定する改良された直接光電気化学的方法に関する。これは特にプローブ構成における使用に適している。   The present invention relates to a novel method for measuring the oxygen demand of water using a photoelectrochemical cell. In particular, the present invention relates to an improved direct photoelectrochemical method for measuring chemical oxygen demand of a water sample using a titanium dioxide nanoparticle semiconductor electrode. This is particularly suitable for use in probe configurations.

ほぼすべての生活廃水及び産業廃水は有機化合物を含有しているので、そうした廃水が放出される水路において有害な酸素枯渇(又は要求)が起こりうる。この要求は主に、有機物を食物源として利用する天然微生物による有機化合物の酸化的生分解に起因するものである。このプロセスにおいて、有機炭素は酸化されて二酸化炭素になるが、酸素は消費及び還元されて水になる。   Since almost all domestic and industrial wastewater contains organic compounds, harmful oxygen depletion (or demand) can occur in waterways from which such wastewater is released. This requirement is mainly due to the oxidative biodegradation of organic compounds by natural microorganisms that use organic matter as a food source. In this process, organic carbon is oxidized to carbon dioxide, while oxygen is consumed and reduced to water.

光電気化学的分解原理に基づく酸素要求量アッセイはWO2004088305の特許明細書に開示されているが、該特許における測定は完全分解原理(exhaustive degradation principles)に基づくものであった。   An oxygen demand assay based on photoelectrochemical degradation principles is disclosed in the patent specification of WO2004088305, but the measurements in that patent were based on exhaustive degradation principles.

本発明の目的は、限定(部分)分解原理(non-exhaustive degradation principles)に基づく分析計を開発することである。本発明の別の目的は、プローブ型COD分析計を開発することである。   The object of the present invention is to develop an analyzer based on limited (partial) non-exhaustive degradation principles. Another object of the present invention is to develop a probe-type COD analyzer.

この目的を達成するために、本発明は水試料の化学的酸素要求量(COD)を測定する方法を提供し、該方法は、
a)光活性作用電極及び対電極を有し、支持電解質溶液を含有する光電気化学セルに、一定の電位バイアスをかけるステップと;
b)作用電極を光源を用いて照射し、作用電極で支持電解質溶液から生じたバックグラウンド光電流を記録するステップと;
c)分析される水試料を光電気化学セルに加えるステップと;
d)作用電極を光源を用いて照射し、試料で生じた定常光電流を記録するステップと;
e)水試料の化学的酸素要求量を、式:
To achieve this objective, the present invention provides a method for measuring the chemical oxygen demand (COD) of a water sample, the method comprising:
a) applying a constant potential bias to a photoelectrochemical cell having a photoactive working electrode and a counter electrode and containing a supporting electrolyte solution;
b) illuminating the working electrode with a light source and recording the background photocurrent generated from the supporting electrolyte solution at the working electrode;
c) adding a water sample to be analyzed to the photoelectrochemical cell;
d) illuminating the working electrode with a light source and recording the steady state photocurrent generated in the sample;
e) The chemical oxygen demand of the water sample is given by the formula:

Figure 2010513874
Figure 2010513874

[式中、δはネルンスト拡散層厚、Dは拡散係数、Aは電極面積、Fはファラデー定数、及びissは定常光電流である]を用いて決定するステップと
を含む。
Wherein, [delta] is the Nernst diffusion layer thickness, D is the diffusion coefficient, A is the electrode area, F is the Faraday constant, and i ss is the steady-state photocurrent] and determining using.

光電極に対する光の強度は機器の直線範囲に影響を及ぼす。しかしながら、光強度をあまりにも高い値に増大させると、光源又は電極の光腐食のいずれかが原因で機器の安定性の問題を招くことがある。好適な光強度は3〜10W/cmの範囲内で、6〜7W/cmの値が好適である。 The intensity of light on the photoelectrode affects the linear range of the instrument. However, increasing the light intensity to a too high value may lead to equipment stability problems due to either light source or electrode photo-corrosion. Suitable light intensity in the range of 3~10W / cm 2, the value of 6~7W / cm 2 is preferred.

溶液のpHも信号に影響を及ぼすので、運転pHは3〜10の範囲が好適である。   Since the pH of the solution also affects the signal, the operating pH is preferably in the range of 3-10.

作用電極はUV光への暴露によって再生できるので、有用な作用寿命を有している。対電極のほかに、参照電極も使用するのが好適である。   Since the working electrode can be regenerated by exposure to UV light, it has a useful working life. In addition to the counter electrode, a reference electrode is also preferably used.

本発明の方法は、水試料を野外で不連続ベースで試験するためのプローブとして構成された分析計に特に適切である。   The method of the present invention is particularly suitable for analyzers configured as probes for testing water samples in the field on a discontinuous basis.

別の側面において、本発明は水質を測定するためのプローブを提供し、該プローブは、
a)光活性作用電極、対電極及び所望により参照電極を有する電気化学セルと
b)支持電解質溶液室と
c)作用電極を照射する光源と
d)セルに一定体積の試料を供給するための試料採集手段と
e)制御手段であって、
i)光源を作動し、作用電極で支持電解質溶液から生じたバックグラウンド光電流を記録するため;
ii)分析される水試料を光電気化学セルに加えるため;
iii)光源を作動し、試料で生じた定常光電流を記録するため;
iv)水試料の化学的酸素要求量を、式:
In another aspect, the present invention provides a probe for measuring water quality, the probe comprising:
a) an electrochemical cell having a photoactive working electrode, a counter electrode and optionally a reference electrode; b) a supporting electrolyte solution chamber; c) a light source for irradiating the working electrode; Collection means and e) control means,
i) To activate the light source and record the background photocurrent generated from the supporting electrolyte solution at the working electrode;
ii) to add the water sample to be analyzed to the photoelectrochemical cell;
iii) to activate the light source and record the steady photocurrent generated in the sample;
iv) The chemical oxygen demand of the water sample is given by the formula:

Figure 2010513874
Figure 2010513874

[式中、δはネルンスト拡散層厚、Dは拡散係数、Aは電極面積、Fはファラデー定数、及びissは定常光電流である]を用いて決定するための制御手段と
を含む。
[Wherein δ is the Nernst diffusion layer thickness, D is the diffusion coefficient, A is the electrode area, F is the Faraday constant, and iss is the steady photocurrent].

図1は、本発明で使用される光電気化学セルの概略図を示す。FIG. 1 shows a schematic diagram of a photoelectrochemical cell used in the present invention. 図2は、0.1MのNaClOブランク溶液の典型的な光電流応答のグラフを示す。FIG. 2 shows a typical photocurrent response graph of a 0.1 M NaClO 4 blank solution. 図3Aは、正味定常電流(iss)と有機化合物のモル濃度間の定量的関係を示す。FIG. 3A shows the quantitative relationship between net steady-state current (i ss ) and the molar concentration of the organic compound. 図3Bは、正味定常電流(単位mA)とnFADC間の定量的関係を示す。FIG. 3B shows the quantitative relationship between net steady state current (in mA) and nFADC. 図4Aは、KHP溶液の理論的COD値に対する理論的及び実験的issのプロットを示す。Figure 4A shows a plot of theoretical and experimental i ss against the theoretical COD value of KHP solution. 図4Bは、KHP及びGGA溶液の理論的COD値に対する実験的issのプロットを示す。Figure 4B shows a plot of experimental i ss against the theoretical COD value of KHP and GGA solution. 図5Aは、異なるUV光強度下におけるグルコースの光電気化学的酸化を示す。FIG. 5A shows the photoelectrochemical oxidation of glucose under different UV light intensities. 図5Bは、それぞれ0.2mMグルコース及びそのブランク溶液の光電気化学的酸化によるiss(σ)及びiblank(o)に及ぼす電位の影響を示す。FIG. 5B shows the effect of potential on i ss (σ) and i blank (o) by photoelectrochemical oxidation of 0.2 mM glucose and its blank solution, respectively. 図5Cは、それぞれ0.2mMグルコース及びそのブランク溶液の光電気化学的酸化によるiss(σ)及びiblank(o)に及ぼすpHの影響を示す。FIG. 5C shows the effect of pH on i ss (σ) and i blank (o) by photoelectrochemical oxidation of 0.2 mM glucose and its blank solution, respectively. 図6は、ベーカリーからの廃水の測定のための典型的なGGA標準添加を示す。FIG. 6 shows a typical GGA standard addition for measuring wastewater from a bakery. 図7は、実試料測定についてのPECODと標準二クロム酸塩COD法との間の相関を示す。FIG. 7 shows the correlation between PECOD and standard dichromate COD method for real sample measurements.

材料及び試料調製:酸化インジウムスズ(ITO)導電性スライドガラス(8Ω/スクエア)はDelta Technologies Limitedより市販されていた。チタンブトキシド(97%、Aldrich)及び硝酸ナトリウムはAldrichから購入し、更なる処理をせずに使用した。その他すべての化学薬品は分析グレードのものであり、特に明記しない限りAldrichから購入した。溶液の調製及び実廃水試料の希釈には高純度脱イオン水(Millipore Corp.,18MΩcm)を使用した。   Materials and Sample Preparation: Indium tin oxide (ITO) conductive glass slides (8Ω / square) were commercially available from Delta Technologies Limited. Titanium butoxide (97%, Aldrich) and sodium nitrate were purchased from Aldrich and used without further processing. All other chemicals were analytical grade and were purchased from Aldrich unless otherwise stated. High purity deionized water (Millipore Corp., 18 MΩcm) was used to prepare the solution and dilute the actual wastewater sample.

本研究で使用した実試料は、オーストラリアのクイーンズランド州内の各種工業基地、例えば、廃水処理プラント、製糖所、醸造所、缶詰製造所及び乳製品製造工場から採集した。全試料とも標準法のガイドラインに従って保存された。必要な場合、試料は分析前に適切な濃度に希釈された。希釈後、同じ試料を標準COD法と光電気化学的COD検出器の両方による分析に供した。光電気化学的測定用の試料には0.1Mに相当するNaClO固体を支持電解質として添加した。 The actual samples used in this study were collected from various industrial bases in Queensland, Australia, such as wastewater treatment plants, sugar mills, breweries, canning and dairy manufacturing plants. All samples were stored according to standard method guidelines. If necessary, samples were diluted to the appropriate concentration before analysis. After dilution, the same sample was subjected to analysis by both a standard COD method and a photoelectrochemical COD detector. A NaClO 4 solid corresponding to 0.1 M was added as a supporting electrolyte to the sample for photoelectrochemical measurement.

TiO薄膜電極の製造:本出願人の先行特許出願WO2004088305に記載の通り。 Manufacture of TiO 2 thin film electrodes: as described in the applicant's prior patent application WO2004088305.

装置及び方法
すべての光電気化学実験は、照射用窓付きの3電極電気化学セル中、23℃で実施した(図1参照)。飽和Ag/AgCl電極及び白金メッシュをそれぞれ参照及び補助電極として使用した。ボルタモグラフ(CV−27,BAS)を用いて光電気分解実験の電位バイアスをかけた。電位及び電流の信号は、Maclab 400 インターフェース(AD Instruments)に接続されたコンピュータを用いて記録した。照射は、集束レンズ付き150Wキセノンアーク灯光源(HF−200w−95,Beijing Optical Instruments)を用いて実施した。試料溶液が赤外光で加熱されるのを防止するために、光線はUV帯域通過フィルター、すなわちUG5(Avotronics Pty.Limited)を通過させてから電極表面の照射を行った。全試料の標準COD値(二クロム酸塩法)は、COD分析計(NOVA 30,Merck)を用いて測定した。酸素依存実験中、酸素濃度は酸素電極(YSI)及び90 FLMV Microprocessor Field Analyser(T.P.S.Pty.Ltdより)でモニターした。
Apparatus and Methods All photoelectrochemical experiments were performed at 23 ° C. in a three-electrode electrochemical cell with an irradiation window (see FIG. 1). A saturated Ag / AgCl electrode and a platinum mesh were used as reference and auxiliary electrodes, respectively. The potential bias of the photoelectrolysis experiment was applied using a voltammograph (CV-27, BAS). Potential and current signals were recorded using a computer connected to the Maclab 400 interface (AD Instruments). Irradiation was performed using a 150 W xenon arc lamp light source with a focusing lens (HF-200w-95, Beijing Optical Instruments). In order to prevent the sample solution from being heated by infrared light, the light was passed through a UV band-pass filter, that is, UG5 (Avotronics Pty. Limited), and then the electrode surface was irradiated. Standard COD values (dichromate method) for all samples were measured using a COD analyzer (NOVA 30, Merck). During the oxygen dependence experiment, oxygen concentration was monitored with an oxygen electrode (YSI) and 90 FLMV Microprocessor Field Analyzer (from TPS Pty. Ltd).

分析信号の測定
図2A及びBは、光電気化学セル中、有機化合物の存在下及び不在下で得られた典型的な一組の光電流−時間プロフィールを示す。+0.30Vの一定印加電位下、消灯されている場合の暗電流はほぼゼロであった。照射すると、電流は急速に増加した後、定常値に減衰した。ブランクの場合(点線)、光電流(iblnak)は主に水の酸化に由来するが、有機物を含有する試料溶液から観察された光電流(itotal)(実線)は、二つの電流成分の合計となる。一つは水の酸化に由来するものでブランク光電流(iblnak)と同一であり、もう一つは有機化合物の光電極触媒酸化に由来するものであった。
Analytical Signal Measurements FIGS. 2A and B show a typical set of photocurrent-time profiles obtained in a photoelectrochemical cell in the presence and absence of organic compounds. When the light was extinguished under a constant applied potential of +0.30 V, the dark current was almost zero. Upon irradiation, the current increased rapidly and then decayed to a steady value. In the case of the blank (dotted line), the photocurrent (i blnak ) mainly originates from the oxidation of water, but the photocurrent (i total ) (solid line) observed from the sample solution containing organic matter is the two current components. Total. One was derived from the oxidation of water and was identical to the blank photocurrent (i blnak ), and the other was derived from the photoelectrocatalytic oxidation of organic compounds.

電流iss、すなわち有機物の酸化に由来する拡散限界電流は、有機化合物の存在下における全光電流から有機化合物不在下におけるブランクの光電流(iblnak)を引くことによって求められる(図1.2参照)。 The current i ss , ie, the diffusion limit current resulting from the oxidation of organic matter, is determined by subtracting the blank photocurrent (i blnak ) in the absence of organic compound from the total photocurrent in the presence of organic compound (FIG. 1.2). reference).

Figure 2010513874
Figure 2010513874

TiO電極表面に輸送されたすべての有機物は無差別及び完全に酸化されることが証明されている。従って、正味電流(iss)は電子移動速度(単位時間あたりに移動する電子数)に正比例する。CODは有機化合物の完全酸化に要する酸素の量と定義されるので、正味電流(iss)を用いれば試料のCOD値を定量することができる。 It has been proven that all organics transported to the TiO 2 electrode surface are indiscriminately and fully oxidized. Accordingly, the net current (i ss ) is directly proportional to the electron moving speed (the number of electrons moving per unit time). Since COD is defined as the amount of oxygen required for complete oxidation of an organic compound, the COD value of the sample can be quantified using the net current (i ss ).

分析信号の定量化
限定的(non-exhaustive)な光触媒酸化モデル下では、試料のissとCOD間の定量的関係は次の仮定に従って展開される。(i)バルク溶液濃度は実験(限定的分解)の前後で本質的に一定のままである;(ii)電極表面の全有機化合物はそれらの最高の酸化状態に化学量論的に酸化される(完全酸化);(iii)総括光触媒酸化速度は電極表面への有機物の輸送によって制御され、合理的な時間枠内に定常状態に到達できる(定常状態物質移動律速プロセス(steady-state mass transfer limited process));(iv)印加された電位バイアスは有機物の光触媒酸化から発生するすべての光電子を除去するのに十分である(100%光電子収集効率)。
Quantification of Analytical Signal Under a non-exhaustive photocatalytic oxidation model, the quantitative relationship between the sample's iss and COD is developed according to the following assumptions. (I) Bulk solution concentration remains essentially constant before and after the experiment (limited decomposition); (ii) All organic compounds on the electrode surface are stoichiometrically oxidized to their highest oxidation state (Complete oxidation); (iii) Overall photocatalytic oxidation rate is controlled by the transport of organic matter to the electrode surface and can reach a steady state within a reasonable time frame (steady-state mass transfer limited process) process)); (iv) The applied potential bias is sufficient to remove all photoelectrons generated from the photocatalytic oxidation of organics (100% photoelectron collection efficiency).

電極への定常状態物質移動速度(dN/dt)は、周知の定常状態物質移動モデルの半実験的処理によって与えられる。   The steady state mass transfer rate (dN / dt) to the electrode is given by a semi-empirical process of a well-known steady state mass transfer model.

Figure 2010513874
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式中、C及びCは、それぞれバルク溶液中及び電極表面における被分析物の濃度を表す。D及びδは、それぞれ拡散係数及びネルンスト拡散層厚である。 In the formula, C b and C s represent analyte concentrations in the bulk solution and on the electrode surface, respectively. D and δ are the diffusion coefficient and the Nernst diffusion layer thickness, respectively.

定常状態物質移動律速条件下(仮定(iii))では、総括反応速度は、   Under steady state mass transfer limited conditions (assuming (iii)), the overall reaction rate is

Figure 2010513874
Figure 2010513874

に等しい。 be equivalent to.

仮定(ii)及び(iv)に従って、光電気化学的分解中に移動する電子数(n)は所定の被分析物について定数であるので、定常光電流(iss)は反応速度を表すのに使用することができる。 According to assumptions (ii) and (iv), the number of electrons transferred during photoelectrochemical decomposition (n) is constant for a given analyte, so that steady photocurrent (i ss ) represents the reaction rate. Can be used.

Figure 2010513874
Figure 2010513874

式中、A及びFは、それぞれ電極面積及びファラデー定数である。 In the formula, A and F are an electrode area and a Faraday constant, respectively.

等式1.4は、定常光電流と被分析物の濃度との間の定量的関係を定義している。モル濃度を等価のCOD濃度(mg/L O)に変換すると、 Equation 1.4 defines a quantitative relationship between steady state photocurrent and analyte concentration. When the molar concentration is converted to an equivalent COD concentration (mg / L 2 O 2 ),

Figure 2010513874
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となる。 It becomes.

等式1.5bは、単一の有機化合物を含有する試料中のCODの決定に有効である。二つ以上の有機種を含有する試料のCODは、   Equation 1.5b is useful for determining COD in a sample containing a single organic compound. The COD of a sample containing two or more organic species is

Figure 2010513874
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と表すことができる。式中、 It can be expressed as. Where

Figure 2010513874
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は集団的ネルンスト拡散層厚で、拡散制御条件下で定数であり有機物の種類に無関係であることがわかっている。 Is the collective Nernst diffusion layer thickness, which is constant under diffusion control conditions and is known to be independent of the type of organic matter.

Figure 2010513874
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は試料の組成に依存する複合拡散係数で、所定の試料について定数である。 Is a complex diffusion coefficient that depends on the composition of the sample and is a constant for a given sample.

分析原理の実証
図3Aは、有機化合物のモル濃度に対する定常光電流のプロットを示す。等式1.5から予測されるようにissとCとの間の直線関係は、調べた全化合物について得られた。図3Aのデータをさらに処理すると図3Bが得られる。図3Bの全データは、傾き=0.0531及びR=0.995の一つの線形曲線に適合することに注意する。曲線の傾きはδ−1に等しいので、これらの実験条件下で、停留(stagnant)拡散層厚(δ=1.86×10−3cm)が存在すること、そしてこれは有機化合物の濃度及び種類に無関係であるということが結論付けられる。この知見は、等式1.5によって与えられる理論的傾きは図1.3aの各化合物の曲線の傾きを表すということも裏付けている。実際、上記四つの仮定すべてが認められなければ、図3Bの直線は得られなかっただろう。
Proof of Analysis Principle FIG. 3A shows a plot of steady state photocurrent versus molar concentration of organic compound. Linear relationship between the i ss and C as predicted from Equation 1.5 was obtained for all compounds tested. Further processing of the data of FIG. 3A yields FIG. 3B. Note that all data in FIG. 3B fits one linear curve with slope = 0.0531 and R 2 = 0.995. Since the slope of the curve is equal to δ −1 , under these experimental conditions there is a stagnant diffusion layer thickness (δ = 1.86 × 10 −3 cm) and this is the concentration of the organic compound and It can be concluded that it is irrelevant to the type. This finding also supports that the theoretical slope given by Equation 1.5 represents the slope of the curve for each compound in Figure 1.3a. In fact, the straight line in FIG. 3B would not have been obtained if all four assumptions were not accepted.

理論的には、等式1.6は等式1.4に必要とされるのと同じ条件下で有効なはずである。従って図4A及び4Bに、標準COD法の試験化合物であるKHPを用いて調製された合成試料の理論的COD値([COD]theoretical)に対するissのプロットを示す。等式1.5から予測されるように、issと[COD]theoreticalとの間に直線関係が得られた。得られた実験曲線の傾きは2.8×10−3mA(mg/L O−1で、R=0.9985であった。等式1.5から計算された理論的曲線(実線)も図4Aに比較のために示した。n=30e、D=6.96×10−3cm−1[ref]及びδ=1.86×10−3cmを用いた場合、等式1.5に従って計算された理論的傾きは2.9×10−3mA(mg/L O−1であった。これらのほぼ同一の理論的及び実験的傾きは、CODの決定に等式1.5が適用可能であることを証明している。 Theoretically, equation 1.6 should be valid under the same conditions as required for equation 1.4. Thus in FIGS. 4A and 4B, shows a plot of i ss against the theoretical COD value of the composite sample prepared using a test compound standard COD method KHP ([COD] theoretical). As expected from Equation 1.5, a linear relationship between the i ss and [COD] Theoretical were obtained. The slope of the obtained experimental curve was 2.8 × 10 −3 mA (mg / L O 2 ) −1 and R 2 = 0.9985. The theoretical curve (solid line) calculated from Equation 1.5 is also shown in FIG. 4A for comparison. The theoretical slope calculated according to Equation 1.5 when n = 30e , D = 6.96 × 10 −3 cm 2 s −1 [ref] and δ = 1.86 × 10 −3 cm. Was 2.9 × 10 −3 mA (mg / L 2 O 2 ) −1 . These nearly identical theoretical and experimental slopes prove that Equation 1.5 is applicable to the determination of COD.

等式1.6の適用可能性はGGA合成試料を用いて検討した。GGA合成試料はグルコースとグルタミン酸の混合物で、通常BOD分析の標準試験溶液として使用されている。等式1.6から予測されるように、定常光電流issは試料の[COD]に正比例している(図1.4b参照)。しかしながら、等式1.6を実試料に適用するには、複合拡散係数: The applicability of Equation 1.6 was examined using GGA synthesized samples. The GGA synthesis sample is a mixture of glucose and glutamic acid and is usually used as a standard test solution for BOD analysis. As expected from Equation 1.6, the constant photocurrent i ss is directly proportional to [COD] of the sample (see Fig. 1.4b). However, to apply Equation 1.6 to a real sample, the complex diffusion coefficient:

Figure 2010513874
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が不明なので較正が必要である。他の分析と異なり、COD分析のための較正標準の定義はCODが集合量なので難しい。実際、COD較正標準は実験的手段によって選択するしかない。選択された較正標準は二つの本質的基準を満足すべきである。すなわち、(i)較正標準は原試料と等価の Is unknown and needs to be calibrated. Unlike other analyses, defining a calibration standard for COD analysis is difficult because COD is a collective quantity. In fact, the COD calibration standard can only be selected by experimental means. The chosen calibration standard should satisfy two essential criteria. (I) the calibration standard is equivalent to the original sample

Figure 2010513874
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値を持つべきであること、(ii)完全酸化できること、の2点である。これらの基準は、添加された較正標準は原試料と同じ傾きに従う定常光電流の変化を起こすという実験的観察を反映している。 Two points are that it should have a value and (ii) it can be completely oxidized. These criteria reflect the experimental observation that the added calibration standard causes a steady-state photocurrent change that follows the same slope as the original sample.

分析信号の最適化
定常光電流に及ぼす光強度の影響を調査した(図5A参照)。注目すべきは光強度の変化が直線範囲に劇的な影響を及ぼしていることである。光強度の増加は直線範囲の増加をもたらす。直線関係からのissの逸脱は、光触媒酸化速度が電極への物質移動速度より遅いことに関連する。光強度の増加は光正孔(photohole)生成速度の増加をもたらすため、実際、光触媒酸化速度が増大する。すなわち、光強度が高ければ、物質移動制御条件下、より高い濃度でも全体的なプロセスを維持できる。そこで、広い直線範囲と良好な運転条件を提供するために、比較的低い(しかし十分な)光強度(6.6mW/cm)が採用された。
Analysis signal optimization The effect of light intensity on steady state photocurrent was investigated (see FIG. 5A). It should be noted that changes in light intensity have a dramatic effect on the linear range. An increase in light intensity results in an increase in the linear range. The deviation of i ss from the linear relationship is related to the photocatalytic oxidation rate being slower than the mass transfer rate to the electrode. In fact, the photocatalytic oxidation rate increases because the increase in light intensity results in an increase in the photohole generation rate. That is, if the light intensity is high, the overall process can be maintained even at higher concentrations under controlled mass transfer conditions. Therefore, a relatively low (but sufficient) light intensity (6.6 mW / cm 2 ) was employed to provide a wide linear range and good operating conditions.

粒子TiO半導体電極の場合、印加された電位バイアスは、界面光触媒反応によって供された電子を収集する機能を果たす。100%光電子収集効率(仮定(iv)−分析信号の定量化の項参照)は、印加電位バイアスが十分な場合にのみ達成できる。図5Bに電位バイアスがiss及びiblankに及ぼす影響を示す。iss及びiblankとも、印加電位バイアスが−0.05V対Ag/AgClより正の場合に一定になり、100%光電子収集効率を示すことが明らかである。選択された電位バイアスが様々な条件下で適用可能であることを保証し、同時に直接的な電気化学反応を防止するために、+0.30V対Ag/AgClという標準電位バイアスが選択された。 In the case of a particulate TiO 2 semiconductor electrode, the applied potential bias serves to collect electrons provided by the interfacial photocatalytic reaction. 100% photoelectron collection efficiency (see Assumption (iv)-Analytical Signal Quantification section) can only be achieved if the applied potential bias is sufficient. It shows the effect of potential bias on the i ss and i blank in Figure 5B. It is clear that both i ss and i blank are constant when the applied potential bias is more positive than −0.05 V vs. Ag / AgCl and show 100% photoelectron collection efficiency. A standard potential bias of +0.30 V vs. Ag / AgCl was chosen to ensure that the selected potential bias was applicable under various conditions while at the same time preventing direct electrochemical reactions.

溶液のpHはTiO半導体のフラットバンド電位及び帯端電位にネルンスト様式で影響を及ぼすことは良く知られている。溶液のpHは、半導体電極の表面官能基及び溶液中の有機化合物の化学形態のスペシエーション(speciation)にも影響を及ぼす。これらのpH依存因子は分析信号に影響を及ぼしうる。図5Cに、pHがiss及びiblankに及ぼす影響を示す。pH2〜3の範囲内でiss及びiblankはどちらも溶液のpHの上昇に伴ってわずかに増加した。pH3〜10の範囲内ではiss及びiblankとも溶液のpH変化に無反応であった。溶液のpHが10を超えると、観察されたissはpH変化に対して比較的無反応であったが、iblankは溶液のpHに伴って急激な増加が観察された。これは高pHで水の酸化速度が大きく増強されたためである。溶液のpHに対するiblankの感受性はissの正確な測定に問題を起こしかねない。従って、3〜10の溶液pH範囲が好ましい。このpH範囲は、大部分の環境試料(pH3〜10)に適切であり、pH調整の必要なしに使用できる。 It is well known that the pH of the solution affects the flat band potential and the band edge potential of the TiO 2 semiconductor in a Nernst manner. The pH of the solution also affects the speciation of the surface functional groups of the semiconductor electrode and the chemical form of the organic compound in the solution. These pH dependent factors can affect the analytical signal. Figure 5C, shows the effect of pH is on i ss and i blank. Within the pH range 2-3, both i ss and i blank both increased slightly with increasing pH of the solution. Within the range of pH 3 to 10, both i ss and i blank were unresponsive to the pH change of the solution. When the pH of the solution exceeded 10, the observed i ss was relatively insensitive to pH change, whereas i blank was observed to increase rapidly with the pH of the solution. This is because the oxidation rate of water is greatly enhanced at high pH. I blank sensitivity to the pH of the solution that could cause problems in accurate measurement of i ss. Therefore, a solution pH range of 3-10 is preferred. This pH range is appropriate for most environmental samples (pH 3-10) and can be used without the need for pH adjustment.

実試料分析
実試料の分析を実施した。これらの実試料は各種工業基地から採集された。本書で試験された実試料のpHは6〜8の範囲内、すなわちpH非依存領域内であった。非常に高いCOD試料を分析する場合、NaClO又はNaNO溶液で希釈すると通常はpHを5〜8の範囲及びO濃度を5〜9.5mgL−1の範囲に持って行くことができる。何らかのマトリックスの影響を最小限にするために、必要であれば実試料のCOD値の光電気化学的測定に標準添加法を用いることができる。そうすると較正及び測定中、
Real sample analysis Real sample analysis was performed. These actual samples were collected from various industrial bases. The pH of the actual samples tested here was in the range of 6-8, ie in the pH independent region. When analyzing very high COD samples, dilution with NaClO 4 or NaNO 3 solution can usually bring the pH in the range of 5-8 and the O 2 concentration in the range of 5-9.5 mg L −1 . In order to minimize the influence of any matrix, standard addition methods can be used for photoelectrochemical measurement of COD values of real samples if necessary. Then during calibration and measurement,

Figure 2010513874
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値が一定かつ一貫していることも保証される。図6に示された結果は、等式1.6が実試料のCOD値決定に使用できることを裏付けている。 It is also guaranteed that the value is constant and consistent. The results shown in FIG. 6 confirm that Equation 1.6 can be used to determine the COD value of a real sample.

図7は実験COD値と標準COD値との間の相関を示す。標準COD値は従来型COD法(二クロム酸塩法)を用いて測定された。有効な場合、光電気化学的COD法及び従来型COD法から得られた値間の関連性の強さの尺度としてピアソン相関係数を使用した。二つの方法の間には非常に有意な相関(r=0.988、P=0.000、n=18)が得られ、二つの方法が非常によく一致することを示している。グラフの傾きは1.02であった。この1に近い傾きは、二つの方法が同じCOD値を正確に測定していることを示す。95%信頼区間とすると、この傾きは0.96〜1.11であった。つまり真の傾きはこれら二つの値の間にあるという95%の信頼水準を意味する。光電気化学的CODにも標準法の測定にも付随する分析誤差があること、及びこれらの誤差は両軸における分散に寄与していることを考慮すると、得られた強固な相関と傾きは、化学的酸素要求量の測定に対して光電気化学的COD法が適切であることを強く裏付けている。   FIG. 7 shows the correlation between experimental and standard COD values. Standard COD values were measured using a conventional COD method (dichromate method). When valid, the Pearson correlation coefficient was used as a measure of the strength of association between values obtained from the photoelectrochemical COD method and the conventional COD method. A very significant correlation (r = 0.888, P = 0.000, n = 18) was obtained between the two methods, indicating that the two methods agree very well. The slope of the graph was 1.02. This slope close to 1 indicates that the two methods are accurately measuring the same COD value. Assuming a 95% confidence interval, this slope was 0.96 to 1.11. In other words, a true slope means a 95% confidence level between these two values. Considering that there are analytical errors associated with both photoelectrochemical COD and standard method measurements, and that these errors contribute to dispersion in both axes, the strong correlation and slope obtained are This strongly supports the suitability of the photoelectrochemical COD method for measuring chemical oxygen demand.

上記の最適化された実験条件下で、検出限界0.8mgL−1COD、直線範囲70mgL−1CODまで、というのが達成できることが分かった。検出範囲は前述のような適切な希釈によって拡大可能である。50μMのKHPの19の分析から、再現性2.2%RSDが得られた。 It has been found that, under the optimized experimental conditions described above, a detection limit of 0.8 mg L −1 COD and a linear range of 70 mg L −1 COD can be achieved. The detection range can be expanded by appropriate dilution as described above. A reproducibility of 2.2% RSD was obtained from 19 analyzes of 50 μM KHP.

上記内容から、本発明は、水試料の限定的COD分析の実施に使用するための改良された方法及びプローブを提供していることがわかる。   From the foregoing, it can be seen that the present invention provides improved methods and probes for use in performing limited COD analysis of water samples.

当業者であれば、本発明は、本発明の中心的教示から離れることなく、記載された以外の態様でも実施できることはわかるであろう。   Those skilled in the art will recognize that the present invention may be practiced in other ways than described without departing from the central teaching of the invention.

Claims (6)

水試料の化学的酸素要求量(COD)の測定法であって、
a)光活性作用電極及び対電極を有し、支持電解質溶液を含有する光電気化学セルに、一定の電位バイアスをかけるステップと;
b)作用電極を光源を用いて照射し、作用電極で支持電解質溶液から生じたバックグラウンド光電流を記録するステップと;
c)分析される水試料を光電気化学セルに加えるステップと;
d)作用電極を光源を用いて照射し、試料で生じた定常光電流を記録するステップと;
e)水試料の化学的酸素要求量を、式:
Figure 2010513874
[式中、δはネルンスト拡散層厚、Dは拡散係数、Aは電極面積、Fはファラデー定数、及びissは定常光電流である]を用いて決定するステップと
を含む方法。
A method for measuring chemical oxygen demand (COD) of a water sample, comprising:
a) applying a constant potential bias to a photoelectrochemical cell having a photoactive working electrode and a counter electrode and containing a supporting electrolyte solution;
b) illuminating the working electrode with a light source and recording the background photocurrent generated from the supporting electrolyte solution at the working electrode;
c) adding a water sample to be analyzed to the photoelectrochemical cell;
d) illuminating the working electrode with a light source and recording the steady state photocurrent generated in the sample;
e) The chemical oxygen demand of the water sample is given by the formula:
Figure 2010513874
Wherein δ is the Nernst diffusion layer thickness, D is the diffusion coefficient, A is the electrode area, F is the Faraday constant, and iss is the steady photocurrent.
水試料のpHが3〜10の範囲内である、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the pH of the water sample is in the range of 3-10. 光電極が二酸化チタンナノ粒子光電極である、請求項1、2又は3に記載の方法。   The method according to claim 1, 2 or 3, wherein the photoelectrode is a titanium dioxide nanoparticle photoelectrode. 水質を測定するためのプローブであって、
a)光活性作用電極及び対電極を含有する電気化学セルと
b)支持電解質溶液室と
c)作用電極を照射する光源と
d)セルに一定体積の試料を供給するための試料採集手段と
e)制御手段であって、
i)光源を作動し、作用電極で支持電解質溶液から生じたバックグラウンド光電流を記録するため;
ii)分析される水試料を光電気化学セルに加えるため;
iii)光源を作動し、試料で生じた定常光電流を記録するため;
iv)水試料の化学的酸素要求量を、式:
Figure 2010513874
[式中、δはネルンスト拡散層厚、Dは拡散係数、Aは電極面積、Fはファラデー定数、及びissは定常光電流である]を用いて決定するための制御手段と
を含むプローブ。
A probe for measuring water quality,
a) an electrochemical cell containing a photoactive working electrode and a counter electrode; b) a supporting electrolyte solution chamber; c) a light source for irradiating the working electrode; d) a sample collecting means for supplying a constant volume of sample to the cell; Control means,
i) To activate the light source and record the background photocurrent generated from the supporting electrolyte solution at the working electrode;
ii) to add the water sample to be analyzed to the photoelectrochemical cell;
iii) to activate the light source and record the steady photocurrent generated in the sample;
iv) The chemical oxygen demand of the water sample is given by the formula:
Figure 2010513874
And a control means for determining using the following formula: where δ is the Nernst diffusion layer thickness, D is the diffusion coefficient, A is the electrode area, F is the Faraday constant, and iss is the steady photocurrent.
光電極が二酸化チタンナノ粒子光電極である、請求項4に記載のプローブ。   The probe according to claim 4, wherein the photoelectrode is a titanium dioxide nanoparticle photoelectrode. 光強度が3〜10W/cmである、請求項4又は5に記載のプローブ。 Light intensity is 3~10W / cm 2, a probe according to claim 4 or 5.
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