對(duì)于當(dāng)今越來(lái)越復(fù)雜的水環(huán)境問(wèn)題,尤其是在突發(fā)性污染事件和非常態(tài)狀況下的水質(zhì)多參數(shù)應(yīng)急監(jiān)測(cè),在現(xiàn)場(chǎng)快速、準(zhǔn)確獲取多種水質(zhì)分析檢測(cè)數(shù)據(jù)顯得尤其重要。所以針對(duì)多功能系統(tǒng)的多參數(shù)水質(zhì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究,是目前水質(zhì)監(jiān)測(cè)科學(xué)的重要發(fā)展方向之一。美國(guó)的HACH公司、CHEM公司和意大利的HANNA公司等是在該技術(shù)領(lǐng)域較早開(kāi)展研發(fā)并形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模的主要廠商。

國(guó)內(nèi)從事多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀研發(fā)的單位,由于其研發(fā)時(shí)間較短、檢測(cè)儀的工藝設(shè)計(jì)基礎(chǔ)較薄弱,在系統(tǒng)集成和功能擴(kuò)展等關(guān)鍵性技術(shù)方面,急需進(jìn)一步提高和完善。為此,本文采用了SJ2000型多功能水質(zhì)速測(cè)儀,開(kāi)展了地表水和制漿廠廢水等環(huán)境實(shí)際水樣中的氰化物、氟化物、氨氮和硝酸鹽等指標(biāo)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè),以測(cè)試SJ2000 型多參數(shù)水質(zhì)檢測(cè)儀的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用情況。結(jié)果證實(shí),該類型多參數(shù)水質(zhì)檢測(cè)儀,由于選擇了高精度RGB色度傳感器,因而檢測(cè)結(jié)果穩(wěn)定性較好,能滿足水質(zhì)多參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)快速定量檢測(cè)的技術(shù)要求。可為水質(zhì)的現(xiàn)場(chǎng)、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的分析提供簡(jiǎn)單、快捷的檢測(cè)方法和手段,值得在基層大量推廣使用。

1.實(shí)驗(yàn)部分

1. 1主要儀器與試劑

SJ2000 型多功能水質(zhì)速測(cè)儀(18cm×8.3cm×4.6cm,320g(含電池);2500 型分光光度計(jì); SMA905 標(biāo)準(zhǔn)接口的光纖光源。

酸根離子標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液:F、CN、NH₄和NO₃(100mg/L)由其相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)品配制( 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中心);所用其他試劑均為分析純; 實(shí)驗(yàn)用水為超純水(電阻率≥18.2 MΩ/cm) 。

1. 2檢測(cè)儀的結(jié)構(gòu)和測(cè)試原理

該SJ2000 型多功能水質(zhì)速測(cè)儀采用模塊化設(shè)計(jì),其主控芯片采用C8051F410(內(nèi)部12位AD) ,可以滿足光電檢測(cè)器現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)精度。以SMA905 標(biāo)準(zhǔn)接口的光纖光源,作為多參數(shù)水質(zhì)檢測(cè)儀的內(nèi)置光源,由于靈敏度極高,很容易檢測(cè)出光強(qiáng)的微弱變化。儀器內(nèi)置單片機(jī),可實(shí)現(xiàn)預(yù)置15 ~ 20 種待測(cè)物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)曲線和自動(dòng)計(jì)算模塊,具有數(shù)據(jù)校正功能。光源板設(shè)計(jì)大小為50 mm × 40 mm,LED采用了4 個(gè)波長(zhǎng)段分立的LED( d = 5 mm) ,分別是620、520、565 和430nm,通過(guò)光纖連接使其發(fā)出的光到達(dá)檢測(cè)器。LED恒流驅(qū)動(dòng)采用了16 位恒流驅(qū)動(dòng)芯片D5026,可以控制單個(gè)LED的點(diǎn)亮并可以按某頻率閃爍,適用環(huán)境條件: 0 ~ 50 ℃、0 ~ 95% RH。其結(jié)構(gòu)示意圖如下所示。測(cè)試原理是根據(jù)郎伯-比爾定律( 在某一可見(jiàn)光波長(zhǎng)下,溶液中待測(cè)物質(zhì)的濃度c都有對(duì)應(yīng)的吸光度A值,均呈線性關(guān)系) 。檢測(cè)器在恒定光源發(fā)光,由檢測(cè)管反射后的光轉(zhuǎn)換成電壓值,再通過(guò)A/D數(shù)字轉(zhuǎn)換模式,以檢測(cè)數(shù)據(jù)形式輸出的光學(xué)技術(shù)原理,實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)多參數(shù)指標(biāo)的現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)。由于該設(shè)計(jì)采用微控芯片對(duì)水質(zhì)檢測(cè)管顏色色階進(jìn)行自動(dòng)辨析,大大提高了檢測(cè)精度,減少了系統(tǒng)誤差。

多參數(shù)水質(zhì)檢測(cè)儀結(jié)構(gòu)示意圖

1. 3操作流程

由于水樣中待測(cè)物為氰化物、氟化物、氨氮和硝酸鹽,在所配備的檢測(cè)管中分別選用相應(yīng)品種和規(guī)格的測(cè)試管,開(kāi)啟SJ2000 型多功能水質(zhì)速測(cè)儀電源開(kāi)關(guān),由觸摸按鍵選擇,進(jìn)入檢測(cè)模式并選定需要檢測(cè)的指標(biāo)。待儀器自動(dòng)校準(zhǔn)( 調(diào)零)后,選擇相應(yīng)的試劑管1 支( 小塑料管,含有微柱管封接的顯色劑) ,用鑷子在捏碎管內(nèi)的顯色劑微柱管,將顯色劑輕倒入所采集水樣的比色皿內(nèi),混勻,按下檢測(cè)儀的測(cè)試按鈕,儀器自動(dòng)進(jìn)行測(cè)量倒計(jì)時(shí)( 通常在1 ~ 5 min之間) ,待完成顯色反應(yīng),將比色皿插入測(cè)試儀,蓋上遮光罩,按鍵自動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)、讀數(shù)并記錄存儲(chǔ)結(jié)果。

2.結(jié)果與討論

2. 1檢測(cè)指標(biāo)的準(zhǔn)確度和精密度

分別取以上F、CN、NH₄和NO₃等標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液,進(jìn)行一定比例稀釋后,用SJ2000 型多參數(shù)水質(zhì)速測(cè)方法和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。分別對(duì)空白加標(biāo)樣中的氰化物、氟化物、氨氮和硝酸鹽等進(jìn)行測(cè)試。每個(gè)檢測(cè)指標(biāo)設(shè)定了低、中兩個(gè)不同的濃度,每個(gè)標(biāo)樣做6 次平行測(cè)定,計(jì)算兩種方法測(cè)定結(jié)果的平均值和相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差,其結(jié)果見(jiàn)表1 所示。采用速測(cè)儀檢測(cè)的4種指標(biāo)中,其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD在2. 73% ~6. 83% 的范圍內(nèi),相對(duì)誤差在2. 10% ~ 6. 67% 的范圍內(nèi)。采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)t檢驗(yàn),可以發(fā)現(xiàn)兩方法之間沒(méi)有顯著性差異。可見(jiàn)該多參數(shù)水質(zhì)速測(cè)儀方法,對(duì)水質(zhì)中的氰化物、氟化物、氨氮和硝酸鹽等4 項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)定結(jié)果符合《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法水質(zhì)分析質(zhì)量控制》的要求。

表1測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確度和精密度

2. 2水樣色度對(duì)檢測(cè)指標(biāo)的影響

對(duì)于氰化物、氟化物、氨氮和硝酸鹽等檢測(cè)指標(biāo),對(duì)常見(jiàn)的金屬離子和無(wú)機(jī)酸根離子抗干擾實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,已經(jīng)有文獻(xiàn)[2,5]報(bào)道。但是,考慮到實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí),所采集樣品的色度干擾因素,對(duì)一般的顯色反應(yīng)產(chǎn)物的光度法檢測(cè)有一定的影響。為了進(jìn)一步試驗(yàn)該多參數(shù)水質(zhì)檢測(cè)儀,在對(duì)于待測(cè)溶液中含有微小漂浮物和一定色度時(shí),數(shù)據(jù)的測(cè)量精度是否會(huì)受到干擾。實(shí)驗(yàn)分別采集了2 份的地表水樣品( 色度值< 20 ) 和制漿廠廢水( 色度值< 100) ,采用標(biāo)準(zhǔn)加入法,依次測(cè)定了氰化物、氟化物、氨氮和硝酸鹽等4 個(gè)檢測(cè)指標(biāo)回收率,結(jié)果如表2 所示。由表2 可見(jiàn),兩種不同類型水樣中的氰化物、氟化物、氨氮和硝酸鹽等檢測(cè)指標(biāo)的回收率在92% ~ 104% 的范圍之內(nèi),能滿足現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的要求,可見(jiàn)該多參數(shù)水質(zhì)檢測(cè)儀適應(yīng)復(fù)雜水樣的現(xiàn)場(chǎng)快速測(cè)定。

表2水樣中色度對(duì)測(cè)試的影響

3.結(jié)論

由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明,SJ2000 型多參數(shù)水質(zhì)快速檢測(cè)儀器具有以下設(shè)計(jì)特點(diǎn): 1) 檢測(cè)儀的光譜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,RGB色度傳感器各分量均采用高精度的12 位A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片,其具有片內(nèi)的跟蹤、保持電路( T/H) 和低漂移電壓基準(zhǔn)電路的功能,而且還有轉(zhuǎn)換速度快、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。可在10 ms的周期內(nèi)重復(fù)采集16 個(gè)數(shù)據(jù),并能有效屏蔽外界可能的干擾信號(hào),保證所采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和儀器的穩(wěn)定性; 2) 由于利用了CPU微控制芯片和IC存儲(chǔ)芯片強(qiáng)大運(yùn)算和存儲(chǔ)功能,對(duì)顯色反應(yīng)呈現(xiàn)出的復(fù)合光可以進(jìn)行復(fù)合掃描,可以消除色光的位置誤差。尤其對(duì)于待測(cè)溶液中有微小的漂浮物時(shí)或呈現(xiàn)一定色度的復(fù)雜樣品,水質(zhì)檢測(cè)儀讀取數(shù)據(jù)的測(cè)量精度不受干擾,適用于復(fù)雜水樣的現(xiàn)場(chǎng)快速測(cè)定。可見(jiàn),該SJ2000 型多參數(shù)水質(zhì)快速檢測(cè)儀,采用了高精度的RGB色度傳感器,實(shí)現(xiàn)了智能化色階辨識(shí)的技術(shù)突破,提供了簡(jiǎn)單、適用、穩(wěn)定、準(zhǔn)確的便攜式水質(zhì)快速測(cè)試儀器,實(shí)現(xiàn)了比色分析方法的初步創(chuàng)新。