對于當今越來越復雜的水環境問題,尤其是在突發性污染事件和非常態狀況下的水質多參數應急監測,在現場快速、準確獲取多種水質分析檢測數據顯得尤其重要。所以針對多功能系統的多參數水質現場監測技術研究,是目前水質監測科學的重要發展方向之一。美國的HACH公司、CHEM公司和意大利的HANNA公司等是在該技術領域較早開展研發并形成產業規模的主要廠商。

國內從事多參數水質監測儀研發的單位,由于其研發時間較短、檢測儀的工藝設計基礎較薄弱,在系統集成和功能擴展等關鍵性技術方面,急需進一步提高和完善。為此,本文采用了SJ2000型多功能水質速測儀,開展了地表水和制漿廠廢水等環境實際水樣中的氰化物、氟化物、氨氮和硝酸鹽等指標現場檢測,以測試SJ2000 型多參數水質檢測儀的現場實際應用情況。結果證實,該類型多參數水質檢測儀,由于選擇了高精度RGB色度傳感器,因而檢測結果穩定性較好,能滿足水質多參數現場快速定量檢測的技術要求。可為水質的現場、實時、動態的分析提供簡單、快捷的檢測方法和手段,值得在基層大量推廣使用。

1.實驗部分

1. 1主要儀器與試劑

SJ2000 型多功能水質速測儀(18cm×8.3cm×4.6cm,320g(含電池);2500 型分光光度計; SMA905 標準接口的光纖光源。

酸根離子標準儲備液:F、CN、NH₄和NO₃(100mg/L)由其相應標準品配制( 國家標準物質中心);所用其他試劑均為分析純; 實驗用水為超純水(電阻率≥18.2 MΩ/cm) 。

1. 2檢測儀的結構和測試原理

該SJ2000 型多功能水質速測儀采用模塊化設計,其主控芯片采用C8051F410(內部12位AD) ,可以滿足光電檢測器現場檢測數據精度。以SMA905 標準接口的光纖光源,作為多參數水質檢測儀的內置光源,由于靈敏度極高,很容易檢測出光強的微弱變化。儀器內置單片機,可實現預置15 ~ 20 種待測物質的標準曲線和自動計算模塊,具有數據校正功能。光源板設計大小為50 mm × 40 mm,LED采用了4 個波長段分立的LED( d = 5 mm) ,分別是620、520、565 和430nm,通過光纖連接使其發出的光到達檢測器。LED恒流驅動采用了16 位恒流驅動芯片D5026,可以控制單個LED的點亮并可以按某頻率閃爍,適用環境條件: 0 ~ 50 ℃、0 ~ 95% RH。其結構示意圖如下所示。測試原理是根據郎伯-比爾定律( 在某一可見光波長下,溶液中待測物質的濃度c都有對應的吸光度A值,均呈線性關系) 。檢測器在恒定光源發光,由檢測管反射后的光轉換成電壓值,再通過A/D數字轉換模式,以檢測數據形式輸出的光學技術原理,實現對水質多參數指標的現場快速檢測。由于該設計采用微控芯片對水質檢測管顏色色階進行自動辨析,大大提高了檢測精度,減少了系統誤差。

多參數水質檢測儀結構示意圖

1. 3操作流程

由于水樣中待測物為氰化物、氟化物、氨氮和硝酸鹽,在所配備的檢測管中分別選用相應品種和規格的測試管,開啟SJ2000 型多功能水質速測儀電源開關,由觸摸按鍵選擇,進入檢測模式并選定需要檢測的指標。待儀器自動校準( 調零)后,選擇相應的試劑管1 支( 小塑料管,含有微柱管封接的顯色劑) ,用鑷子在捏碎管內的顯色劑微柱管,將顯色劑輕倒入所采集水樣的比色皿內,混勻,按下檢測儀的測試按鈕,儀器自動進行測量倒計時( 通常在1 ~ 5 min之間) ,待完成顯色反應,將比色皿插入測試儀,蓋上遮光罩,按鍵自動進行檢測、讀數并記錄存儲結果。

2.結果與討論

2. 1檢測指標的準確度和精密度

分別取以上F、CN、NH₄和NO₃等標準儲備液,進行一定比例稀釋后,用SJ2000 型多參數水質速測方法和國家標準方法進行對比實驗。分別對空白加標樣中的氰化物、氟化物、氨氮和硝酸鹽等進行測試。每個檢測指標設定了低、中兩個不同的濃度,每個標樣做6 次平行測定,計算兩種方法測定結果的平均值和相對標準偏差,其結果見表1 所示。采用速測儀檢測的4種指標中,其相對標準偏差RSD在2. 73% ~6. 83% 的范圍內,相對誤差在2. 10% ~ 6. 67% 的范圍內。采用數理統計t檢驗,可以發現兩方法之間沒有顯著性差異。可見該多參數水質速測儀方法,對水質中的氰化物、氟化物、氨氮和硝酸鹽等4 項指標的測定結果符合《生活飲用水衛生標準檢測方法水質分析質量控制》的要求。

表1測試結果的準確度和精密度

2. 2水樣色度對檢測指標的影響

對于氰化物、氟化物、氨氮和硝酸鹽等檢測指標,對常見的金屬離子和無機酸根離子抗干擾實驗的結果,已經有文獻[2,5]報道。但是,考慮到實際現場應用時,所采集樣品的色度干擾因素,對一般的顯色反應產物的光度法檢測有一定的影響。為了進一步試驗該多參數水質檢測儀,在對于待測溶液中含有微小漂浮物和一定色度時,數據的測量精度是否會受到干擾。實驗分別采集了2 份的地表水樣品( 色度值< 20 ) 和制漿廠廢水( 色度值< 100) ,采用標準加入法,依次測定了氰化物、氟化物、氨氮和硝酸鹽等4 個檢測指標回收率,結果如表2 所示。由表2 可見,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指標的回收率在92% ~ 104% 的范圍之內,能滿足現場檢測的要求,可見該多參數水質檢測儀適應復雜水樣的現場快速測定。

表2水樣中色度對測試的影響

3.結論

由上述實驗結果說明,SJ2000 型多參數水質快速檢測儀器具有以下設計特點: 1) 檢測儀的光譜數據采集系統中,RGB色度傳感器各分量均采用高精度的12 位A/D模數轉換芯片,其具有片內的跟蹤、保持電路( T/H) 和低漂移電壓基準電路的功能,而且還有轉換速度快、功耗低等優點。可在10 ms的周期內重復采集16 個數據,并能有效屏蔽外界可能的干擾信號,保證所采集數據的準確性和儀器的穩定性; 2) 由于利用了CPU微控制芯片和IC存儲芯片強大運算和存儲功能,對顯色反應呈現出的復合光可以進行復合掃描,可以消除色光的位置誤差。尤其對于待測溶液中有微小的漂浮物時或呈現一定色度的復雜樣品,水質檢測儀讀取數據的測量精度不受干擾,適用于復雜水樣的現場快速測定。可見,該SJ2000 型多參數水質快速檢測儀,采用了高精度的RGB色度傳感器,實現了智能化色階辨識的技術突破,提供了簡單、適用、穩定、準確的便攜式水質快速測試儀器,實現了比色分析方法的初步創新。