一種在線檢測水質(zhì)中硫化物濃度的光纖傳感器裝置及檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種在線檢測水質(zhì)中硫化物濃度的光纖傳感器裝置及檢測方法，光纖傳感器裝置包括樣品酸化組件、氣體平衡組件、溶液吸收組件、光學(xué)檢測組件，利用所述裝置，水體中的硫化物在酸性介質(zhì)中轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性的硫化氫氣體；硫化氫通過擴(kuò)散穿透TeflonAF管壁進(jìn)入吸收溶液，并轉(zhuǎn)化為硫離子；光源發(fā)出的光經(jīng)光纖傳導(dǎo)到波導(dǎo)纖維管內(nèi)，通過達(dá)到富集、交換平衡的吸收溶液后再經(jīng)由光纖傳輸?shù)綑z測器；利用多元線性回歸建立模型，計算出水樣中的硫化物的含量，從而實現(xiàn)對水體中硫化物的檢測。本發(fā)明測定結(jié)果穩(wěn)定可靠，檢測過程快速準(zhǔn)確，重現(xiàn)性好，結(jié)果穩(wěn)定可靠，可實現(xiàn)檢測過程自動化運行，可以長時間連續(xù)實時在線監(jiān)測，節(jié)省人力物力。
【專利說明】一種在線檢測水質(zhì)中硫化物濃度的光纖傳感器裝置及檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及檢測水樣中硫化物的方法，尤其涉及一種在線檢測水質(zhì)中硫化物濃度的光纖傳感器裝置及檢測方法。
【背景技術(shù)】
[0002]水質(zhì)中的硫化物主要有兩部分的來源:一是水中礦物本身含有硫化物，二是皮革、造紙、化工、印染等行業(yè)排放出的廢水含有大量的硫化物。硫化物含量的高低是衡量水質(zhì)，特別是海洋底質(zhì)環(huán)境優(yōu)劣的一項重要指標(biāo)。有研究表明，在沉積環(huán)境中硫化物含量與有機(jī)負(fù)荷量呈正相關(guān),與生物量呈負(fù)相關(guān)，并對耗氧速率產(chǎn)生很大影響。硫離子對生物體內(nèi)新陳代謝中的許多金屬離子有較強(qiáng)的化學(xué)作用，同時對植物根莖有強(qiáng)腐蝕作用。另外，硫化物受溫度、pH、微生物等的影響易形成具有臭雞蛋氣味的有毒氣體H2S,進(jìn)一步會污染大氣，腐蝕管道設(shè)備，影響人類生存環(huán)境。因此，對水質(zhì)中硫化物的測定是環(huán)境監(jiān)測的一項重要指標(biāo)，同時，廢水中硫化物的有效治理亦是環(huán)境保護(hù)的一項重要任務(wù)。因此，研制一種快速長效的檢測水中硫化物含量的裝置和方法，能夠?qū)崟r在線檢測硫化物含量的變化，成為我們急需解決的問題。
[0003]水樣中的硫化物，主要有可溶性的H2S, HS_，S2_和酸溶性的金屬硫化物及有機(jī)硫化物、不可溶的硫化物。這些硫化物一般都轉(zhuǎn)化為H2S或S2-后加以測定。通常意義上的硫化物指可溶性的無機(jī)硫化物，而一般所測定的硫化物系指溶解性硫化物及酸溶性硫化物。目前檢測水中硫化物含量的方法主要有光譜法，電化學(xué)方法，色譜法，碘量法等?，F(xiàn)有技術(shù)中測量過程費時、費力、耗材成本高，且不易實現(xiàn)在線監(jiān)測。
[0004]目前水體中硫化物的光纖化學(xué)傳感器尚未見報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于解決目前水樣中硫化物無法現(xiàn)場原位監(jiān)測的不足，提出一種在線檢測水質(zhì)中硫化物濃度的光纖傳感器裝置及檢測方法。本發(fā)明利用樣品酸化、氣體平衡、溶液吸收、光學(xué)檢測等系列技術(shù)組件，形成系統(tǒng)集成的檢測裝置，檢測過程簡便快捷、檢測結(jié)果準(zhǔn)確可靠，檢測成本低，可以長時間連續(xù)實時在線監(jiān)測。
[0006]為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案予以實現(xiàn):
一種在線檢測水質(zhì)中硫化物濃度的光纖傳感器裝置，它包括樣品酸化組件、氣體平衡組件、溶液吸收組件、光學(xué)檢測組件；
所述樣品酸化組件包括相互連接的進(jìn)樣泵和混合器；
所述氣體平衡組件包括中空管套和第一輸送管，所述第一輸送管的入口與混合器的出口連接，所述第一輸送管出口與中空管套一端呈固定密封連接；
所述溶液吸收組件包括依次連接的用于進(jìn)樣吸收試劑的脈沖微量泵、第二輸送管、設(shè)于中空管套內(nèi)的吸收管，所述吸收管也為中空結(jié)構(gòu)，所述吸收管與第二輸送管呈固定密封連接；
所述光學(xué)檢測組件包括氙燈、光纖、石英玻璃窗、光電采集器和計算機(jī)處理器，所述光纖與石英玻璃窗固定連接，石英玻璃窗與光電采集器、計算機(jī)處理器依次連接。
[0007]進(jìn)一步的,所述吸收管為Teflon AF波導(dǎo)纖維管。
[0008]進(jìn)一步的，所述進(jìn)樣泵為蠕動泵或脈沖微量泵。
[0009]進(jìn)一步的，所述光學(xué)檢測組件還包括光纖連接組件。
[0010]進(jìn)一步的，所述第一輸送管和第二輸送管為聚四氟乙烯管。
[0011]本發(fā)明還提供了利用所述的裝置在線檢測水質(zhì)中硫化物濃度的方法，它包括以下步驟:開啟脈沖微量泵，泵入吸收試劑至吸收管中，開啟進(jìn)樣泵，分別泵入待測試樣和還原試劑，混合均勻后，然后泵入酸性試劑；待測試樣、還原試劑和酸性試劑在混合器中混合，經(jīng)第一輸送管進(jìn)入中空管套，待測試樣中的硫化物，在還原試劑和酸性條件下，轉(zhuǎn)化為硫化氫氣體；硫化氫氣體通過擴(kuò)散穿透吸收管進(jìn)入管內(nèi)，被吸收試劑吸收并平衡；開啟氙燈，氙燈發(fā)出的光經(jīng)光纖傳導(dǎo)、經(jīng)檢測器后，進(jìn)入吸收管，其中部分紫外光被吸收液中的硫離子吸收，透射光經(jīng)檢測、光纖傳導(dǎo)后，傳輸?shù)焦怆姴杉?、計算機(jī)處理器得紫外光譜區(qū)的吸光度；根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線和顯色溶液的吸光度，利用多元線性回歸計算硫化物的濃度，最終實現(xiàn)待測試樣中硫化物含量的測定。
[0012]進(jìn)一步的，所述吸收試劑為氫氧化鈉水溶液，還原試劑為抗壞血酸溶液，所述酸性試劑為鹽酸溶液。
[0013]進(jìn)一步的，吸收試劑中的組成為:所述氫氧化鈉水溶液中氫氧化鈉的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為I?5%。
[0014]進(jìn)一步的，還原試劑中的組成為:所述抗壞血酸溶液中抗壞血酸的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為5 ?10%。
[0015]進(jìn)一步的，鹽酸溶液的組成為:所述鹽酸溶液中鹽酸的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為10?20%。
[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果是:本發(fā)明充分利用光纖液芯波導(dǎo)管具有氣體可滲透性和低折射率，可選擇性通過氣體的性質(zhì)，同時光在波導(dǎo)管內(nèi)可發(fā)生全反射從而增加測量精度。利用本發(fā)明所述裝置，水體中的硫化物在酸性介質(zhì)中，轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性的硫化氫氣體理；水體中的硫化氫通過擴(kuò)散穿透Teflon AF管壁進(jìn)入吸收溶液，并轉(zhuǎn)化為硫離子；光源發(fā)出的光經(jīng)光纖傳導(dǎo)到Telfon AF波導(dǎo)纖維管內(nèi)，通過達(dá)到富集、交換平衡的吸收溶液后再經(jīng)由光纖傳輸?shù)綑z測器；利用多元線性回歸建立模型，計算出水樣中的硫化物的含量，從而實現(xiàn)對水體中硫化物的檢測。
[0017]本發(fā)明利用樣品酸化、氣體平衡、溶液吸收、光學(xué)檢測等系列技術(shù)組件，形成系統(tǒng)集成的檢測裝置，利用多元線性回歸建立模型，測定結(jié)果穩(wěn)定可靠，檢測過程快速準(zhǔn)確，重現(xiàn)性好，結(jié)果穩(wěn)定可靠，可實現(xiàn)檢測過程自動化運行，可以長時間連續(xù)實時在線監(jiān)測，節(jié)省人力物力。
[0018]結(jié)合附圖閱讀本發(fā)明的【具體實施方式】后，本發(fā)明的其他特點和優(yōu)點將變得更加清
λ.Μ
/E.ο
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明所述水體中硫化物裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，也是本發(fā)明所述水體中硫化物分析方法的工藝流程圖。
[0020]圖中，1-氙燈；2-光纖；3_連接頭；4_光纖接頭；5_石英玻璃窗；6_聚四氟乙烯管；7_連接頭；8_手緊螺母；9_密封卡套；10_密封圈；11_中空管套；12-Teflon AF波導(dǎo)纖維管；13_聚四氟乙烯管；14_連接頭；15_手緊螺母；16_密封卡套；17_密封圈；18_光電采集器；19-計算機(jī)處理器。
[0021 ] Ml-混合器；M2-混合器；
Pl-脈沖微量泵；P2-蠕動泵；P3-脈沖微量泵；P4-脈沖微量泵；
Rl-吸收試劑；R2-還原試劑；R3-鹽酸；S-試樣；
Wffl-廢液；WW2 -廢液。
【具體實施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0023]實施例1
本發(fā)明提供了一種在線檢測水質(zhì)中硫化物濃度的光纖傳感器裝置，該裝置包括樣品酸化組件、氣體平衡組件、溶液吸收組件、光學(xué)檢測組件。
[0024]所述的樣品酸化組件包括進(jìn)樣泵和混合器，本實施例中進(jìn)樣泵包括蠕動泵P2、脈沖微量泵P3和脈沖微量泵P4，所述混合器包括混合器Ml和混合器M2。所述蠕動泵P2的一端用于水質(zhì)試樣S進(jìn)樣，另一端與混合器Ml的進(jìn)液口連接。所述脈沖微量泵P3的一端用于還原試劑R2進(jìn)樣，另一端與混合器Ml的進(jìn)液口連接。所述脈沖微量泵P4的一端用于酸性試劑即鹽酸R3進(jìn)樣，另一端與混合器M2的進(jìn)液口連接。所述混合器Ml的出液口通過軟管與混合器M2的進(jìn)液口連接。
[0025]所述氣體平衡組件包括中空管套11和第一輸送管，所述中空管套11為中空結(jié)構(gòu)，其中心固定有吸收管，所述第一輸送管為聚四氟乙烯管13，所述氣體平衡組件還包括連接部件，如固定連接頭14、手緊螺母15、密封卡套16、密封圈17。所述中空管套11表面含有固定螺孔，與連接頭14外螺紋對應(yīng)，用于固定連接頭14。所述固定連接頭14包括通孔內(nèi)螺紋和內(nèi)通道，內(nèi)螺紋與手緊螺母15外螺紋對應(yīng)，用于連接手緊螺母15。所述手緊螺母15具有外螺紋，并通過固定連接頭14內(nèi)螺紋固定在中空管套11上。所述手緊螺母15中間通孔，其內(nèi)孔與聚四氟乙烯管13的外徑接近，用于穿過聚四氟乙烯管。所述手緊螺母15端口為倒錐形，其錐形結(jié)構(gòu)與密封卡套16正錐形結(jié)構(gòu)匹配。所述密封卡套16內(nèi)孔與聚四氟乙烯管13的外徑接近。所述聚四氟乙烯管13通過手緊螺母15、密封卡套16、密封圈17固定在固定連接頭14內(nèi)通道端面。所述聚四氟乙烯管13與固定連接頭14內(nèi)通道、中空管套11連接用于輸送流體。聚四氟乙烯管13與中空管套的中空部分連通，用于進(jìn)樣。
[0026]所述溶液吸收組件包括設(shè)于中空管套內(nèi)的吸收管、脈沖微量泵、第二輸送管，所述吸收管也為中空結(jié)構(gòu)，本實施例中所述吸收管為Teflon AF波導(dǎo)纖維管12，所述脈沖微量泵Pl用于吸收試劑Rl進(jìn)樣，所述第二輸送管為聚四氟乙烯管6，所述溶液吸收組件還包括連接部件，如固定連接頭7、手緊螺母8、密封卡套9、密封圈10。所述Teflon AF波導(dǎo)纖維管12為中空結(jié)構(gòu)，樣品中的硫化氫氣體可以通過擴(kuò)散穿透Teflon AF管壁進(jìn)入管內(nèi)。所述Teflon AF波導(dǎo)纖維管12通過軟管和連接頭7固定在中空管套11中心處。所述連接頭7包括通孔內(nèi)螺紋和內(nèi)通道，其內(nèi)螺紋與手緊螺母8外螺紋對應(yīng)，用于固定手緊螺母。所述手緊螺母8中間通孔，其內(nèi)孔與聚四氟乙烯管6的外徑接近，用于穿過聚四氟乙烯管。所述手緊螺母8端口為倒錐形，其錐形結(jié)構(gòu)與密封卡套9正錐形結(jié)構(gòu)匹配。所述密封卡套9內(nèi)孔與聚四氟乙烯管6的外徑接近。所述聚四氟乙烯管6通過手緊螺母8、密封卡套9、密封圈10固定在連接頭7內(nèi)通道端面。所述聚四氟乙烯管6與連接頭7內(nèi)通道、Teflon AF波導(dǎo)纖維管12連接，用于輸送流體。所述脈沖微量泵Pl的一端用于吸收試劑Rl進(jìn)樣，另一端與聚四氟乙烯管6連接。所述Teflon AF波導(dǎo)纖維管12中的吸收液R1，中空管套11中的硫化氫氣體并平衡、測定后，經(jīng)排液口排除廢液WW2。
[0027]所述光學(xué)檢測組件包括氙燈1、光纖2、石英玻璃窗5、光電采集器18和計算機(jī)處理器19，還包括光纖連接組件如連接頭3、光纖接頭4。連接頭3包含內(nèi)螺紋結(jié)構(gòu)，其內(nèi)螺紋與光纖接頭4的外螺紋對應(yīng),用于固定光纖。氣燈發(fā)出的光，經(jīng)光纖2傳導(dǎo)后,經(jīng)石英玻璃窗5進(jìn)入Teflon AF波導(dǎo)纖維管12,被溶液吸收后,在經(jīng)石英玻璃窗5后由光纖2將信號傳輸?shù)焦怆姴杉?8，并利用計算機(jī)處理器19計算溶液的吸光度。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線和顯色溶液的吸光度，并利用多元線性回歸計算硫化物的濃度，最終實現(xiàn)水體硫化物含量的測定。
[0028]所述混合器Ml、混合器M2的結(jié)構(gòu)相同，均為三通管式結(jié)構(gòu)。經(jīng)混合器M2的液體為酸化后的液體，所述酸化后的液體進(jìn)入中空管套11，液體中的硫化氫氣體經(jīng)與Teflon AF波導(dǎo)纖維管12平衡后，經(jīng)排液口排除廢液WW2。
[0029]本實施例中，水體中硫化物自動分析裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示。儀器中，脈沖微量泵P1、P3、P4為市售6轉(zhuǎn)子脈沖泵，泵流量4?100 μ 1/min ;螺動泵P2為市售6轉(zhuǎn)子脈沖泵，泵流量0.4?24ml/min ;軟管為市售氟膠管，內(nèi)徑為2mm。
[0030]利用本發(fā)明所述光纖傳感器裝置在線檢測水質(zhì)中硫化物濃度的檢測方法，包括以下步驟:
1、配制測試分析所需的標(biāo)樣及溶液 (I)配制吸收試劑
稱取2 g氫氧化鈉[NaOH]溶于IOOml水中。
[0031](2)配制還原試劑
稱取10 g抗壞血酸[C6H8O6]溶于IOOml水中。
[0032](3)配制酸性試劑
量取IOOmL鹽酸(HCl, P =1.19g/mL)緩慢加入到200ml水中，冷卻至室溫。
[0033]2、本發(fā)明所述水體中硫化物的檢測方法，操作步驟如下:
開啟脈沖微量泵Pl，控制流速為20 μ 1/min，泵入吸收試劑Rl至Teflon AF波導(dǎo)纖維管12中。
[0034]開啟螺動泵P2,保持泵速為4ml /min,泵入試樣S ;開啟脈沖微量泵P3,保持泵速為40 μ 1/min,泵入還原試劑R2 ;試樣S與還原試劑R2在混合器Ml混合均勻后，進(jìn)入混合器M2。開啟脈沖微量泵P4，保持泵速為60 μ 1/min，泵入酸性試劑即鹽酸R3 ;鹽酸R3與試樣S、還原試劑R2混合試劑在混合器M2混合，經(jīng)進(jìn)液口進(jìn)入管套11。液體中的硫化物，在還原試劑存在和酸性條件下，轉(zhuǎn)化為硫化氫氣體；硫化氫氣體通過擴(kuò)散穿透Teflon AF管壁進(jìn)入管內(nèi)，被吸收液吸收并平衡。
[0035]開啟氙燈1，氙燈發(fā)出的光，經(jīng)光纖2傳導(dǎo)、石英玻璃窗5后，進(jìn)入Teflon AF波導(dǎo)纖維管12，其中部分紫外光被吸收液中的硫離子吸收。透射光經(jīng)石英玻璃窗5、光纖2傳導(dǎo)后，傳輸?shù)焦怆姴杉M件18、計算機(jī)處理組件得紫外光譜區(qū)的吸光度。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線和顯色溶液的吸光度，并利用多元線性回歸建立模型并計算硫化物的濃度，最終實現(xiàn)水體硫化物含量的測定。
[0036]以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其進(jìn)行限制；盡管參照前述實施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，依然可以對前述實施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明所要求保護(hù)的技術(shù)方案的精神和范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種在線檢測水質(zhì)中硫化物濃度的光纖傳感器裝置，其特征在于:它包括樣品酸化組件、氣體平衡組件、溶液吸收組件、光學(xué)檢測組件； 所述樣品酸化組件包括相互連接的進(jìn)樣泵和混合器； 所述氣體平衡組件包括中空管套和第一輸送管，所述第一輸送管的入口與混合器的出口連接，所述第一輸送管出口與中空管套一端呈固定密封連接； 所述溶液吸收組件包括依次連接的用于進(jìn)樣吸收試劑的脈沖微量泵、第二輸送管、設(shè)于中空管套內(nèi)的吸收管，所述吸收管也為中空結(jié)構(gòu)，所述吸收管與第二輸送管呈固定密封連接； 所述光學(xué)檢測組件包括氙燈、光纖、石英玻璃窗、光電采集器和計算機(jī)處理器，所述光纖與石英玻璃窗固定連接，石英玻璃窗與光電采集器、計算機(jī)處理器依次連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在線檢測水質(zhì)中硫化物濃度的光纖傳感器裝置，其特征在于:所述吸收管為Teflon AF波導(dǎo)纖維管。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的在線檢測水質(zhì)中硫化物濃度的光纖傳感器裝置，其特征在于:所述進(jìn)樣泵為蠕動泵或脈沖微量泵。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在線檢測水質(zhì)中硫化物濃度的光纖傳感器裝置，其特征在于:所述光學(xué)檢測組件還包括光纖連接組件。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在線檢測水質(zhì)中硫化物濃度的光纖傳感器裝置，其特征在于:所述第一輸送管和第二輸送管為聚四氟乙烯管。
6.利用權(quán)利要求1所述的裝置在線檢測水質(zhì)中硫化物濃度的方法，其特征在于它包括以下步驟:開啟脈沖微量泵，泵入吸收試劑至吸收管中，開啟進(jìn)樣泵，分別泵入待測試樣和還原試劑，混合均勻后，然后泵入酸性試劑；待測試樣、還原試劑和酸性試劑在混合器中混合，經(jīng)第一輸送管進(jìn)入中空管套，待測試樣中的硫化物，在還原試劑和酸性條件下，轉(zhuǎn)化為硫化氫氣體；硫化氫氣體通過擴(kuò)散穿透吸收管進(jìn)入管內(nèi)，被吸收試劑吸收并平衡；開啟氙燈，氙燈發(fā)出的光經(jīng)光纖傳導(dǎo)、經(jīng)檢測器后，進(jìn)入吸收管，其中部分紫外光被吸收液中的硫離子吸收，透射光經(jīng)檢測、光纖傳導(dǎo)后，傳輸?shù)焦怆姴杉?、計算機(jī)處理器得紫外光譜區(qū)的吸光度；根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線和顯色溶液的吸光度，利用多元線性回歸計算硫化物的濃度，最終實現(xiàn)待測試樣中硫化物含量的測定。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的在線檢測水質(zhì)中硫化物濃度的方法，其特征在于:所述吸收試劑為氫氧化鈉水溶液，還原試劑為抗壞血酸溶液，所述酸性試劑為鹽酸溶液。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的在線檢測水質(zhì)中硫化物濃度的方法，其特征在于:吸收試劑中的組成為:所述氫氧化鈉水溶液中氫氧化鈉的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為I?5%。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的在線檢測水質(zhì)中硫化物濃度的方法，其特征在于:還原試劑中的組成為:所述抗壞血酸溶液中抗壞血酸的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為5?10%。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的在線檢測水質(zhì)中硫化物濃度的方法，其特征在于:鹽酸溶液的組成為:所述鹽酸溶液中鹽酸的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為10?20%。
【文檔編號】G01N21/33GK103472022SQ201310454204
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月29日
【發(fā)明者】郭翠蓮, 王洪亮, 張述偉, 褚東志, 馬然, 程巖, 王昭玉, 侯廣利, 劉巖, 王茜, 石小梅, 劉東彥, 呂婧, 曹璐, 張穎, 張穎穎, 范萍萍, 尤小華 申請人:山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所