对于当今越来越复杂的水环境问题,尤其是在突发性污染事件和非常态状况下的水质多参数应急监测,在现场快速、准确获取多种水质分析检测数据显得尤其重要。所以针对多功能系统的多参数水质现场监测技术研究,是目前水质监测科学的重要发展方向之一。美国的HACH公司、CHEM公司和意大利的HANNA公司等是在该技术领域较早开展研发并形成产业规模的主要厂商。

国内从事多参数水质监测仪研发的单位,由于其研发时间较短、检测仪的工艺设计基础较薄弱,在系统集成和功能扩展等关键性技术方面,急需进一步提高和完善。为此,本文采用了SJ2000型多功能水质速测仪,开展了地表水和制浆厂废水等环境实际水样中的氰化物、氟化物、氨氮和硝酸盐等指标现场检测,以测试SJ2000 型多参数水质检测仪的现场实际应用情况。结果证实,该类型多参数水质检测仪,由于选择了高精度RGB色度传感器,因而检测结果稳定性较好,能满足水质多参数现场快速定量检测的技术要求。可为水质的现场、实时、动态的分析提供简单、快捷的检测方法和手段,值得在基层大量推广使用。

1.实验部分

1. 1主要仪器与试剂

SJ2000 型多功能水质速测仪(18cm×8.3cm×4.6cm,320g(含电池);2500 型分光光度计; SMA905 标准接口的光纤光源。

酸根离子标准储备液:F、CN、NH₄和NO₃(100mg/L)由其相应标准品配制( 国家标准物质中心);所用其他试剂均为分析纯; 实验用水为超纯水(电阻率≥18.2 MΩ/cm) 。

1. 2检测仪的结构和测试原理

该SJ2000 型多功能水质速测仪采用模块化设计,其主控芯片采用C8051F410(内部12位AD) ,可以满足光电检测器现场检测数据精度。以SMA905 标准接口的光纤光源,作为多参数水质检测仪的内置光源,由于灵敏度极高,很容易检测出光强的微弱变化。仪器内置单片机,可实现预置15 ~ 20 种待测物质的标准曲线和自动计算模块,具有数据校正功能。光源板设计大小为50 mm × 40 mm,LED采用了4 个波长段分立的LED( d = 5 mm) ,分别是620、520、565 和430nm,通过光纤连接使其发出的光到达检测器。LED恒流驱动采用了16 位恒流驱动芯片D5026,可以控制单个LED的点亮并可以按某频率闪烁,适用环境条件: 0 ~ 50 ℃、0 ~ 95% RH。其结构示意图如下所示。测试原理是根据郎伯-比尔定律( 在某一可见光波长下,溶液中待测物质的浓度c都有对应的吸光度A值,均呈线性关系) 。检测器在恒定光源发光,由检测管反射后的光转换成电压值,再通过A/D数字转换模式,以检测数据形式输出的光学技术原理,实现对水质多参数指标的现场快速检测。由于该设计采用微控芯片对水质检测管颜色色阶进行自动辨析,大大提高了检测精度,减少了系统误差。

多参数水质检测仪结构示意图

1. 3操作流程

由于水样中待测物为氰化物、氟化物、氨氮和硝酸盐,在所配备的检测管中分别选用相应品种和规格的测试管,开启SJ2000 型多功能水质速测仪电源开关,由触摸按键选择,进入检测模式并选定需要检测的指标。待仪器自动校准( 调零)后,选择相应的试剂管1 支( 小塑料管,含有微柱管封接的显色剂) ,用镊子在捏碎管内的显色剂微柱管,将显色剂轻倒入所采集水样的比色皿内,混匀,按下检测仪的测试按钮,仪器自动进行测量倒计时( 通常在1 ~ 5 min之间) ,待完成显色反应,将比色皿插入测试仪,盖上遮光罩,按键自动进行检测、读数并记录存储结果。

2.结果与讨论

2. 1检测指标的准确度和精密度

分别取以上F、CN、NH₄和NO₃等标准储备液,进行一定比例稀释后,用SJ2000 型多参数水质速测方法和国家标准方法进行对比实验。分别对空白加标样中的氰化物、氟化物、氨氮和硝酸盐等进行测试。每个检测指标设定了低、中两个不同的浓度,每个标样做6 次平行测定,计算两种方法测定结果的平均值和相对标准偏差,其结果见表1 所示。采用速测仪检测的4种指标中,其相对标准偏差RSD在2. 73% ~6. 83% 的范围内,相对误差在2. 10% ~ 6. 67% 的范围内。采用数理统计t检验,可以发现两方法之间没有显著性差异。可见该多参数水质速测仪方法,对水质中的氰化物、氟化物、氨氮和硝酸盐等4 项指标的测定结果符合《生活饮用水卫生标准检测方法水质分析质量控制》的要求。

表1测试结果的准确度和精密度

2. 2水样色度对检测指标的影响

对于氰化物、氟化物、氨氮和硝酸盐等检测指标,对常见的金属离子和无机酸根离子抗干扰实验的结果,已经有文献[2,5]报道。但是,考虑到实际现场应用时,所采集样品的色度干扰因素,对一般的显色反应产物的光度法检测有一定的影响。为了进一步试验该多参数水质检测仪,在对于待测溶液中含有微小漂浮物和一定色度时,数据的测量精度是否会受到干扰。实验分别采集了2 份的地表水样品( 色度值< 20 ) 和制浆厂废水( 色度值< 100) ,采用标准加入法,依次测定了氰化物、氟化物、氨氮和硝酸盐等4 个检测指标回收率,结果如表2 所示。由表2 可见,两种不同类型水样中的氰化物、氟化物、氨氮和硝酸盐等检测指标的回收率在92% ~ 104% 的范围之内,能满足现场检测的要求,可见该多参数水质检测仪适应复杂水样的现场快速测定。

表2水样中色度对测试的影响

3.结论

由上述实验结果说明,SJ2000 型多参数水质快速检测仪器具有以下设计特点: 1) 检测仪的光谱数据采集系统中,RGB色度传感器各分量均采用高精度的12 位A/D模数转换芯片,其具有片内的跟踪、保持电路( T/H) 和低漂移电压基准电路的功能,而且还有转换速度快、功耗低等优点。可在10 ms的周期内重复采集16 个数据,并能有效屏蔽外界可能的干扰信号,保证所采集数据的准确性和仪器的稳定性; 2) 由于利用了CPU微控制芯片和IC存储芯片强大运算和存储功能,对显色反应呈现出的复合光可以进行复合扫描,可以消除色光的位置误差。尤其对于待测溶液中有微小的漂浮物时或呈现一定色度的复杂样品,水质检测仪读取数据的测量精度不受干扰,适用于复杂水样的现场快速测定。可见,该SJ2000 型多参数水质快速检测仪,采用了高精度的RGB色度传感器,实现了智能化色阶辨识的技术突破,提供了简单、适用、稳定、准确的便携式水质快速测试仪器,实现了比色分析方法的初步创新。