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基于紫外线透过率和导电率来检测水质的原理综述

来源:金沙 发布时间:2023/03/31 17:06:18 浏览次数:1147

随着社会经济发展、人口的增长、城市化建设进程加快,我国的水环境污染问题越来越严重,尤其对居民饮水问题造成非常大的影响。最主要的是有机污染为主,追溯污染源主要有工业废水、农业废水、生活污水及其他等。因此水质检测的检测结果是否准确及是否有反映污染程度,检测的原理就非常重要了。本文将从水质检测分析方法、针对紫外线透过率和电导率检测水质的原理进行阐述。

一、水中污染物检测分析方法

我国水环境污染以有机污染为主。有机污染物种类繁多,组成复杂,难以用确定的组分表示水中各种有机污染物的含量。目前,多用有机物综合指标,如化学需氧量(COD) 总有机碳(TOC) 来间接表示水中有机污染物的含量。化学需氧量(COD)是水体中受还原性物质污染的综合性指标,反应水中有机物污染的程度。总有机碳(TOC)是以碳的含量表示水体中有机物总量的综合指标,反应水中有机物的总含量。

另外就是检测水中溶解性总固体(TDS),溶解性总固体是指水样经过过滤后,在一定温度下烘干,所得的固体残渣的含量,包括不易挥发的可溶性盐类、有机物及能通过过滤器的不溶性微粒等, TDS不能表示水质的污染程度,只能表示溶解性固体的含量。TDS值越高,表示水中含有的溶解物越多。总体来说,只有TDS结合COD和TOC,才能反应水质的纯净度和污染程度,才能更全面反应水质的好坏

对此,我国卫生部制定的GB5749-2006《生活饮用水卫生标准》中规定,生活饮用不中化学需氧量(COD)<3mg/L,总有机碳(TOC) <5mg/L,溶解性总固体<1000mg/L

二、紫外线透过率测量UV275,COD,TOC原理

该原理是基于水中部分有机物在UVC波段紫外线下的吸光度不同,判定水中各类大分子有机化合物的含量。总体过程是检测水的紫外线透过率,再计算UV275和COD及TOC值。

(一)紫外线透过率原理

紫外线透过率测量过程如下:先选定某一溶剂作为标准溶液(一般以纯净水为标准溶液),设定其紫外线透过率为100%,被测试样的紫外线透过率是相对于标准溶液而言的,即让单色光分别通过被测试样和标准溶液,二者能量的比值就是在一定波长下对于被测试样的紫外线透过率,是一种相对测量原理。透光率计算公式如下:

    T = I/I0

公式中:I0 -- 为透过标准溶液后的光强,

              I -- 为透过被测试样后的光强。

下面以金沙透过率仪作为实验仪器,进行实验,仪器定制了峰值波长为275nm的UVC LED作为光源,紫外线接收探头的光谱响应范围为230nm ~ 315nm,外接显示数据的人机界面。

1、校准标准溶液的透光率为100%:容器采用高透石英比色皿,比色皿光程1cm,标准溶液采用蒸馏的纯净水,手动将仪器校准为100%;

校准标准容液的透光率为100%
校准标准容液的透光率为100%

2、测量试样溶液的透光率:将被测试样放入光源和探测器之间,直接可测试出试样透光率,由下图得出,该溶液的透光率为42.72%。

测量试样容易的透过率
测量试样容易的透过率

(二)紫外透过率转化为UV275

UV275指用275 nm紫外光为光源下,1 cm光程的比色皿,以纯水为参比的紫外吸收值。

首先可通过透过率值计算溶液的相较于纯水的吸光度值。当275nm紫外光通过含待测物质溶液时,其吸光度A被定义为透过率(T)的负对数,即

        A = -lgT = lg(I0/I)

UV275指用275 nm紫外光为光源下,1 cm光程的比色皿,以纯水为参比的紫外吸收值。

        UV275 = A/L

公式中:A -- 吸光度值
              L -- 待测物质溶液的透光光程(即光经过溶液的距离)

上述实验中L=1cm,即UV275 = A,UV275越大,表示水中有机物含量越多。

(三)吸光度转化为COD和TOC

1、吸光度转化为COD值

根据朗伯一比耳定律,得

        A = KLC

公式中:C -- 为物质浓度,
              K -- 为吸收系数,
              L -- 为透光的光程(即光经过溶液的距离)

由于其光程L即为比色皿的厚度,其值是固定的,所以,可以得到

        A = K0C

即溶液的吸光度与吸光物质的浓度成正比。K0是已知常数,测量出吸光度就可以计算出溶液中吸光物质的浓度。

因为化学需氧量COD表示水中有机物含量的综合指标,与紫外吸光物质的浓度相关,与A在一定的范围呈线性关系,所以,测量出吸光度A就可以计算出化学需氧量COD。

2、COD值计算TOC值

所有溶液中的有机物,其COD/TOC比值应该是不变的。关于不同地域和不同类型的实际废水中COD与TOC函数关系的学术研究,已公开的文献很多。一致认为:在一定的浓度范围内呈很好的线性关系,表达式为:COD = a + b TOC,其关系系数a、b值可根据实验获得。关系系数固定 ,即可通过COD直接计算出TOC

详情可参考王德名的《水体TOC与CODCR, BOD5, CODMN相关性研究》、马永才的《TOC与高锰酸盐指数(CODMn)及CODcr的相关关系》、陈鸣的《区域地表水TOC与CODCR及CODMn相关性研究》等文献。

三、电导率测量TDS原理

溶解性总固体(TDS)与溶液中各种离子的电导率存在相关关系,同时电导率受温度影响较大。该原理是通过测量溶液的电导率,加以温度补偿系数,计算出溶液的TDS值。

(一)电导率测量原理

由于电导是电阻的倒数,因此当电极位于溶液中,可以测出两电极间的电阻R,根据欧姆定律,温度一定时,这个电阻值与电极间的间距L(cm)成正比,与电极的截面积A(cm2)成反比,即:

        R = ρL/A

由于电极面积A和间距L都是固定不变的,故L/A是一个常数,称为电导池常数(以Q表示),比例常数ρ称作电阻率,其倒数1/ρ称为电导率,以K表示

        K = Q/R

当已知电导池常数,并测出电阻后,即可求出电导率。电导池常数一般通过测量电导率准确已知的标准物质的电导,用相对测量方法确定电导池常数。

(二)电导率转化为TDS

溶液的电导率等于溶液中各种离子电导率之和,电导率与溶解性总固体之间存在着相关关系,而且相关关系显著。对于多数天然水,溶解总固体与电导率之间的关系可用下面的经验公式估算。

        TDS = (0.55~0.70)*K

公式中:TDS -- 水中溶解性固体
              K -- 为25℃ 时水的电导率,系数0.55~0.70随不同水质而异

电导率的测定简便、迅速,重现性、稳定性好,可通过测定电导率,按一定的比例推算水中溶解性总固体的量,分析工作简便且快速,得到的结果又更为准确,具有较高的实用性。

TDS与电导率之间关系详情可参考王学艳,张忠萍的《基子电导率与TDS及全盐量的关系研究》文献。

(三)温度修正

水的电导率随温度升高而增加。水温每升高1℃,电导率增加25℃时的2%左右。为使测量准确,测量仪器一般还带有温度传感器,用于实现对电导率的温度补偿,使测量结果更准确。

总体来说,只依据TDS数据不能判断水质的污染程度,只有TDS结合COD和TOC综全判断,才能更全面的反应水质情况

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