水質(zhì)陽極伏安法重金屬檢測儀設(shè)計

鄭 英,王迷迷,李香菊,張立珍

（東南大學成賢學院，江蘇南京,210088）

水質(zhì)陽極伏安法重金屬檢測儀設(shè)計

鄭 英,王迷迷,李香菊,張立珍

（東南大學成賢學院，江蘇南京,210088）

本文設(shè)計一種采用陽極伏安法對水環(huán)境重金屬進行檢測的儀器。本文分析了伏安法檢測原理，設(shè)計了硬件電路，軟件編程并制作樣機。通過該儀器能夠檢測水環(huán)境中的銅、鉛、鎘、鋅等多種重金屬的濃度，并對測量數(shù)據(jù)進行存儲和打印。通過對多種重金屬進行測試驗證，該系統(tǒng)具有靈敏度好、效率高、信息存儲量大，友好的人機界面等特點，具有良好的重金屬檢測功能。

伏安法；重金屬檢測；樣機測試

0 引言

隨著人們生活水平的提高，人們越來越重視水的質(zhì)量。近年來，各種水環(huán)境中重金屬污染問題日趨加劇已成為不爭的事實。江河湖庫底質(zhì)的污染率高達80.1%，太湖是我國第三大淡水湖，2005年的采樣分析結(jié)果表明，與海洋國家沉積物標準（GB18668-2002）、土壤環(huán)境質(zhì)量國家標準(GB15618-1995)和生態(tài)危害臨界值（TEL）相比，太湖表層底泥中出現(xiàn)了重金屬的復(fù)合污染，污染物主要為Cu、Cd、Ni、Zn。飲用水的水質(zhì)越來越引起人們的關(guān)注。

1 伏安法重金屬檢測系統(tǒng)的工作原理

伏安法重金屬檢測的原理是陽極溶出伏安法(ASV)。該方法將富集電位加至工作電極，當電極電位超過析出電位，溶液中待測金屬離子(Mn+) 還原為金屬附著于工作電極表面，如式（2-1）所示：

電位施加時間越長，還原出來富集于電極表面（還原過程亦被稱為“電沉積”過程）的金屬量越多。當足夠的金屬富集于工作電極表面時，以一定速率由負到正反掃描，金屬將在電極上溶出（氧化過程）如圖2-1所示，

對于給定的電解質(zhì)溶液和電極，每種金屬都有特定的發(fā)生式（2-2）氧化反應(yīng)的電位：

該過程釋放電子形成電流，測量該電流，電流與電壓的關(guān)系圖即為“伏安圖”，根據(jù)峰電流或峰面積與待測金屬的濃度成正比，計算得出待測樣所含金屬濃度。不同金屬的峰值電流或峰面積如圖2-2所示

陽極溶出伏安法的操作主要分三步：富集，靜止和掃描（溶出）。首先，溶液中的被測物質(zhì)在一定電位下被電解富集到工作電極上，靜止一會，使被富集的物質(zhì)在工作電極上分部均勻，以提高分析結(jié)果的再現(xiàn)性，然后反向掃描電位，使被測物質(zhì)快速溶出而獲得較大的溶出電流峰。溶出電流峰高在一定的溶度范圍內(nèi)于被測物質(zhì)的溶度成正比，出現(xiàn)溶出電流峰的電位與被測物質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)。

圖1 富集金屬還原溶出的金屬曲線圖2 Zn、Cd、Pb的峰值電流或峰面積

2 水質(zhì)重金屬檢測系統(tǒng)的構(gòu)成

便攜式水質(zhì)重金屬檢測系統(tǒng)構(gòu)成如圖3-1所示，該系統(tǒng)由手持式測試主機、電極探測裝置、藍牙打印機和PC上位機機軟件（可選）組成，其中探測裝置包含電極系統(tǒng)和電極臺。該檢測儀以手持式控制主機為核心，以探測裝置為分析測量場所，以附件（包括藍牙打印機、移液器、電極清洗包、電解液、標準液和電鍍液等）為輔助，并可通過USB接口與PC機控制軟件進行聯(lián)機，實現(xiàn)聯(lián)機測試、數(shù)據(jù)管理和譜圖算法分析等功能。

圖3 水質(zhì)重金屬檢測系統(tǒng)構(gòu)成

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

首先配置空白樣，采用陽極溶出伏安法，測定掃描電壓下的出峰電壓，其次，同樣方法，配置標準樣，知道標準樣的溶度的情況下，測定其峰值電壓，再配置一份待測液，根據(jù)標準樣出峰電壓時的掃描電壓，系統(tǒng)找出待測液在此掃描電壓下的出峰電壓。即可推測出待測液的溶度。

圖4 伏安法重金屬檢測儀軟件流程圖

4 伏安法重金屬檢測儀樣機

重金屬檢測儀由主機、電極探測裝置和檢測電極構(gòu)成。

主機如圖5所示，面板上有電源開關(guān)按鍵、清洗按鍵、確認按鍵和顯示屏。在主機的下面有主機接口，如圖6所示，包括電源接口、USB接口和電極探測接口。

圖5 儀器主機正面

圖6 主機接口

圖七是檢測探頭包括攪拌桿和電極。圖8是檢測電機

圖7 探測頭

圖8 檢測電極

5 小結(jié)

本系統(tǒng)通過伏安法對自來水中重金屬進行檢測，給出了伏安法測量原理，伏安法重金屬檢測系統(tǒng)設(shè)計以及便攜式伏安法自來水重金屬檢測的樣機。通過可視界面可以讀出重金屬的含量。經(jīng)過實際實驗驗證，本系統(tǒng)檢測準確，測量時間短，能夠滿足自來水重金屬檢測指標要求。

[1] 劉德生.環(huán)境監(jiān)測[M]. 化學工業(yè)出版社，2001.

[2] 李毅，王銀瓶，吝濤等.船載海洋環(huán)境重金屬檢測的電子舌研究[J].傳感技術(shù)學報，2007，20（001）：32-37

Design of heavy metal detector for anodic stripping voltammetry

Zheng Ying,Wang Mimi,Li Xiangju,Zhang Lizhen
（Southeast University Chengxian College,Jiangsu Nanjing,210088）

This paper designs an instrument for the detection of heavy metals in water by anodic voltammetry.In this paper,we analyze the principle of the detection,design the hardware circuit,the software programming and the prototype.The instrument can detect the concentration of copper,lead,cadmium, zinc and other heavy metals in the water environment,and the measurement data is stored and printed.The system has the advantages of good sensitivity,high efficiency,high efficiency,high information storage capacity, friendly man-machine interface and so on.

voltammetry;heavy metal detection;prototype testing