基于紫外可見光譜的水下多參數(shù)水質(zhì)檢測(cè)技術(shù)研究

徐世俊

(遼寧省遼陽水文局，遼寧 遼陽 111000)

隨著我國環(huán)境問題的日益嚴(yán)重，國家及地方政府加大了對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視，相繼制定了不少的措施，對(duì)保護(hù)生態(tài)環(huán)境發(fā)揮了重要的作用。水資源是保證人們生存及生態(tài)發(fā)展起到重要作用，但近些年水質(zhì)的不斷惡化也為生態(tài)環(huán)境的保護(hù)帶來了影響。保護(hù)水質(zhì)被作為環(huán)境保護(hù)的重點(diǎn)，應(yīng)作為重點(diǎn)進(jìn)行考慮，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)對(duì)保護(hù)水質(zhì)具有積極作用[1]。而傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)由于多采用化學(xué)方法，測(cè)試周期長，所使用藥劑多，且操作復(fù)雜，容易造成二次污染，對(duì)實(shí)現(xiàn)水質(zhì)的快速有效檢測(cè)具有阻礙作用。紫外可見光譜的使用對(duì)實(shí)現(xiàn)在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)起到了積極作用。

1 大凌河地區(qū)水質(zhì)實(shí)際情況分析

大凌河是遼寧省重要的河流，對(duì)遼寧省生態(tài)保護(hù)及經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到了積極的作用。該流域總面積約7000多km2，對(duì)保證朝陽市等附近區(qū)域的人類及生物生存起到了積極作用。據(jù)調(diào)查資料顯示，大凌河流域近年來由于工業(yè)的發(fā)展及人們生活的日益頻繁，污水大量隨意排放，對(duì)水資源造成了極大的污染，水質(zhì)環(huán)境日益惡化，對(duì)生態(tài)發(fā)展帶來了極大影響。根據(jù)目前相關(guān)部門所進(jìn)行的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，大凌河流域水質(zhì)相關(guān)指標(biāo)已嚴(yán)重超標(biāo)，對(duì)生態(tài)環(huán)境的發(fā)展造成也嚴(yán)重影響。如大凌河流域由于污水的大量排放，導(dǎo)致水體氮磷等物質(zhì)嚴(yán)重超標(biāo)，水體富營養(yǎng)化嚴(yán)重，導(dǎo)致一些藻類等嚴(yán)重繁殖，導(dǎo)致水體氧氣缺乏，影響水中生物的生存，造成水體生態(tài)發(fā)生嚴(yán)重破壞，危機(jī)其發(fā)展[2]。

2 應(yīng)用原理及技術(shù)分析

2.1 工作原理

對(duì)于紫外可見光譜用于對(duì)水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，由于其具有監(jiān)測(cè)速度快及操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛使用。近些年，在對(duì)水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)中，紫外可見光譜法所涉及的技術(shù)主要包括化學(xué)計(jì)量法及連續(xù)光譜法等，在對(duì)實(shí)現(xiàn)水質(zhì)快速檢測(cè)具有重要作用[3]。基于現(xiàn)有紫外可見光譜法用于水質(zhì)監(jiān)測(cè)，主要可實(shí)現(xiàn)對(duì)TOC，COD及N03等水質(zhì)參數(shù)的監(jiān)測(cè)，測(cè)試方法簡單且速度較快，在臨床具有較好的應(yīng)用價(jià)值。紫外可見光譜法用于水質(zhì)監(jiān)測(cè)，其主要原理是基于物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的特性，可在不同光譜曲線內(nèi)存在不一樣的吸收峰。其主要原理Wie朗伯-比爾定律，已建立不同波長下的水質(zhì)參數(shù)關(guān)系，并通過一定的數(shù)學(xué)關(guān)系對(duì)水質(zhì)進(jìn)行反推，實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)。根據(jù)實(shí)際情況，紫外可見光譜檢查中具有測(cè)試時(shí)間短及無化學(xué)試劑等，提高了測(cè)試精度。與此同時(shí)，該方法操作簡單且測(cè)試設(shè)備體積小，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了對(duì)水質(zhì)的在線監(jiān)測(cè)，在現(xiàn)有水質(zhì)監(jiān)測(cè)中被廣泛使用[4]。

2.2 水質(zhì)檢測(cè)技術(shù)方法研究

(1)COD(化學(xué)需氧量)是水質(zhì)監(jiān)測(cè)的重要技術(shù)指標(biāo)，其主要測(cè)試方法是在強(qiáng)氧化極的作用下計(jì)算水體所消耗氧化劑的量，其結(jié)果反映了水體受還原性物質(zhì)污染的程度。目前，常采用的方式主要有重絡(luò)酸鹽法及高錳酸鉀法等；而隨著技術(shù)的進(jìn)步，該方法逐漸被改進(jìn)與替代，如新出現(xiàn)的微波消解法、庫倫滴定法等，此外還有紫外吸收法等。雖然測(cè)試方式得以有效改進(jìn)，但仍不能滿足實(shí)際快速檢測(cè)之需要。

(2)硝酸鹽氮檢測(cè)，目前常見的有依據(jù)GB7480- 87所進(jìn)行的酚二磺酸風(fēng)光光度法，其主要機(jī)理是硝酸鹽在無水情況下與酚二磺酸反應(yīng)生成硝基二磺酸酚，在氨水調(diào)節(jié)下生成黃色硝基酚，并放入比色皿于410μm的波長下測(cè)定其吸光度，具體化學(xué)反應(yīng)如下：

C6H5OH+H2S04=C6H5(OH)(SO3H)2+2H20

此外，對(duì)于該指標(biāo)的監(jiān)測(cè)，離子交換色譜法也是常用的方法，如水樣中，待測(cè)陰離子隨碳酸鹽水溶液沖洗中進(jìn)行保護(hù)柱及分離柱，并結(jié)合分離柱對(duì)各陰離子的不同親和度進(jìn)行分離，通過測(cè)定各陰離子組分的電導(dǎo)率而實(shí)現(xiàn)對(duì)其指標(biāo)含量的定性定量測(cè)定。同時(shí)，該種方式對(duì)于測(cè)試水中的可溶性氟化物及硫酸鹽也具有一定的價(jià)值。該種方式選擇性好且靈敏度高等，實(shí)現(xiàn)了快速監(jiān)測(cè)，但操作較為復(fù)雜且價(jià)值昂貴，不宜長時(shí)間使用[5]。

3 應(yīng)用分析

大凌河流域這些年由于工業(yè)廢水及居民生活污水的排放等導(dǎo)致水體受到較大污染，加強(qiáng)治理迫在眉睫；但由于水體相關(guān)檢測(cè)技術(shù)的不完善，導(dǎo)致水質(zhì)指標(biāo)不能及時(shí)檢測(cè)，對(duì)實(shí)現(xiàn)其治理較為困難。本文結(jié)合紫外可見光譜法對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)的相關(guān)指標(biāo)監(jiān)測(cè)進(jìn)行說明。

3.1 化學(xué)需氧量測(cè)定

紫外分光光譜水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀的使用對(duì)實(shí)現(xiàn)化學(xué)需氧量的測(cè)定起到了積極作用。對(duì)于采用紫外分光光譜實(shí)現(xiàn)對(duì)COD指標(biāo)的監(jiān)測(cè)，鄰苯二甲酸氫鉀是其標(biāo)準(zhǔn)溶液，準(zhǔn)確配置并減少誤差能保證測(cè)試數(shù)據(jù)的有效性及完整性[6]。鄰苯二甲酸氫鉀被還原，其耗氧量為1.176g，即實(shí)際測(cè)定中，鄰苯二甲酸氫鉀對(duì)應(yīng)COD值為1.176g。同時(shí)，為保證測(cè)試干擾，選用蒸餾水作為溶劑是主要選擇。配置前應(yīng)在120℃溫度下進(jìn)行烘干，以排除藥品中所含有的水分。后用1/10000的天平稱取0.8503g藥品放入蒸餾水中進(jìn)行溶解，并盛入1000mL的容量瓶中定容至1000mL，即可得到COD為1000mg/L的溶液。

對(duì)上述已配置的溶液，按照一定比例進(jìn)行稀釋，配置成不同濃度的鄰苯二甲酸氫鉀溶液，并在254nm及280nm的吸光度，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，在254nm及280nm的吸光度與COD值之間具有較好的相關(guān)性。對(duì)于此，為進(jìn)一步確認(rèn)紫外水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，采用該種方式結(jié)合傳統(tǒng)COD監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行說明，就大凌河區(qū)域的水體COD值進(jìn)行監(jiān)測(cè)，具體測(cè)試數(shù)據(jù)見表1。

表1 大凌河不同監(jiān)測(cè)方法下的COD監(jiān)測(cè)值分析 單位：mg/L

由以上統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，采用紫外分光光譜法測(cè)定的數(shù)據(jù)，結(jié)果與采用重鉻酸鉀法進(jìn)行測(cè)定，且數(shù)據(jù)基本一致，可見其正確性；與此同時(shí)，測(cè)試速度快，如利用紫外光譜水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀可實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)的在線監(jiān)測(cè)，在實(shí)際使用中具有積極應(yīng)用價(jià)值[7]。采用該種方式，對(duì)大凌河不同區(qū)域的水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，研究發(fā)現(xiàn)，在人口密集區(qū)及工業(yè)生產(chǎn)區(qū)，其水質(zhì)中的COD值較高，而郊區(qū)由于水質(zhì)受到的污染較少，COD含量較低，其結(jié)果與預(yù)測(cè)值基本一致。

3.2 硝酸鹽氮相關(guān)指標(biāo)測(cè)定

對(duì)于采用紫外可見光譜法實(shí)現(xiàn)對(duì)硝酸鹽氮的監(jiān)測(cè)，其測(cè)試方法與COD值監(jiān)測(cè)基本一致。首要步驟應(yīng)為配置標(biāo)準(zhǔn)溶液，獲得不同吸光度值下的標(biāo)注曲線，以實(shí)現(xiàn)對(duì)比測(cè)定。關(guān)于硝酸鹽氮測(cè)定所選用的標(biāo)準(zhǔn)溶液為硝酸鉀溶液，純度應(yīng)為分析純，同時(shí)，為保證其使用中不會(huì)發(fā)生變質(zhì)等情況，配置完成后應(yīng)加入2mL三氯甲烷進(jìn)行保存，存儲(chǔ)時(shí)間可延長至6個(gè)月。如實(shí)際測(cè)量中，稱取0.722g的硝酸鉀定容至1000mL，即可得到100mg/L的硝酸鹽氮；后按照一定比例稀釋至不同濃度，并在220nm光度下測(cè)定其吸光度，以便繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

通過以上方式，分別對(duì)大凌河流域水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)采用麝香草酚風(fēng)光光度法進(jìn)行對(duì)比，數(shù)據(jù)證明，采用紫外分光光度法測(cè)定水體中硝酸鹽氮的含量，其測(cè)試結(jié)果與使用傳統(tǒng)方式(即麝香草酚風(fēng)光光度法)進(jìn)行對(duì)比，測(cè)試結(jié)果基本類似，其平均誤差約3%，數(shù)據(jù)在允許誤差范圍內(nèi)。因此，采用紫外分光光譜法對(duì)水體中的硝酸鹽氮含量進(jìn)行測(cè)試，具有較好的效果，測(cè)試優(yōu)點(diǎn)如3.1中COD測(cè)定優(yōu)勢(shì)，在實(shí)際應(yīng)用中可取得一定效果。

3.3 色度測(cè)定

顏色是水質(zhì)外觀的重要指標(biāo)，對(duì)于水質(zhì)而言，一般包括真色與表色兩種。其中，真色為去除水體中懸浮物的顏色，而表色則為未去除表面懸浮物的顏色。一般情況下，對(duì)于清潔及濁度低的水，真色與表色基本一致，而對(duì)于工業(yè)廢水，由于其水體內(nèi)部含有大量的膠體及其他物質(zhì)，兩種顏色差異較大[8]。依據(jù)GB11903- 99標(biāo)準(zhǔn)所述，采用氯鉑酸鉀和氯化鉆配制而成的系列色度標(biāo)準(zhǔn)溶液與樣品顏色進(jìn)行對(duì)比，其確定其樣品色度。該種方式不適用于與標(biāo)準(zhǔn)溶液色調(diào)不一致的樣品的測(cè)定。研究發(fā)現(xiàn)，采用紫外可見光譜法測(cè)定樣品色度，設(shè)定其吸收峰為350nm，其色度范圍與采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行測(cè)定，其結(jié)果基本吻合相對(duì)誤差在4%范圍內(nèi)，因此，可以說，采用紫外可見光譜水質(zhì)自動(dòng)檢測(cè)儀在350nm吸光度下實(shí)現(xiàn)對(duì)水體色度的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果證明方法切實(shí)可行，滿足實(shí)際測(cè)試要求[9]。

3.4 濁度測(cè)定

對(duì)于以上對(duì)提及的水質(zhì)幾個(gè)相關(guān)指標(biāo)采用紫外可見光譜時(shí)下檢測(cè)具有較好的效果。而對(duì)于濁度測(cè)試來講，測(cè)試過程應(yīng)盡量快才能保證其測(cè)試準(zhǔn)確度，而傳統(tǒng)測(cè)試方法，測(cè)試過程復(fù)雜，且如采用對(duì)比法，誤差較大，對(duì)實(shí)際數(shù)據(jù)參考無實(shí)際價(jià)值。紫外可見光譜法進(jìn)行對(duì)水體濁度的測(cè)試，其結(jié)果具有極大的應(yīng)用效果。如在680nm吸光度下采用紫外可見光譜水質(zhì)自動(dòng)檢測(cè)儀實(shí)現(xiàn)對(duì)大凌河區(qū)域水質(zhì)的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果與采用傳統(tǒng)測(cè)試方法基本一致，且測(cè)試速度更快，結(jié)果更準(zhǔn)確，可取得較好使用效果[10]。

4 結(jié)語

綜上所述，水質(zhì)指標(biāo)作為環(huán)境治理及生態(tài)保護(hù)的重要依據(jù)被廣大學(xué)者及業(yè)內(nèi)人士高度重視。而基于目前實(shí)際情況，在對(duì)水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測(cè)中，無法對(duì)其進(jìn)行及時(shí)快速監(jiān)測(cè)是其難點(diǎn)，也是不足。筆者結(jié)合實(shí)際情況，就紫外可見光譜法測(cè)定水質(zhì)的基本原理及大凌河流域中的應(yīng)用情況進(jìn)行了說明，舉例及通過與傳統(tǒng)測(cè)試方法的對(duì)比，說明了采用紫外可見光譜法測(cè)定水質(zhì)相關(guān)指標(biāo)的有效性及準(zhǔn)確性，以便為該方法在實(shí)際檢測(cè)中的應(yīng)用提供參考依據(jù)。

[1] 許衛(wèi)娟. 離子色譜法測(cè)定地表水中氟化物的方法探討[J]. 環(huán)境科學(xué)導(dǎo)刊, 2014, 33(4): 86- 87.

[2] 李學(xué)森. 凌河流域水資源現(xiàn)狀及保護(hù)措施[J]. 水土保持應(yīng)用技術(shù), 2015(03): 36- 37.

[3] 張久龍, 季營, 羅瑩瑩, 等. 鉬酸銨分光光度法測(cè)定水中總磷不確定度[J]. 硅谷, 2012(21): 183- 184.

[4] 陳妍. 鉬酸銨分光光度法測(cè)定水中總磷含量的不確定度評(píng)定[J]. 廣東化工, 2014, 41(02): 115- 116.

[5] 王志民, 于福蘭, 劉志芬, 等. 阜新市地表水資源質(zhì)量評(píng)價(jià)[J]. 東北水利水電, 2003(09): 38- 39.

[6] 高素麗. 遼陽市水資源開發(fā)利用和管理保護(hù)對(duì)策[J]. 水土保持應(yīng)用技術(shù), 2011(04): 45- 47.

[7] 楊錦華. 佛寺水庫水源飲水安全與水環(huán)境保護(hù)[J]. 水利技術(shù)監(jiān)督, 2006(03): 50- 52.

[8] 溫樹成. 大伙房水庫水體富營養(yǎng)化現(xiàn)狀分析及對(duì)策研究[J]. 水土保持應(yīng)用技術(shù), 2015(02): 31- 32.

[9] 馬宇, 王淑偉. 遼寧省水資源現(xiàn)狀分析及保護(hù)措施研究[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計(jì), 2015(11): 42- 44.

[10] 徐斌, 劉克巖, 時(shí)曉飛, 等. 地表水資源水質(zhì)水量結(jié)合評(píng)價(jià)方法研究[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計(jì), 2003(02): 25- 30.