氨氣敏電極法遠程氨氮監測系統的研究

杜燕萍，劉 斌，劉永紅，常 薇，王毅博

(西安工程大學 環境與化學工程學院 化學工程系，陜西 西安 710048)

氨氮廣泛存在于地表水和地下水中，氨氮含量超標對水體富營養化、人類健康以及生態環境均具有嚴重的影響[1-4]。開展氨氮及時而準確的監測有助于評價水體被污染和“自凈”狀況，對地球環境保護及社會經濟可持續性發展具有重要的意義[5-6]。氨氮監測儀多采用氨氣敏電極法，這也是我國環保部水質氨氮自動監測的推薦方法之一[7-8]。國外很早對此方面就有研究，Mascini等人[9]和Leduy等人[10]分別采用氨氣敏電極對厭氧污泥以及湖泊中氨氮含量進行測量，均得到良好的監測結果。2008年，德國WTW公司研制出新的氨氣敏電極探頭，很好地解決了在線監測過程中干擾離子(如K+和Cl-)的影響，且無需樣品預蒸餾處理和校準[11]。在我國，李敏[12]簡單研究了氨氣敏電極的實驗室分析法，并與蒸餾法進行了比較，證明了電極法的可行性。盧金鎖等人[13]從物理化學角度討論氨氣敏電極法氨氮在線監測儀的監測過程及原理，得出干擾監測精度和穩定性的幾個主要因素。吳建忠等人[14]介紹了其研制的氨氣敏電極和氨氮自動監測儀，通過對電極的穩定性等項目監測，證明了其產品可用于在線水質銨的測定。卞賀明等人[15]設計并制備了一種具有微池薄液層結構的安培型氨氣微傳感器，并以此構建了氨氮監測系統，探索了使用安培型氨氣微傳感器監測氨氮的方法。武鳴等人[16]從響應時間、溫度等方面，分析了影響氨氮測定的因素。

遠程傳輸功能的氨氮在線監測系統可用于各地河流、湖泊等監測點的長期無人檢測，對于實現更廣、更大范圍的環境監測和保護具有深遠的意義。同時，對于避免由氨氮引起的突發事件，保障人們生產、生活的安全、提高經濟效益和社會效益具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 量液管自動進樣控制系統

圖1 現場工作站測量原理示意圖

量液管自動進樣控制系統為化學反應提供準確的50mL測量液和20mL堿化劑(軟件可調整)，其結構示意圖如圖1所示。系統對量液管的控制包括按壓力控制和按步數控制兩種控制方式。部分主要由量液管自動進樣控制系統、測量池磁力攪拌控制系統兩部分組成，現場工作站的測量原理示意圖如圖1所示。

系統采用按壓力控制方式時，通過高精度耐腐蝕壓力傳感器和蠕動等泵實現溶液的準確吸取。控制過程具有控制精度高，測量準確等優點。系統采用按步數控制方式時，通過高精度耐腐蝕蠕動泵步進抽取反應液體。控制過程具有實時性好，效率高等優點。系統采用獨特的液路換相技術，通過耐腐蝕電磁閥的切換防止了液體間的交叉污染，為液體氨氮的準確測量提供了保障。

1.2 測量池磁力攪拌控制系統

圖2 為測量池磁力攪拌控制系統結構示意圖

磁力攪拌控制系統的主要作用是實現液體的快速反應和氨氣的自動檢測功能。整個系統工作依據化學方程式：NH4Cl+NaOH=NH3↑+NaCl+H2O產生氨氣，通過氨氣敏電極采集氨氮信息，最后通過一定的算法得出氨氮濃度。

在結構設計上，綜合考慮溫度變化、氨氣逃逸、氨氣敏電極透氣膜破裂等因素對測量結果的影響，系統測量池磁力攪拌控制系統的結構示意圖如圖2所示。

當反應溶液由量液裝置抽入反應池，測量過程開始。

首先，啟動加蓋電機推動加蓋小車，關閉反應池頂蓋。啟動磁力攪拌電機，保證試劑充分反應。啟動恒溫控制裝置，加熱反應液體至40 ℃(軟件可調整)。

其次，啟動升降電機，將氨氣敏電極送入反應池，采集氨氣信號。然后單片機通過一定算法得出反應液氨氮濃度。

最后，打開排液加管閥和排液泵，將廢液排出，完成現場工作站的一次測量。

1.3 現場工作站

現場工作站實物圖如圖3所示。

圖3 現場工作站實物圖

2 結果與討論

遠程氨氮監測系統是基于電極電位感測原理，采用氨氣敏電極進行液體氨氮檢測，并將設備運行參數通過網絡發送至監控室的遠程在線檢測裝置。系統具有自動校準、自動流量控制、自動清洗以及自動調整測量時間間隔等功能。

系統由電源共給系統、水樣進排系統、現場工作站和遠程監控站四部分組成。整個系統的功能示意圖如圖4所示。

圖4 整個系統的功能示意圖

電源供給系統為系統的可靠運行提供穩定能源保障。水樣進排系統完成測量液的過濾、進樣以及廢液的后續處理。現場工作站完成測量液氨氮含量的全自動測量。遠程監控站實現對設備的遠程監測和控制。

現場工作站工作過程基本如圖1所示下：

第一步：測量液量液管和NaOH量液管分別通過蠕動泵吸取50 mL的測量液和20 mL的堿化劑(NaOH和離子屏蔽劑的混合溶液)，進而通過兩個隔膜泵將溶液抽入反應池，使之充分反應；

第二步：控制裝置驅動加蓋電機打開測量池頂蓋，驅動升降電機將氨氣敏電極伸入測量池，采集氨氮信號；

第三步：系統中央處理單元通過一定的算法得出氨氮濃度；

第四步：水樣進排系統通過排液泵將反應廢液排出。

圖1中，標定液1和標定液2實現對系統的標定，堿化劑為NaOH和離子屏蔽劑的混合溶液，清洗液完成系統液路的清洗。

系統現場工作站主要由量液管自動進樣控制系統和測量池磁力攪拌控制系統組成。

量液管自動進樣控制系統：

量液管自動進樣控制系統為化學反應提供準確的50mL測量液和20 mL堿化劑(軟件可調整)，其結構示意圖如圖1所示。系統對量液管的控制包括按壓力控制和按步數控制兩種控制方式。

系統采用按壓力控制方式時，通過高精度耐腐蝕壓力傳感器和蠕動等泵實現溶液的準確吸取。控制過程具有控制精度高，測量準確等優點。系統采用按步數控制方式時，通過高精度耐腐蝕蠕動泵步進抽取反應液體。控制過程具有實時性好，效率高等優點。系統采用獨特的液路換相技術，通過耐腐蝕電磁閥的切換防止了液體間的交叉污染，為液體氨氮的準確測量提供了保障。

該系統可以達到的部分技術指標如表1所示。

表1 遠程氨氮監測系統部分性能指標

3 結論

水體中的氨氮含量是水質檢測的重要指標之一，本系統以氨氣敏電極法為基礎，以化學反應能斯特方程為理論依據，研究了遠程氨氮監控系統的整體方案、完成了現場工作站機械研究、硬件設計和軟件研究，組裝了實驗樣機，并進行了大量的測試實驗。實驗表明，系統基本符合設計要求，可以實現水中氨氮含量的全自動檢測。