紫外光譜法在水質化學需氧量檢測中的應用技術研究

習 燕

(新疆伊犁水文勘測局，新疆 伊犁 835000)

化學需氧量是以化學方法測量水質中需要被氧化的還原性物質的量。在各種水體污染物中，化學需氧量是反映生活工業廢水中有機物污染程度的指標，在水樣檢測中是必須要測量的項目。由于大多數水質污染中有機物在紫外線范圍內具有吸收的特點，所以采用紫外光譜法可對有機物進行定性、定量的有效測定。目前，關于紫外光譜法在水質化學需氧量檢測應用研究較多。在國外，從1960年底就開始研究水中污染物濃度與紫外吸光度之間的關系。其中，Maccraith、Dobbs等學者針對城市污水處理廠污水的檢測，驗證得出A254 nm紫外吸收光度值與傳統的化學檢測的TOC成較好的線性關系。在國內，關于紫外光譜法在水質化學需氧量檢測應用比國外低，且相應的檢測技術應用尚不成熟，可見紫外光譜法在水質化學需氧量檢測應用前景廣闊[1]。由此，此次研究具有極為重要的理論價值與實踐指導意義。

1 紫外光譜法在水質化學需氧量檢測應用

原理

1.1 紫外光譜法介紹

關于紫外光譜法在水質化學需氧量檢測中應用經歷了漫長的發展階段，從早期的單波紋分析研究到目前的多波長分析研究。它的產生主要是由于分析運動時產生的能級躍遷[2]。在整個紫外可見光譜區域內，波長的范圍為10～780 nm，具體類別劃分如表1所示。其中，水質檢測的紫外可見光區波長范圍為200～780 nm之間，主要是指近紫外光區與可見光譜區。

表1 紫外可見光譜區波長類型劃分

1.2 紫外光譜法檢測應用原理

對于紫外光譜法在水質化學需氧量檢測中應用，最早是國外學者注意到物質對光的吸收現象，之后研究得出光的吸收程度與吸光物質濃度之間有一定的關系。由此，得出朗博-比爾定律測量原理，具體如圖1所示。

圖1 朗博-比爾定律測量原理圖

2 紫外光譜法在水質化學需氧量檢測系統設計

對于紫外光譜法在水質檢測中應用，主要測量水體中濁度、化學需氧量等參數。關于紫外光譜法在水質化學需氧量檢測中應用，目前我國有多種相關的檢測儀器，主要是基于化學法或電化學法基礎上測量。由于該測量方法周期長、所需化學試劑需求量大，且易發生故障與造成水質二次污染。而國外相關檢測技術發展比較成熟。基于此，結合國外科技發展趨勢與市場需求，展開對紫外光譜法在水質化學需氧量檢測系統設計。

2.1 系統框架設計

基于以上對紫外光譜法應用原理的分析，在設計水質化學需氧量檢測系統時，需要滿足在線檢測需求，由此系統設計框架結構如圖2所示。

圖2 紫外光譜法水質化學需氧量在線檢測系統框架設計

從該框架中主要分為四部分，即光譜測量系統、開放流通系統、光電接受與轉換系統及控制系統。其中，光譜測量系統好壞可直接影響到整個測量系統的準確性與精度。在該系統中，測水樣采集到檢測裝置后，柑橘檢測流程，光源產生的紫外可見光通過光纖等有效傳輸到檢測裝置，之后傳輸到光譜儀，待光電轉換之后將數字光譜數據收集后，通過USB傳輸于高性能工業計算機，最后由設計好的相關軟件處理進而得到水質的紫外可見吸收光譜[3]。此次水質化學需氧量在線檢測，光源作為整個光路系統最初始的信號，光源的選擇管轄到整個系統檢測結構是否可靠。由此，根據試驗要求選擇價格低、穩定性及光源可靠性強的脈沖疝燈光源，該疝燈結構如圖3所示。從整個儀器設備看，對水質化學需氧量檢測無需技術人員在現場操作與維護只要將工作參數設置好之后，就可以自行實現數據的采集與分析。

圖3 疝燈結結構圖

2.2 系統工作流程

在整個檢測儀器系統中，軟件部分是核心，可實現對光譜數據的采集到輸出控制等[4]。為了有效檢測水樣中化學需氧量，在檢測過程中必要按照流程執行，具體如圖4所示。在檢測時，上電之后上位機監控軟件發出指令，之后控制系統接收質量，疝燈發出的復合光進入到開放流通池內，被吸收的光信號轉化為相應的電信號，再通過無線傳輸模塊傳輸到上位機，待處理后得出水質化學需氧量。該儀器波長范圍為200～700 nm之間，波長誤差、重復性誤差等指標符合國家規定要求[5]。由于該檢測系統中有無線傳輸接口等設備，可將實時監測的數據傳輸到上級管理部門，大大提高了水樣監測的速度與力度。

圖4 紫外光譜法水質化學需氧量在線檢測系統工作流程

3 實驗檢測及結果分析

3.1 鄰苯標準溶液實驗

據國標GB 11914—89化學需氧量的測定[6]，濃度為2.08 mol/L的鄰苯二甲酸氫鉀的化學需氧量理論數值為500 mg/L，根據法則所配置的15種鄰苯溶液為量程校正液，濃度與相應的化學需氧量數值如表2所示。

表2 15種鄰苯量程校正液濃度與化學需氧量數值 mg/L

即鄰苯標準溶液時的光強值。由此公式極端得出鄰苯溶液的吸光度譜圖在紫外區有明個明顯的吸收峰，分別為230 nm、281 nm，但在可見光區沒有紫外吸收現象，則吸光度為0。

在以上數據基礎上，對鄰苯標準溶液的化學需氧量數值與254 nm鄰苯溶液吸光度數值進行分析，其線性關系如圖5所示。其中，橫坐標為量程校準液測得的254 nm鄰苯溶液吸光度，縱橫坐標為對應的化學需氧量數值，即COD=186.5×A254-27.53。通過該標準曲線可實現實時檢測。

圖5 254 nm鄰苯溶液標準曲線圖

3.2 鄰苯標準溶液檢驗

根據圖5標準曲線縱向方程COD=186.5×A254-27.53得出鄰苯溶液標準COD數值記為A，將國標GB 11914—89化學需氧量檢測鄰苯溶液數值記為B，對比分析兩組數值，具體如表3所示。從表中可知A組與B組兩者差值較小，但讓存在一定的誤差。為進一步驗證兩者是否具有相關性，采用統計學t檢驗，得出A組與B組兩者數值差異不明顯，可進一步驗證了紫外可見光譜大對水質化學需氧量檢測的可行性。

表3 兩組鄰苯溶液化學需氧量數值比較

3.3 實際水樣檢測及結果比較

以某工業排除的污水為水樣進行檢測，將去離子水作為參與溶液，得出該水樣吸光度譜圖在230 nm、280 nm附近可達到兩個吸收峰。該段吸光度值與標準溶液的數值相比較低。可見，水樣在可見光區有一定的吸收，但與紫外區相比，吸光度數值偏小，需要進一步的修正。這是由于水質可濁度等因素的影響，使用A254-A546代替段純的A254，通過相關儀器設備的使用，最后測量得到相應的化學需氧量，實現水質的實時在線監測。

4 結語

綜上所述，由于傳統的水質化學需氧量檢測方法周期長、所需化學試劑需求量大，且易發生故障與造成水質二次污染。所以找到合理的檢測方法十分必要。本文基于紫外光譜法檢測方法原理之上，設計了水質需氧量檢測系統，之后通過鄰苯標準溶液實驗與對實際水樣的檢測驗證，得出檢測的化學需氧量數值與實際數值之間差異并不明顯，可實現水質化學需氧量實時在線檢測，值得應用與推廣。