王煒煜 趙芳 井曉兵(華北油田公司供水供電服務(wù)中心調(diào)控中心, 河北 任丘 062552)

基于光譜分析的紫外水質(zhì)檢測(cè)技術(shù)

王煒煜 趙芳 井曉兵(華北油田公司供水供電服務(wù)中心調(diào)控中心, 河北 任丘 062552)

本文從實(shí)際出發(fā)，提供了一種基于紫外可見(jiàn)光譜的水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)，各個(gè)水樣的吸光度均大于0.99，單次測(cè)量在1秒內(nèi)。同時(shí)，本文還提出了光譜直接對(duì)比的方法以及對(duì)應(yīng)的參數(shù)。通過(guò)對(duì)鄰苯二甲酸氫鉀溶液以及實(shí)際水樣的實(shí)驗(yàn)，對(duì)這些水樣進(jìn)行分類，從數(shù)據(jù)庫(kù)尋找合適的模型，提高了紫外試紙檢測(cè)技術(shù)的泛化能力，同時(shí)還能得到其他水質(zhì)的指數(shù)。

水質(zhì)監(jiān)測(cè)；光譜；吸光度

0 引言

近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了有關(guān)紫外吸收水質(zhì)檢測(cè)技術(shù)的研究，從相關(guān)的研究當(dāng)中我們發(fā)現(xiàn)，水中的吸光度與水中色度、DOC等具有一定的相關(guān)性。1978年，日本將UV254列為水質(zhì)監(jiān)測(cè)的正式標(biāo)準(zhǔn)。作為一種純物理的光學(xué)測(cè)量法，紫外水質(zhì)檢測(cè)不需要化學(xué)試劑，也沒(méi)有二次污染的情況發(fā)生，且具有較快的檢測(cè)速度，還能進(jìn)行在線連續(xù)監(jiān)測(cè)，反應(yīng)水質(zhì)動(dòng)態(tài)，為檢測(cè)污染事故預(yù)防提供了有力的依據(jù)。

目前，對(duì)于COD的測(cè)量多采用254mm吸光度的方法來(lái)進(jìn)行檢測(cè)，這種方法操作簡(jiǎn)單，檢測(cè)精準(zhǔn)度高，但難以對(duì)成分變化較大的水體進(jìn)行檢測(cè)，因此還需要進(jìn)行更加深入的探討。本文提出了一種基于UV光譜的分析方法，能夠?qū)Χ鄻拥乃w進(jìn)行有限的分類，本文介紹的分析方法可以對(duì)光譜進(jìn)行分類，同時(shí)得到關(guān)于檢測(cè)水體的水質(zhì)特征。

1 紫外水質(zhì)檢測(cè)原理及光譜分析方法

1.1 紫外水質(zhì)檢測(cè)原理

紫外水質(zhì)檢測(cè)的理論，用公式表示為：A=kcL，在本公式當(dāng)中，k表示吸收系數(shù)，c為物質(zhì)的溶液濃度，L為水體中苯、酚類等化學(xué)需氧量物質(zhì)，在紫外區(qū)當(dāng)中，這些物質(zhì)都有較強(qiáng)的光譜吸收，因此紫外吸光度測(cè)定能夠有效的應(yīng)用于COD的檢測(cè)當(dāng)中。

1.2 光譜分析方法

(1)光譜直接對(duì)比分析方法

光譜直接對(duì)比法需將被測(cè)以及參照的水樣光譜進(jìn)行對(duì)比，并擬定一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，之后進(jìn)行光譜的對(duì)比分析，如果指標(biāo)大于擬定指標(biāo)，那么兩種水樣是一種樣本。

(2)光譜歸一化分析法

光譜歸一化分析法是一種較為簡(jiǎn)化的計(jì)算方式，在實(shí)際的檢測(cè)過(guò)程當(dāng)中，如果歸一化光譜出現(xiàn)了重合，那么樣品組成的成分相同或者相似，可以歸為一類品；如果沒(méi)有擁有較好的重合性，則不能歸為同一類水樣，因?yàn)閮烧咧g有較大的成分差別。

2 結(jié)果與分析

2.1 紫外水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀器

該水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀器由多種模塊組成，在該儀器當(dāng)中，脈沖疝燈發(fā)出的光，會(huì)經(jīng)過(guò)由電機(jī)丹東的光柵分光系統(tǒng)組成的單色器裝置當(dāng)中，經(jīng)過(guò)分離的單色光會(huì)進(jìn)入流通池，被吸收的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換后傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行顯示、儲(chǔ)存

以及處理。本位研制的UV水質(zhì)檢測(cè)儀可以由上位機(jī)的監(jiān)控軟件進(jìn)行控制，其可測(cè)光譜范圍為200-720mm。

2.2 紫外吸光度檢測(cè)COD

在本文的研究當(dāng)中，采集了四種水樣，利用上文提到的UV水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀對(duì)這四種水樣的光譜分別進(jìn)行了測(cè)量，并建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，結(jié)果顯示，其擬合指標(biāo)R2均大于0.99。但與此同時(shí)我們也發(fā)現(xiàn)，這四種水樣模型上具有較大的差別，如果利用反演的方式進(jìn)行檢測(cè)，則會(huì)出現(xiàn)一定的誤差，下表為四種水樣的分析結(jié)果。

表1 四種水樣的COD擬合曲線

2.3 光譜分析實(shí)驗(yàn)

我們對(duì)十四種溶液進(jìn)行了配置，并進(jìn)行了光譜歸一化對(duì)比，在對(duì)其進(jìn)行光譜歸一化處理后，我們發(fā)現(xiàn)大部分的樣品都都出現(xiàn)了小于10%的波動(dòng)，每個(gè)樣品歸一化光譜波動(dòng)小于5%的數(shù)據(jù)均大于85%，而有一半以上的樣品，其歸一化光譜波動(dòng)小于5%的數(shù)據(jù)達(dá)到了99%以上，因此我們認(rèn)為，這些歸一化的光譜重合，由此可見(jiàn)，對(duì)于成分相同但濃度不同的溶液，其歸一化光譜重合，對(duì)比擬合直線呈線性。

2.4 實(shí)際水樣實(shí)驗(yàn)

我們從某條河流當(dāng)中的同一地點(diǎn)采集了兩份水樣，一份用離子水稀釋成八份溶液，且每份的濃度各不相同，對(duì)其COD值進(jìn)行了分別測(cè)量，并進(jìn)行光譜分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，歸一化后兩者有很強(qiáng)的重合度，這說(shuō)明所測(cè)水樣來(lái)自同一樣本。

2.5 組成成分濃度比例不變的混合溶液實(shí)驗(yàn)

將鄰苯二甲酸氫鉀與濁度進(jìn)行配置，形成混合液，保持其比例為2∶5，并對(duì)其進(jìn)行光譜歸一化，從實(shí)際的結(jié)果我們發(fā)現(xiàn)其光譜具有較大的差異，為消除這種模型誤差，采取歸一化以及對(duì)比法進(jìn)行歸類，并給出預(yù)測(cè)模型。

3 結(jié)語(yǔ)

本文利用實(shí)驗(yàn)的形式，發(fā)現(xiàn)了水樣吸光度與COD值之間的關(guān)系。本文當(dāng)中利用的實(shí)驗(yàn)分析方法，操作簡(jiǎn)單，并且能夠有效的對(duì)不同成分的水樣進(jìn)行判斷。而通過(guò)光譜分析的方法，則能夠減少實(shí)際檢測(cè)的誤差，解決精準(zhǔn)度的問(wèn)題。