基于光譜分析的紫外水質(zhì)檢測(cè)技術(shù)探討

郭 琦

（大慶油田水務(wù)研究設(shè)計(jì)院，黑龍江 大慶 163000）

0 引言

電化學(xué)水質(zhì)分析技術(shù)受技術(shù)原理以及檢測(cè)流程決定，電化學(xué)水質(zhì)分析技術(shù)分析周期長(zhǎng)，測(cè)量方式十分繁瑣，同時(shí)測(cè)量中需要添加大量的化學(xué)原料逐步被基于光譜分析的紫外水質(zhì)檢測(cè)技術(shù)所取代。光譜分析紫外水質(zhì)檢測(cè)技術(shù)有效的規(guī)避了傳統(tǒng)化學(xué)水質(zhì)分析存在的諸多弊端，并具備更高的檢測(cè)精度，本文主要針對(duì)該技術(shù)的國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀以及未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)展開(kāi)研究和探討。

1 技術(shù)概述

如前文所述，基于光譜分析的紫外線水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)，測(cè)量效率高，操作流程簡(jiǎn)易，近年來(lái)廣泛應(yīng)用于我國(guó)的工業(yè)廢水、生活污水以及自然水域的水質(zhì)監(jiān)測(cè)工作中?；诠庾V分析的紫外線水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)設(shè)計(jì)化學(xué)計(jì)量分析、連續(xù)光譜檢測(cè)等多項(xiàng)技術(shù)種類(lèi)[1]。近年來(lái)伴隨監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備以及分析算法的不斷提升，該技術(shù)的檢測(cè)精度有了進(jìn)一步的提高，可以有效實(shí)現(xiàn)對(duì)toc、COD、turb、No3-n等參數(shù)的檢測(cè)分析。

2 發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國(guó)內(nèi)外演技現(xiàn)狀

單波長(zhǎng)分析法是最早的光譜技術(shù)，經(jīng)過(guò)不斷的發(fā)展和演變，逐步形成了現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的而連續(xù)光譜法，因此在過(guò)于的研究中往往254nm的波長(zhǎng)最為常見(jiàn)。光譜分析技術(shù)的紫外線水質(zhì)分析技術(shù)也主要是利用不同物質(zhì)對(duì)254nm的吸收情況進(jìn)行水質(zhì)成分的判斷。但在實(shí)際測(cè)量中發(fā)現(xiàn)，在自然水體中存在許多固體大顆粒的懸浮物質(zhì)，阻礙了光波的傳遞造成了測(cè)量結(jié)果失真，因此這種研究方法在早期階段就被逐步遺棄，降低水中固體大顆粒懸浮物質(zhì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，也一度成為業(yè)內(nèi)熱點(diǎn)額研究問(wèn)題，最終研究者選擇使用350nm和465nm的波長(zhǎng)的吸光度，構(gòu)建補(bǔ)償模型[2]。經(jīng)過(guò)不斷的實(shí)踐和改進(jìn)，最終研發(fā)出雙玻法技術(shù)，不進(jìn)有效的解決了水體中固體大顆粒懸浮物質(zhì)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，還實(shí)現(xiàn)技術(shù)的儀器化降低了技術(shù)的應(yīng)用要求和標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)量人員只要掌握儀器設(shè)備基礎(chǔ)的操作方法，就可以順利的完成測(cè)量任務(wù)。我國(guó)學(xué)者劉立行基于國(guó)外上述研究?jī)?nèi)容，結(jié)合我國(guó)水質(zhì)監(jiān)測(cè)需求，與激光器相結(jié)合，研發(fā)出種可以自由功率切換的水質(zhì)檢測(cè)儀器。紫外一可見(jiàn)光譜分析法以集成電路光譜掃描為硬件基礎(chǔ)，以化學(xué)計(jì)量方法為算法基礎(chǔ)，該水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)近年來(lái)受到了廣大學(xué)者的關(guān)注，國(guó)內(nèi)外一些研究團(tuán)隊(duì)對(duì)紫外一可見(jiàn)光譜分析法的研究已經(jīng)獲得了一些突破性進(jìn)展。

2.1.1 國(guó)內(nèi)外課件光譜分析的水質(zhì)監(jiān)測(cè)研究進(jìn)展

天津大學(xué)是我國(guó)最早參與光譜分析水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)的科研結(jié)構(gòu)，并與2004年率先研發(fā)成功了200～720nm的監(jiān)測(cè)設(shè)備，并配備了防水外殼以及無(wú)線傳輸設(shè)備，在實(shí)際應(yīng)用中，該設(shè)備可以直接投入水體中使用，并可以自動(dòng)的實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人值守的水質(zhì)監(jiān)測(cè)，可以有效的識(shí)別水體中no3-n、cod等水質(zhì)參數(shù)[3]，并可以將測(cè)量參數(shù)通過(guò)無(wú)線傳輸設(shè)備將水質(zhì)分析的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸、存儲(chǔ)和分析。浙江大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)以美國(guó)引進(jìn)的光柵光譜儀器為基礎(chǔ)，并結(jié)合cod紫外吸光度的快速計(jì)算模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)自然水體中cod值得快速檢測(cè)，該設(shè)備波長(zhǎng)范圍約為200～400nm，綜合誤差值可以控制在5%以內(nèi)，測(cè)量時(shí)間也可以控制5min之內(nèi)，同時(shí)此類(lèi)設(shè)備使用的嵌入式電腦控芯片，相比傳統(tǒng)設(shè)備更加智能化、自動(dòng)化，同時(shí)安裝了windowsce系統(tǒng)，讓真?zhèn)€檢測(cè)過(guò)程各項(xiàng)穩(wěn)定、可控、自動(dòng)。重慶大學(xué)率先研發(fā)了微型光譜系統(tǒng)，并應(yīng)用于便攜設(shè)備中，可以高效率、高精度的完成水質(zhì)監(jiān)測(cè)工作。

2.2 國(guó)內(nèi)外儀器生產(chǎn)情況

目前基于光譜分析技術(shù)的紫外線水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀器目前多以雙波法、連續(xù)波法等技術(shù)作為基礎(chǔ)，并根據(jù)實(shí)際使用需求，結(jié)合多種化學(xué)計(jì)量方法，進(jìn)行設(shè)備的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。目前國(guó)外的生產(chǎn)企業(yè)主要有美國(guó)的hach公司、法國(guó)的tethys公司、德國(guó)wtw公司等，我國(guó)主要由杭州聚光科技公司以及北京東西分析儀器等公司。

2.2.1 國(guó)外水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀器生產(chǎn)現(xiàn)狀

目前國(guó)外最大的水質(zhì)監(jiān)測(cè)生產(chǎn)企業(yè)是美國(guó)的Hach公司，該公司生產(chǎn)的Uvasecosc型號(hào)紫外水質(zhì)分析儀器，可以實(shí)現(xiàn)高效率、高精度的水質(zhì)參數(shù)收集分析，并提出了“特別吸光系數(shù)”的概念，同時(shí)該設(shè)備首次使用了雙光束探頭結(jié)構(gòu)，讓水質(zhì)樣品中固體顆粒對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響降低至最低，可以規(guī)避諸如溫度、壓力、設(shè)備原件老化等多種類(lèi)環(huán)境及設(shè)備因素對(duì)檢測(cè)結(jié)果帶來(lái)的影響，綜合準(zhǔn)確率可以達(dá)到5%以內(nèi)，廣泛的應(yīng)用于小型污水處理中。

2.2.2 國(guó)內(nèi)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀器生產(chǎn)現(xiàn)狀

我國(guó)在此類(lèi)儀器設(shè)備的生產(chǎn)方面起步較晚，雖然近年來(lái)發(fā)展十分迅速，但生產(chǎn)技術(shù)以及生產(chǎn)規(guī)模與國(guó)外先進(jìn)國(guó)家相比仍存在一定差距，目前我國(guó)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備多以雙玻長(zhǎng)分析儀器為主。如北京產(chǎn)的ew-2100型號(hào)水質(zhì)分析儀器是目前應(yīng)用最為廣泛的，該設(shè)備利用雙波進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)，并配備了強(qiáng)力清洗系統(tǒng)，雖然在技術(shù)層級(jí)方面相對(duì)落后于西方先進(jìn)國(guó)家，但其監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率以及測(cè)試效率均可以滿足行業(yè)需求。

3 發(fā)展前景以及存在的問(wèn)題

3.1 發(fā)展前景

根據(jù)前文所述，紫外水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)主要包括單波長(zhǎng)、多波長(zhǎng)、紫外光譜、紫外可見(jiàn)光普等集中技術(shù)類(lèi)型。其中單波長(zhǎng)以及多波長(zhǎng)是最早期的紫外水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)，但其因?yàn)槿鄙傧嚓P(guān)電轉(zhuǎn)換設(shè)備，逐步被多波長(zhǎng)，紫外可見(jiàn)光譜等技術(shù)所取代，近年來(lái)高分辨率額全息光棚等技術(shù)的出現(xiàn)，更是讓基于光譜分析的紫外水質(zhì)分析技術(shù)進(jìn)入到全新的發(fā)展領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)水體中固體懸浮物大小含量進(jìn)行波長(zhǎng)調(diào)節(jié)，抗散射干擾等多項(xiàng)功能。

此外紫外可見(jiàn)光譜水質(zhì)參數(shù)檢測(cè)技術(shù)，無(wú)需添加化學(xué)試劑，在檢測(cè)過(guò)程中不會(huì)對(duì)檢測(cè)水體造成二次污染，具備長(zhǎng)期檢測(cè)的條件，可以用于污水處理廠的水體檢測(cè)工作。因此紫外水質(zhì)分析技術(shù)未來(lái)應(yīng)向著高穩(wěn)定性、高準(zhǔn)確性、低污染性、分析速度快等方向發(fā)展。

3.2 可能面臨的一些問(wèn)題

3.2.1 探頭設(shè)計(jì)問(wèn)題

探頭是決定儀器分析效率和分析精度的重要組成部件，由于水質(zhì)分析儀器需要長(zhǎng)期復(fù)雜環(huán)境中工作，因此需要提高探討的抗干擾能力，提高探頭的環(huán)境適用性。但根據(jù)儀器的監(jiān)測(cè)原理，光程越高，則測(cè)量精度越好，但相應(yīng)的其穩(wěn)定性會(huì)逐步降低，反之則光程月底，測(cè)量精度變低，但穩(wěn)定性身高，因此，光譜探頭未來(lái)的發(fā)展方向是逐步平衡上述問(wèn)題，在確保精度的基礎(chǔ)上，盡可能的提高檢檢測(cè)穩(wěn)定性。

3.2.2 干擾降低問(wèn)題

紫外一可見(jiàn)光譜水質(zhì)監(jiān)測(cè)，往往要求采集被檢測(cè)水體紫外一可見(jiàn)全光譜，而由于實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，因?yàn)楣怆娹D(zhuǎn)換、光路、光源及噪聲干擾，往往對(duì)光譜會(huì)造成一定影響，如果直接采用測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，往往會(huì)使得測(cè)量精度降低，并直接影響各個(gè)水質(zhì)參數(shù)結(jié)算，所以必須要切實(shí)研究合適的紫外一可見(jiàn)光譜預(yù)處理辦法，以降低干擾。