溶氧電極新型攪拌裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

宋元明,楊麗紅,楊高強(qiáng),袁旭軍

(1.上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,上海　200093;2.上?？圃措娮涌萍加邢薰?上?！?01101)

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溶氧電極新型攪拌裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

宋元明1,楊麗紅1,楊高強(qiáng)2,袁旭軍2

(1.上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,上海200093;2.上?？圃措娮涌萍加邢薰?上海201101)

摘要膜式溶氧電極作為測(cè)量溶液中含氧量的一種重要測(cè)量工具,但因其電化學(xué)性質(zhì)受到局限而需要攪拌,針對(duì)人工攪拌的不足,提出了將提高測(cè)量穩(wěn)定性的一種由于BOD5動(dòng)測(cè)量的新型溶氧電極攪拌裝置,裝置采用離心式機(jī)械攪拌。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,該種攪拌方式有助于穩(wěn)定測(cè)量出培養(yǎng)瓶?jī)?nèi)溶液的溶氧量。

關(guān)鍵詞BOD5 分析;隔膜電極法;攪拌裝置

生化需氧量(Biochemical Oxygen Demand,BOD)是指在規(guī)定條件下,好氧微生物氧化分解單位體積水中有機(jī)物所消耗的游離態(tài)氧的數(shù)量,通常以5天作為測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間,其測(cè)定的結(jié)果為5日生化需氧量,用BOD5表示[1]。BOD5是水中有機(jī)物等需氧污染物含量的一個(gè)綜合指標(biāo),其值越高說(shuō)明水中污染物越多,污染越嚴(yán)重[2]。目前測(cè)定水體溶解氧常用隔膜電極法,即用溶解氧電極測(cè)定[3]。

隔膜式溶氧電極作為測(cè)量溶液中含氧量的一種重要測(cè)量工具,但因其電化學(xué)性質(zhì)而受到局限[4]。在測(cè)量過(guò)程中由于電極發(fā)生氧化還原反應(yīng),電極對(duì)氧有消耗,使得探頭表面的氧濃度會(huì)降低,測(cè)量結(jié)果向降低方向漂移,因此測(cè)量過(guò)程中要對(duì)測(cè)量水體進(jìn)行攪拌,使水體產(chǎn)生流動(dòng),溶氧未被消耗水體迅速流動(dòng)到探頭表面,達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài),此時(shí)測(cè)得的溶氧量才能反映水體中真實(shí)的溶氧量。目前有學(xué)者研究溫度對(duì)溶氧電極的影響[5-6],對(duì)溶氧電極攪拌的研究很少。實(shí)驗(yàn)表明,溶氧測(cè)量時(shí)攪拌對(duì)溶氧測(cè)量有明顯的影響。目前溶氧電極在測(cè)量時(shí)需要人工手動(dòng)攪動(dòng)水體使水體流動(dòng)[7],針對(duì)人工攪拌的不足,提出一種基于BOD5自動(dòng)化分析儀的新型溶氧電極攪拌裝置。此裝置在機(jī)械式攪拌器的結(jié)構(gòu)上改進(jìn)采用柔性連接,產(chǎn)生離心運(yùn)動(dòng)攪拌,使得攪拌面積更大,介質(zhì)流動(dòng)更均勻,實(shí)驗(yàn)表明這種攪拌方式有助于穩(wěn)定測(cè)得水體中溶氧量。

1溶氧測(cè)定攪拌方式

隔膜電極由一小室構(gòu)成,室內(nèi)有兩個(gè)金屬電極并充有電解質(zhì),用選擇性薄膜將小室封閉住。實(shí)際上水和可溶解物質(zhì)離子不能透過(guò)這層膜,但氧和一定數(shù)量的其他氣體及親水性物質(zhì)可透過(guò)這層薄膜。將這種電極浸入水中進(jìn)行溶解氧測(cè)定[8]。因原電池作用或外加電壓使電極間產(chǎn)生電位差。這種電位差,使金屬離子在陽(yáng)極進(jìn)入溶液,而透過(guò)膜的氧在陰極還原。由此所產(chǎn)生的電流直接與通過(guò)膜和電解質(zhì)液層的氧的傳遞速度成正比,因而該電流與給定溫度下水樣中氧的分壓成正比。

圖1　溶氧電極結(jié)構(gòu)

在測(cè)量過(guò)程中由于電極滲透膜附件發(fā)生氧化還原反應(yīng),使得滲透膜表面氧的含量降低,測(cè)量結(jié)果向降低方向漂移,因此測(cè)量過(guò)程中要對(duì)測(cè)量水體進(jìn)行攪拌,使水體產(chǎn)生流動(dòng),溶氧未被消耗水體迅速流動(dòng)到探頭表面,達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài),此時(shí)測(cè)得的溶氧量才能反映水體中真實(shí)的溶氧量。在BOD測(cè)量中所用到的攪拌有手動(dòng)攪拌和機(jī)械攪拌。

目前市場(chǎng)上溶氧電極沒(méi)有自動(dòng)攪拌裝置,只能在測(cè)量時(shí)由實(shí)驗(yàn)人員手動(dòng)在溶氧瓶?jī)?nèi)攪動(dòng)電極,使?jié)B透膜表面的溶液產(chǎn)生流動(dòng),這種攪拌方式耗力、效率差,由于實(shí)驗(yàn)人員對(duì)讀數(shù)時(shí)間的把握不同導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果一致性差,且人工攪拌時(shí)容易產(chǎn)生氣泡,影響測(cè)量結(jié)果。因此采用人工攪拌的溶氧電極無(wú)法滿足大批量水質(zhì)檢測(cè)的要求。

機(jī)械式攪拌主要包括3部分:電機(jī),攪拌軸和攪拌葉片。電機(jī)是動(dòng)力部分,固定在支架上,攪拌軸與電機(jī)相連,當(dāng)接通電源后,電機(jī)帶動(dòng)攪拌軸進(jìn)行攪拌,攪拌的效率主要取決于葉片的結(jié)構(gòu)。攪拌器的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)流體做切向圓周運(yùn)動(dòng),與此同時(shí)也因槳葉的不同而形成軸向或徑向流動(dòng)。溶氧電極新型攪拌裝置在機(jī)械式攪拌的基礎(chǔ)上,攪拌軸端部采用柔性連接葉片,葉片采用偏心葉片,在攪拌時(shí)由于離心力,葉片甩開(kāi)軸心攪拌面積更多。

2方案設(shè)計(jì)

溶氧電極攪拌裝置要求攪拌溶液均勻化,滲透膜附近消耗的氧可以及時(shí)補(bǔ)充,攪拌速度可調(diào)。新型溶氧電極攪拌裝置采用機(jī)械式攪拌方式,將攪拌結(jié)構(gòu)和溶氧電極做成一體,攪拌機(jī)構(gòu)由直流電機(jī)、聯(lián)軸器、攪拌軸、彈簧、葉片等構(gòu)成。葉片在靜止時(shí)位于溶氧電極滲透膜下方。

在溶氧電極上加入離心式攪拌器,攪拌軸與葉片連接采用了彈性連接,當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)攪拌軸旋轉(zhuǎn)時(shí),由于離心力的作用葉片偏離軸心螺旋式攪拌,保證攪拌的效果,攪拌時(shí)速度保證攪拌過(guò)程中不產(chǎn)生氣泡。圖2所示為攪拌器基本結(jié)構(gòu)與改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)方案圖。

圖2　基本結(jié)構(gòu)與改進(jìn)后結(jié)構(gòu)方案

攪拌軸的旋轉(zhuǎn)及葉片偏心產(chǎn)生了離心力,產(chǎn)生一個(gè)徑向力f=mV2/R,f使攪拌軸端部彈簧產(chǎn)生彎曲。葉片在旋轉(zhuǎn)時(shí)瓶?jī)?nèi)中心區(qū)域液體旋轉(zhuǎn)形成低壓,帶動(dòng)其他瓶?jī)?nèi)液體流動(dòng),產(chǎn)生流動(dòng)的連續(xù)性和復(fù)雜的流型,達(dá)到理想的攪拌效果,具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1葉片;2彈簧;3攪拌軸;4溶氧電極;5直流電機(jī)固定座;6直流電機(jī);7保護(hù)蓋圖3　機(jī)械結(jié)構(gòu)

3實(shí)驗(yàn)與分析

攪拌能使瓶?jī)?nèi)不同物理相充分混合,維持瓶?jī)?nèi)物理與化學(xué)環(huán)境的一致性。溶氧電極離心攪拌器的主要指標(biāo)用于測(cè)量溶氧量表現(xiàn)在測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定不漂移,攪拌流場(chǎng)內(nèi)均勻,溶氧電極消耗的氧能夠及時(shí)補(bǔ)充。實(shí)驗(yàn)需要數(shù)據(jù)采集,用計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制,控制程序用LabVIEW程序編制。需要信號(hào)檢測(cè)電路,將電極與水中溶氧反應(yīng)所產(chǎn)生的微電流信號(hào)經(jīng)過(guò)處理使其轉(zhuǎn)變成便于識(shí)別的電壓信號(hào)。

3.1實(shí)驗(yàn)裝置與介質(zhì)

實(shí)驗(yàn)裝置:溶氧電極,自制的離心式攪拌器。介質(zhì):飽和曝氣水(充氧泵曝氣1 h),無(wú)氧水(加入充足的無(wú)水亞硫酸鈉)。實(shí)驗(yàn)條件:20±1 ℃。

圖4　溶氧攪拌實(shí)驗(yàn)臺(tái)

3.2實(shí)驗(yàn)方法

首先用曝氣泵在曝氣1 h,使得水體中的溶氧處于飽和狀態(tài),水裝入溶氧瓶?jī)?nèi),插入電極,測(cè)出電極在飽和溶氧水中開(kāi)啟攪拌、無(wú)攪拌時(shí)溶氧電壓值,使用LabVIEW顯示數(shù)據(jù),每隔5 s上傳一次數(shù)據(jù),記錄數(shù)據(jù)并測(cè)出無(wú)氧水中電極溶氧電壓值[9]。

3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

(1)無(wú)攪拌飽和溶氧水測(cè)量實(shí)驗(yàn)。在無(wú)攪拌情況下溶氧電壓隨時(shí)間的變化如圖5所示,隨著反應(yīng)的進(jìn)行,無(wú)攪拌時(shí)溶氧值會(huì)不斷減少,無(wú)法反映水中溶氧的真實(shí)值,這是由于電極對(duì)水中的氧消耗,使測(cè)量值不斷下降。

圖5　無(wú)攪拌飽和水溶氧電壓曲線

在無(wú)攪拌時(shí)5 min內(nèi)溶氧電壓值由最高2 942 mV減小為2 342 mV,與下面的實(shí)驗(yàn)對(duì)比,證明了溶氧電極法測(cè)溶氧值時(shí)攪拌的必要性。

(2)攪拌飽和溶氧水測(cè)量實(shí)驗(yàn)。電極上電,在瓶中加入飽和曝氣水,放入電極,開(kāi)啟攪拌,測(cè)量10 min。每5 s上傳一次數(shù)據(jù),測(cè)得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6　攪拌飽和溶氧水溶氧電壓曲線

開(kāi)啟攪拌后10 min內(nèi)溶氧電壓的平均值為2 877.6 mV,最大值2 929 mV,最小值2 831 mV,與沒(méi)有攪拌的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較,開(kāi)啟攪拌后測(cè)得數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定,證明這種攪拌方式可以提高溶氧測(cè)定的穩(wěn)定性。

(3)無(wú)氧水測(cè)量實(shí)驗(yàn)。在曝氣后飽和溶氧水中加入充足亞硫酸鈉(Na2SO3),水中的溶氧迅速變?yōu)榱?插入電極,開(kāi)啟攪拌,測(cè)量10 min,測(cè)得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7　無(wú)氧水溶氧電壓曲線

如圖7所示,在向飽和水中加入充分的亞硫酸鈉之后溶氧電壓迅速下降,最后溶氧電壓穩(wěn)定在約230 mV,從飽和溶氧水到無(wú)氧水下降證明的電極響應(yīng)需要一定的時(shí)間。

4結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)不進(jìn)行攪拌或攪拌速率過(guò)慢時(shí),電極消耗的氧不能及時(shí)補(bǔ)充導(dǎo)致溶氧下降。在合適的攪拌速度與攪拌范圍時(shí),電極探頭附近消耗的氧氣能夠及時(shí)補(bǔ)充,電極探頭附件水中含氧量達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài),電極測(cè)得的溶氧才能反應(yīng)水中溶氧的真實(shí)值。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了攪拌的必要性,設(shè)計(jì)了溶氧電極離心式攪拌裝置,通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比,該攪拌裝置能夠減少測(cè)量時(shí)溶氧值的漂移,保證的測(cè)量的穩(wěn)定性,使測(cè)量結(jié)果更接近水體中真實(shí)的溶氧值。在無(wú)氧水測(cè)量的實(shí)驗(yàn)中,證明了溶氧電極響應(yīng)時(shí)間短,反應(yīng)快。這種一體式溶解氧電極攪拌裝置可用于BOD5自動(dòng)化測(cè)量?jī)x器,其成本低、適應(yīng)性好,可避免人工測(cè)量中人為因素的影響,使得測(cè)量更加準(zhǔn)確。

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Design of and Experiment on a New Stirring Device with Dissolved Oxygen Electrode

SONG Yuanming1,YANG Lihong1,YANG Gaoqiang2,YUAN Xujun2

(1.School of Mechanical Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China;2.Shanghai Cohere Electronics Technology Co.,Ltd,Shanghai 201101,China)

AbstractThe membrane dissolved oxygen electrode is an important tool for measuring oxygen content in solution,but there is limitation because of its chemical properties as the dissolved oxygen electrode measurement of oxygen consumption usually requires artificial stirring.A new dissolved oxygen electrode stirring device using BOD5 automatic measurement is put forward to increase the stability by using the centrifugal type mechanical stirring.Experiments show that the proposed stirring device offers stable measurement of the dissolved oxygen content in the culture bottle.

KeywordsBOD5 analyzer;membrane electrode method;stirring device

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.05.011

收稿日期:2015-09-28

作者簡(jiǎn)介:宋元明(1991—),男,碩士研究生。研究方向:機(jī)械制造及自動(dòng)化。

中圖分類號(hào)TN304;TH122

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1007-7820(2016)05-039-04