紫外-可見全光譜分析儀在水質(zhì)監(jiān)測領(lǐng)域的研究進展與應(yīng)用

劉國肖

摘要：隨著水環(huán)境問題的日益嚴(yán)重，水環(huán)境監(jiān)測以及管理越來越重要，水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用也越加廣泛。直接的紫外-可見全光譜分析儀因其無需化學(xué)試劑、成本較低、分析速度較快、無二次污染及可實現(xiàn)多參數(shù)測量等很多優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用在工業(yè)廢水、生活污水及地表水的檢測中，本文就紫外-可見全光譜分析儀在水質(zhì)監(jiān)測領(lǐng)域的研究進展與應(yīng)用進行了敘述。

Abstract： With the increasing environmental problems of water environment， water environment monitoring and management are becoming more and more important， and the application of water quality monitoring technology is becoming more widespread. The direct UV-visible full-spectrum analyzer is widely used in industrial wastewater， domestic sewage and surface water because it has many advantages such as no chemical reagents， low cost， fast analysis speed， no secondary pollution and multi-parameter measurement. In the detection， this paper describes the research progress and application of UV-visible full spectrum analyzer in the field of water quality monitoring.

關(guān)鍵詞：紫外-可見全光譜;水質(zhì)監(jiān)測;應(yīng)用

Key words： UV-visible full spectrum;water quality monitoring;application

中圖分類號：X832;O657.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）31-0166-02

0? 引言

近年來，隨著國家和政策的發(fā)展，對水質(zhì)監(jiān)測的實時性和監(jiān)測頻率要求越來越高，使得在線監(jiān)測技術(shù)得到了廣泛關(guān)注和快速發(fā)展，越來越多的水質(zhì)在線監(jiān)測設(shè)備被廣泛應(yīng)用[1]。紫外-可見全光譜已被廣泛用于水質(zhì)在線監(jiān)測中，因為全光譜中含有大量的水質(zhì)信息。如：NO3-N可在220-230nm波長內(nèi)檢測到，化學(xué)需氧量（COD）和總有機碳（TOC）可在280-290nm波長內(nèi)檢測到。除此之外，在可見光譜中，可以測量水的顏色、濁度和總懸浮固體（TSS）等。

1? 紫外-可見全光譜技術(shù)的原理

將采用紫外-可見光譜在220-720nm全譜段掃描，用多波長掃描，得到不同波長的吸收譜，這個譜將能清晰地反映出水體中多種物質(zhì)的分布。采用朗伯-比爾定律來實現(xiàn)對紫外-可見吸收光譜的定量分析，其測量原理如圖1所示[2]。從圖可見，當(dāng)一束平行單色光垂直通過某一均勻非散射的吸光物質(zhì)時，其吸光度A與樣品濃度c及光程d成正比，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：A為吸光度值，I0為空白溶液（即不存在吸收物質(zhì)）時的光強度，I 為吸收后的光強度，b為光程，單位為cm，c為溶液的摩爾濃度，？著為摩爾吸光系數(shù)，單位為I/（mol·cm）。

根據(jù)朗伯-比爾定律，用相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)物校準(zhǔn)，取得相應(yīng)的對應(yīng)關(guān)系，從而推斷出需要的參數(shù)指標(biāo)值。

2? 國外全光譜設(shè)備的研究進展

作為紫外-可見全光譜在線水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)發(fā)明者的奧地利是能（s：：can）公司，其研制的spectro：：lyserTM續(xù)光譜分析儀，在紫外-可見波段（220-720nm）內(nèi)進行光譜測量，得到全波段光譜圖，通過相應(yīng)分析軟件可得出所測物質(zhì)（硝酸鹽、濁度、COD 和TOC等）的濃度。其采用自動壓縮空氣吹洗的方式進行清洗，不占用傳感器內(nèi)部的空間，有著較高的實用價值。同時可通過USB接口可將傳感器連接至PC機上，使用連續(xù)光譜差分?jǐn)?shù)據(jù)分析軟件來處理光譜數(shù)據(jù)，也可采用s：：can專用的嵌入式工控機。

德國WTW公司研發(fā)的NiCaVis型的硝氮亞硝氮COD/BOD/TOC/DOC/TSS分析儀可在紫外可見波段（200-720nm，UV-VIS探頭）或紫外波段（200-390nm，UV探頭） 內(nèi)進行光譜測量，能夠準(zhǔn)確的區(qū)分硝氮、亞硝氮和COD等成分。德國Endress+Hauser公司開發(fā)的STIP—Scan全光譜COD分析儀CAM74/CAS74，其利用紫外-可見全光譜分析技術(shù)，支持同時實時在線測量監(jiān)測多種污水水質(zhì)參數(shù)，像COD值、硝酸鹽氮、TOC、SAC、SS、SV、SI 及濁度等，可以對污水和活性污泥進行全面的分析。

法國Hemera公司根據(jù)多年的專業(yè)技能及市場需求推出的新型在線水質(zhì)監(jiān)測產(chǎn)品L800D型水質(zhì)分析儀，采用紫外-可見全光譜（180nm-780nm）掃描，可測量水質(zhì)中的多種組分，最多可同時測量7種，其已逐漸成為各類水質(zhì)監(jiān)測的最佳解決方案。L800D型水質(zhì)分析儀是一款全光譜在線監(jiān)測的水質(zhì)分析儀。

3? 國內(nèi)全光譜設(shè)備的研究進展

國內(nèi)對于水質(zhì)在線監(jiān)測的研究工作，則始于上世紀(jì)90年代，相比國外起步較晚。北京西斯耐特自動化技術(shù)有限公司開發(fā)的SYS-WQS-600系列紫外-可見光連續(xù)光譜傳感器采用紫外-可見光在200-720nm連續(xù)光譜技術(shù)設(shè)計開發(fā)，多種光程可選（1/2/5/20/35mm），以滿足不同水體環(huán)境參數(shù)的測量，其外觀結(jié)構(gòu)如圖2（a）所示。

VLUV-201-PF浸入式紫外全光譜COD在線檢測儀是浙江微蘭環(huán)境科技有限公司采用最新的全光譜分析技術(shù)對COD進行測量，其結(jié)構(gòu)如圖2（b）所示。山東東潤研發(fā)的DRUV-2000系列在線全光譜水質(zhì)分析儀采用最新光譜分析技術(shù)對多個參數(shù)進行測量。均可廣泛應(yīng)用于環(huán)保污染源、工業(yè)過程用水、市政污水的在線監(jiān)測中。

與正儀器（深圳）有限公司的YZ UViSP 全光譜水質(zhì)在線分析儀在200-730nm的紫外-可見波段掃描測量，得全光譜圖。通過對光譜數(shù)據(jù)分析及模型計算，可以測試水中特定的水質(zhì)參數(shù)，包括化學(xué)需氧量（COD）、總有機碳（TOC）、溶解性有機碳（DOC）、生化需氧量（BOD）、硝酸鹽氮、濁度及懸浮物、UV254（波長為254nm 處的吸光度）等多個水質(zhì)參數(shù)，同時還可以對水質(zhì)的整體污染狀況進行預(yù)警。

北京金達(dá)清創(chuàng)環(huán)境科技有限公司研發(fā)的JQ UV/Vis-online型吸收光譜水質(zhì)多參數(shù)在線分析儀能夠?qū)崟r快速測定水體的紫外-可見全波長（200-730nm）吸收光譜，結(jié)合相應(yīng)的水質(zhì)模型算法及模型定標(biāo)參數(shù)，可同時快速測量水中COD、DOC、TOC、硝酸鹽氮、O3、余氯、UV254、色度、濁度、TSS以及溫度等多個水質(zhì)參數(shù)。聚光科技開發(fā)的SWA-2000水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠連續(xù)在線監(jiān)測水體中的化學(xué)需氧量（COD）、溶解氧、氨氮、電導(dǎo)率、濁度、pH值、氧化還原電位、流量、溫度、懸浮固體等多種參數(shù)，可廣泛應(yīng)用于地表水自動監(jiān)測、污水處理廠、環(huán)保污染源等水質(zhì)在線監(jiān)測。

先河環(huán)保公司的紫外-可見掃描多參數(shù)分析儀，可直接對對水體進行紫外-可見全波段的掃描，再結(jié)合差分吸收（DOAS）、主元分析（PCA）和偏最小二乘法（PLS）等算法分析，從而實現(xiàn)了對水質(zhì)多參數(shù)（BOD、CODMn、TOC、色度和硝酸鹽氮等）的原位在線監(jiān)測。水之星環(huán)保工程有限公司研制的 WDet-6000UVI 型全光譜浸入式 UV 分析儀，其采用連續(xù)光譜（200-800nm）測量技術(shù)，可直接測量地表水、地下水和城市污水中的COD、TOC、硝氮、濁度和 SS 等指標(biāo)[3]。

4? 結(jié)論與展望

紫外-可見全光譜分析儀具有優(yōu)異的性價比，較高的重復(fù)性和精度，較寬的測量范圍，較低的交叉敏感性，長期穩(wěn)定性好，可同時測量化學(xué)耗氧量（COD）、有機碳化合物、硝酸鹽、濁度等參數(shù)。連續(xù)、在線、實時測量的紫外-可見全光譜分析儀，符合當(dāng)前分析儀器的發(fā)展方向：集成化、小型化以及智能化，同時滿足了信息化水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)的要求;該分析儀投入式的結(jié)構(gòu)以及專用化、多參數(shù)測試的設(shè)計，沒有二次污染，維護成本低，使得其具有廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

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[2]謝廣群，周浩，劉飛.全光譜技術(shù)在水質(zhì)在線監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用[J].應(yīng)用技術(shù)，2017：121-123.

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