改進(jìn)電化學(xué)檢測法在檢測水體重金屬污染中的應(yīng)用

摘 要：針對目前水污染檢測裝置存在的問題（例如成本高、測量周期長、使用壽命短、靈敏度低等），本文提出了改進(jìn)檢測水體中重金屬離子濃度的方法，為了解決電化學(xué)法中的電極直接暴露于液體中的問題，并提高裝置靈敏度，本研究將使用線圈代替電極，利用線圈間的電磁耦合現(xiàn)象，通過檢測線圈間介質(zhì)改變時(shí)對互感磁場的影響來測量水體重金屬含量，其本質(zhì)是測量液體電導(dǎo)率，而溶液電導(dǎo)率與溫度、溶液濃度及種類、線圈距離及種類有關(guān)系，通過搭建水下磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)來探討電導(dǎo)率與以上影響因素的關(guān)系，以此提高測量電導(dǎo)率的靈敏度和精確度。

關(guān)鍵詞：應(yīng)急帳篷；珍珠巖；電磁耦合；水質(zhì)檢測

中圖分類號(hào)：X 83" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

我國水污染防治事業(yè)始于十九世紀(jì)七十年代的“北京官廳水庫污染治理事件”[1]，該事件敲響了我國生態(tài)水環(huán)境防治的警鐘。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國工業(yè)生產(chǎn)的廢水以及人們的日常生活污水每日的排放量約1.64億m3[2]。在龐大的污水排放量下，一部分生活污水以及廢水直接排入當(dāng)?shù)厮蛑?，使我?/3以上的河段受到嚴(yán)重的污染，城市水域受污染的比例為90%，重點(diǎn)城鎮(zhèn)水源嚴(yán)重不符合飲水標(biāo)準(zhǔn)的比例達(dá)到了50%[3]，由此可知，目前我國水污染的現(xiàn)象十分嚴(yán)重[4]。而隨著城市化進(jìn)程的加快，工業(yè)發(fā)展也隨之快速發(fā)展，導(dǎo)致水污染問題更加嚴(yán)重。其中，重金屬污水是對環(huán)境損害較嚴(yán)重，且對人類危害較大的工業(yè)廢水之一。排放的重金屬通過食物鏈最終進(jìn)入人體，并在人體中聚集，對人們的生命造成威脅[5]。

1 水體檢測裝置背景介紹

1.1 傳統(tǒng)水體檢測技術(shù)

水體檢測主要包括以下幾個(gè)指標(biāo)，例如水溫、電導(dǎo)、氧化還原電位、溶解氯和懸浮物等[6]，造成水體污染的物質(zhì)有金屬離子，氰化物，酚和農(nóng)藥等。其中，金屬離子是影響水體電導(dǎo)的因素之一。水體檢測裝置通過測定各個(gè)指標(biāo)來確定水體的污染程度，所用方法包括化學(xué)，物理和生物等學(xué)科的知識(shí)，也是后續(xù)治理水污染，保護(hù)水環(huán)境的有力保障[7]。傳統(tǒng)的電化學(xué)檢測裝置是利用裸露的電極在水中產(chǎn)生電勢差，通過電流和電壓得出水體電導(dǎo)率，從而推斷水體中的pH和重金屬離子濃度。

1.2 改進(jìn)電化學(xué)水體檢測裝置

為了解決電化學(xué)法中的電極直接暴露于液體中的問題，并提高裝置靈敏度，本研究將使用線圈代替電極，利用線圈間的電磁耦合現(xiàn)象，通過檢測線圈間介質(zhì)改變時(shí)對互感磁場的影響來測量水體重金屬含量，其本質(zhì)是測量液體電導(dǎo)率。通過線圈外的絕緣橡膠層，避免液體直接接觸金屬線圈，導(dǎo)電的金屬離子在互感電場的作用下發(fā)生移動(dòng)，形成電勢差，裝置檢測后，得出水體電導(dǎo)率，推導(dǎo)金屬離子的含量。以下是試驗(yàn)論證過程。

2 基于電磁耦合現(xiàn)象的水質(zhì)檢測裝置

2.1 基于電磁耦合現(xiàn)象的水質(zhì)檢測裝置原理

電磁耦合式無線電能傳輸技術(shù)設(shè)計(jì)的依據(jù)與工作原理是法拉第電磁感應(yīng)定律，工作過程為發(fā)射端的高頻交流電產(chǎn)生交變磁場后，由接收端接收，產(chǎn)生高頻交流電，將產(chǎn)生的交流電能供給到負(fù)載，實(shí)現(xiàn)無線電能傳輸?；诖?，本研究搭建了水下磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)，如圖1所示，利用水下磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)對溶液的電導(dǎo)率進(jìn)行計(jì)算，而溶液電導(dǎo)率與溫度、溶液濃度及種類、線圈距離及種類有關(guān)，因此可搭建水下磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)，探討電導(dǎo)率與以上影響因素的關(guān)系，提高測量電導(dǎo)率的靈敏度和精確度。

2.2 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

裝置由溫度計(jì)、硫酸銅、燒杯、游標(biāo)卡尺、各式線圈、信號(hào)發(fā)生器以及示波器等構(gòu)成。首先，使用游標(biāo)卡尺，玻璃板，線圈構(gòu)成簡易線圈距離控制裝置，以便探究距離變量，同時(shí)更換不同線圈尋找最佳線圈。其次，用不同濃度配比硫酸銅溶液，形成對照組，尋找濃度定值。最后，用此濃度配比不同溶液，形成溶液種類對照變量。在溫度控制方面，將溫度計(jì)插入溶液，采取水浴加熱法控制溫度。根據(jù)所述流程處理五組數(shù)據(jù)，并進(jìn)行總結(jié)，實(shí)現(xiàn)裝置最佳的靈敏效果。

3 裝置試驗(yàn)

3.1 測量裝置制作和準(zhǔn)備

利用游標(biāo)卡尺和玻璃板制作支架，固定線圈和改變線圈間距。如圖2所示。準(zhǔn)備1000mL燒杯，各式線圈，信號(hào)發(fā)生器和示波器。

3.2 探究溫度對數(shù)據(jù)的影響

采用水浴加熱法控制溫度，放入溫度計(jì)，測量不同溫度下溶液的導(dǎo)電性。從10℃開始測量，直到溫度升至50℃停止，如圖3所示，觀察示波器數(shù)據(jù)，記錄試驗(yàn)結(jié)果，探究溫度對導(dǎo)電性的影響。

3.3 探究溶液濃度對導(dǎo)電性的影響

通過改變?nèi)芤喝芏?，研究濃度對?dǎo)電性的影響。從飽和溶液開始，以五倍稀釋，得到數(shù)據(jù)，記錄結(jié)果。

3.4 探究線圈間距對測量靈敏度的影響

在控制其他變量的情況下，改變線圈間距，測量其對測量靈敏度的影響。在控制濃度的基礎(chǔ)上，以1mm為間隔測量數(shù)據(jù)直到17mm，記錄結(jié)果。

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

4.1 數(shù)據(jù)分析

控制溫度的數(shù)據(jù)分析：由于線圈的互感系數(shù)與線圈所處位置媒介的磁導(dǎo)率有關(guān)，而所處位置媒介的磁導(dǎo)率與溫度有關(guān)，因此，溶液濃度一定時(shí)，溫度升高，溶液磁導(dǎo)率也會(huì)升高，離子遷移速度提升，溶液電導(dǎo)率增加。如果沒有別的因素限制，那么磁導(dǎo)率越高越好，由圖4可知，當(dāng)溫度升至一定范圍時(shí)，磁導(dǎo)率就會(huì)下降，磁導(dǎo)率越高，磁感應(yīng)強(qiáng)度就越強(qiáng)，而磁芯材料工作的磁感應(yīng)強(qiáng)度范圍是有限的，因此超出磁感應(yīng)強(qiáng)度范圍，磁導(dǎo)率就會(huì)下降。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度為25℃時(shí)，磁導(dǎo)率最高，測溶液電導(dǎo)率的靈敏度最佳，在其他組測驗(yàn)中標(biāo)定此溫度，同時(shí)，研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度為0℃～35℃時(shí)，電導(dǎo)率浮動(dòng)不大，正好接近常溫?cái)?shù)值，因此本裝置適用的場景更廣泛。

不同線圈距離的數(shù)據(jù)分析：耦合系數(shù)的大小與線圈之間的線間距有關(guān)。由圖5可知，在一定范圍內(nèi)，兩線圈的距離越小，輸出電壓越大，當(dāng)線圈距離為5～6mm時(shí)，耦合現(xiàn)象明顯。具體來說，當(dāng)線間距較小時(shí)，導(dǎo)體之間的電磁場分布會(huì)發(fā)生明顯的相互影響，導(dǎo)致耦合系數(shù)變大。而當(dāng)線間距較大時(shí)，導(dǎo)體之間的電磁場分布變得相對獨(dú)立，耦合系數(shù)變小。

不同溶液濃度的數(shù)據(jù)分析：由圖6可知，隨著溶液濃度增加，輸出電壓先逐漸變大后變小。溶液濃度越高，單位體積內(nèi)離子的數(shù)量就越多，電導(dǎo)率也就越大。但不能表明溶液的濃度無限增加，電導(dǎo)率也會(huì)隨著無限增加。

濃度越高，溶液中離子的數(shù)量就越多，離子間相互牽制的作用就越強(qiáng)，使離子運(yùn)動(dòng)變得困難。因此，當(dāng)溶液濃度增加時(shí)，導(dǎo)電離子數(shù)量增加使電導(dǎo)率變大，當(dāng)溶液濃度增至一定值時(shí)，電導(dǎo)率更大，然后開始下降。通過總結(jié)發(fā)現(xiàn)裝置對濃度為10mg/L～5mg/L的硫酸銅溶液反應(yīng)依舊較敏感（可以測出其電導(dǎo)率），表明其靈敏度比傳統(tǒng)檢測儀器更精準(zhǔn)。

4.2 不同種類的溶液的數(shù)據(jù)分析

電導(dǎo)率標(biāo)準(zhǔn)溶液的導(dǎo)電是離子定向移動(dòng)的結(jié)果，因此，其電導(dǎo)率主要與溶液中離子數(shù)量的多少和離子運(yùn)動(dòng)的速度有關(guān)。由圖7可知，硫酸銅溶液的輸出電壓比純水、空氣的輸出電壓大，硫酸銅濃溶液的輸出電壓比硫酸銅稀溶液的輸出電壓大。通常強(qiáng)電解質(zhì)比弱電解質(zhì)的電導(dǎo)率大，因?yàn)樗碾婋x度大，電離出來的離子數(shù)量多，所以硫酸銅溶液要比純水的電導(dǎo)率大。濃度越高，單位體積內(nèi)離子的數(shù)量就越多，電導(dǎo)率也就越大，因此硫酸銅濃溶液的電導(dǎo)率比硫酸銅稀溶液的電導(dǎo)率大。對不同介質(zhì)進(jìn)行試驗(yàn)可以得知，該導(dǎo)電率測量裝置測量的范圍更廣。

線圈種類的數(shù)據(jù)分析：由圖8可知，當(dāng)線圈種類為50μH、52mm圓形線圈時(shí)，輸出電壓最大，線圈耦合效果最佳。

4.3 優(yōu)化電磁耦合裝置

改變線圈種類：如圖8所示，當(dāng)線圈為50μH、52mm圓形線圈時(shí)，輸出電壓最大，線圈耦合效果最佳。

改變線圈間距：如圖5所示，當(dāng)線圈間距為7mm時(shí)，輸出電壓最大，信號(hào)接收最靈敏。

改變溫度：如圖4所示，溫度為25°C時(shí)的輸出電壓達(dá)到峰值，在常溫下，電壓浮動(dòng)不大。

4.4 誤差分析

儀器誤差：長期使用儀器，且未進(jìn)行保養(yǎng)，會(huì)造成儀器損耗；之前使用為歸零矯正，使儀器出現(xiàn)誤差。

試劑誤差：試劑保存方式不同，采用測量方法不同；單位換算誤差、樣品處理方法不同（濃度、pH、溫度、作用時(shí)間等），造成試劑出現(xiàn)問題。

條件差異：除試驗(yàn)變量溫度外，濕度，照明，通風(fēng)等也會(huì)產(chǎn)生一定量誤差，影響測量結(jié)果。例如熱效應(yīng)，外部電磁干擾，電纜電阻。

4.5 誤差消除方式

儀器誤差：應(yīng)對儀器進(jìn)行檢測，校準(zhǔn)確認(rèn)儀器無誤后再開始試驗(yàn)。

涂層或表面效應(yīng)：在進(jìn)行測量前，應(yīng)該對樣品進(jìn)行表面處理，減少影響。

電纜電阻：為縮小誤差，可使用低電阻、高質(zhì)量的連接電纜或進(jìn)行誤差修正計(jì)算。

試劑差異：保證試劑純凈質(zhì)量，采樣方法、樣品制備、儲(chǔ)藏均需要標(biāo)準(zhǔn)化。

條件差異：盡量保證環(huán)境穩(wěn)定。

熱效應(yīng)：可以使用冷卻裝置保持線圈溫度，或者對測量結(jié)果進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

外部電磁干擾：可以在試驗(yàn)過程中采取屏蔽措施、使用濾波器或調(diào)整試驗(yàn)布置來減少電磁干擾。

對相同間距至少十組數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，得到相對誤差，數(shù)據(jù)峰值僅為3%，數(shù)據(jù)波動(dòng)性較小，裝置可靠性強(qiáng)。誤差分析如圖9所示。

5 結(jié)論

可以利用水下磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)對溶液的電導(dǎo)率進(jìn)行計(jì)算，而溶液電導(dǎo)率與溫度、溶液濃度及種類、線圈距離及種類有關(guān)，本研究通過搭建水下磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)來探討電導(dǎo)率與以上影響因素的關(guān)系，以此提高測量電導(dǎo)率的靈敏度和精確度。

在水污染的測量中，利用電磁耦合測量電導(dǎo)率，能準(zhǔn)確快速反應(yīng)水質(zhì)對其的影響，測出的數(shù)據(jù)不僅可以反應(yīng)內(nèi)容物的情況，還可以解決電極式電導(dǎo)率傳感器的腐蝕、極化等問題，延長儀器使用壽命。物理測量比化學(xué)測量范圍更廣，效果更好，跨度也更大。本試驗(yàn)改進(jìn)了傳統(tǒng)的電化學(xué)檢測法，大大提高了檢測精度，克服了先前裝置易被腐蝕的缺點(diǎn)，且成本低，操作簡單，適合大范圍推廣。

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