一種適用于伏安溶出法重金屬監(jiān)測(cè)的前處理設(shè)計(jì)

卓靜

（廈門(mén)斯坦道科學(xué)儀器股份有限公司，福建 廈門(mén)361000）

重金屬造成的環(huán)境污染危害日益凸顯，是當(dāng)前亟待妥善解決的突出環(huán)境問(wèn)題。2016 年初，國(guó)務(wù)院正式批復(fù)《重金屬污染綜合防治“十三五”規(guī)劃》，將完善我國(guó)現(xiàn)有的水質(zhì)重金屬監(jiān)測(cè)體系作為一項(xiàng)重要工作目標(biāo)。因此做好重金屬在線監(jiān)測(cè)前處理裝置的研發(fā)，探討和改進(jìn)在線監(jiān)測(cè)前處理的技術(shù)和手段，為污染源環(huán)境保護(hù)管理提供了大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和決策依據(jù)，是一項(xiàng)重要工作。但水質(zhì)多樣復(fù)雜，需經(jīng)消解才能測(cè)試，目前常用的伏安溶出法重金屬檢測(cè)，其消解方式多為加酸高溫高壓消解[1]，消解耗能高，時(shí)間長(zhǎng)，不安全，而且消解不徹底[2]。或者有些有用臭氧消解但只是直接鼓泡消解，消解效率較低，其在線監(jiān)測(cè)所得的數(shù)據(jù)未能達(dá)到精度要求[3]。因此，本文重點(diǎn)講述適用于適用于伏安溶出法重金屬監(jiān)測(cè)的前處理設(shè)計(jì)。

1 臭氧消解原理說(shuō)明

1.1 使用臭氧消解的基礎(chǔ)方法原理。溶出伏安法是測(cè)定水樣中痕量重金屬的常用方法，但水樣中存在銨鹽，氰化物，有機(jī)胺，多環(huán)芳烴，以及還原性物質(zhì)等干擾物，這些干擾物容易和待測(cè)溶液的金屬離子生產(chǎn)比較穩(wěn)定的絡(luò)合物而改變金屬離子的活度，使其峰值電位發(fā)生變化[4]。此外，干擾物的種類(lèi)和濃度通常無(wú)法得知，使重金屬離子的峰值電位失去定量意義。臭氧方法是在特定消解試劑的輔助下，分解形成二次氧化劑羥基自由基，與干擾物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，由于羥基自由基對(duì)反應(yīng)物沒(méi)有選擇性且反應(yīng)速度很快，因此使用臭氧能很快的消解樣品水溶液中的干擾物質(zhì)。整體設(shè)計(jì)無(wú)添加任何離子有效氧化水樣中的干擾物，尤其針對(duì)工業(yè)廢水尤其電鍍廢水[5]中的重金屬測(cè)量前處理，有明顯高效的回收率，大大降低了測(cè)量誤差。

1.2 消解控制原理及搭建：整體設(shè)計(jì)將儀器消解模塊分為三部分：臭氧發(fā)生器、文丘里霧化裝置、微控制器。以臭氧作為載氣通過(guò)文丘里縮小管口形成高速氣流，帶動(dòng)水樣從水樣池通過(guò)管路，在高速氣流下水樣可以形成微米級(jí)液滴，提高臭氧在水中的溶解。結(jié)合二次氣泡石鼓泡消解，并在消解試劑的協(xié)同作用下可以徹底地消解干擾物質(zhì)。采用高精度低成本的電學(xué)硬件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，研究信號(hào)采集、處理技術(shù)和信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)消解全自動(dòng)運(yùn)行。

圖1 臭氧消解裝置圖

表1 各水樣測(cè)試比對(duì)表

2 關(guān)鍵技術(shù)說(shuō)明（圖1）

A 控制單元定時(shí)打開(kāi)臭氧發(fā)生器，通過(guò)流量表和壓力表信號(hào)自動(dòng)調(diào)整臭氧流量，臭氧通過(guò)文丘里細(xì)小管口形成高速氣流，帶動(dòng)水樣通過(guò)管路，在高速氣流下水樣形成微米級(jí)液滴,液滴進(jìn)入消解杯到達(dá)第一液位控制器位置時(shí)，發(fā)送信號(hào)至控制單元關(guān)閉臭氧發(fā)生器；B 控制單元發(fā)送信號(hào)至電磁閥和蠕動(dòng)泵，輸送消解試劑至消解杯第二液位控制器位置時(shí)，發(fā)送信號(hào)關(guān)閉蠕動(dòng)泵和電磁閥；控制單元再一次打開(kāi)臭氧發(fā)生器，切換氣路，使臭氧直接進(jìn)入消解杯內(nèi)的氣泡石，在消解杯內(nèi)鼓泡消解；達(dá)到設(shè)定時(shí)間后，關(guān)閉臭氧發(fā)生器，消解后的液體通過(guò)排液閥排出，進(jìn)入檢測(cè)環(huán)節(jié)。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

在地表水、電鍍廠廢水和皮革廠廢水排放口處不同時(shí)段分別取六個(gè)樣，每個(gè)樣分成3 份，一份送第三方檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室按標(biāo)準(zhǔn)方法檢測(cè)，一份未經(jīng)消解直接用在線儀器檢測(cè)，一份用本臭氧方法消解后再用在線伏安溶出法儀器檢測(cè)，消解試劑包含碳酸氫鈉、硫酸銨、硫代硫酸鈉和過(guò)硫酸氫鉀中的一種或者多種試劑混合。結(jié)果表明，經(jīng)消解的檢測(cè)結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)方法檢測(cè)結(jié)果有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，其結(jié)果偏差小于10%，未消解的檢測(cè)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)方法的偏差較大（表1）。

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)克服了傳統(tǒng)重金屬水樣前處理步驟繁瑣、干擾大等不足，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同水質(zhì)中多種重金屬離子的檢測(cè)前處理。利用臭氧消解技術(shù)、配合文丘里裝置和PLC 控制，集水路控制、自動(dòng)消解、信號(hào)采集與傳輸為一體，實(shí)現(xiàn)消解模塊中的進(jìn)液、消解、通訊一體化，其精確度、準(zhǔn)確度、離子干擾效應(yīng)等均滿(mǎn)足使用要求。