一體化余氯檢測凈化器的研究與設計★

逄 宇 黃思瑜 陳釗揚

(合肥工業大學，安徽 合肥 230009)

0 引言

氯消毒作為飲用水消毒開始于1902年比利時的Middleheike市首次在公共水處采用氯消毒，后以其經濟，有效，適合大面積使用而廣范圍為世界所接受，在1974年，荷蘭和美國科學家第一次發現了經過氯消毒的水中存在對人體有害的物質，經驗證表明，氯與有機酸在水中反應會生成包括三氯甲烷，鹵乙酸等在內的多種致癌的烴類物質。而2012年4月可口可樂公司三樣產品被檢出游離性氯超標的事件使氯消毒再次推上人們的視線中來，究竟到達用戶的自來水中的游離性余氯有沒有危險，游離性余氯超標又會有怎樣的危害，我們有沒有辦法得知并改善飲用水條件，本文對其進行了論述。

1 游離性余氯的介紹與危害

游離性余氯(Free Chlorine Residual)，指飲用水經加氯消毒，接觸一段時間后有適量的氯留存于水中，用來保證持續的殺菌能力，也可用來防備供水管網受到外來污染，一般指水中的ClO-，HClO,Cl2等，具有殺菌速度快，殺菌力強、持續殺菌等優點。

現如今國內超過95%的自來水廠均使用氯消毒法處理，對于氯消毒中的游離性余氯在GB 5749—2006生活飲用水衛生標準規定，氯氣及游離氯制劑與水的接觸時間應不低于30 min，出廠水中余氯含量應大于0.3 mg/L，但不能超過4 mg/L，最終到達管網用戶末梢的余量應大于0.05 mg/L，而對于飲用水中的在GB 17324—2003飲用純凈水衛生標準中規定的限量值是0.005 mg/L。

消毒殺菌的余氯若是含量過低，自來水難以確保符合安全衛生要求，水媒傳染病發生率增大，管網里就可能使細菌、大腸桿菌等微生物大量繁殖，滅菌效果不好。若自來水中余氯量超標，會加重水中酚和其他有機物產生的味和臭，產生刺激性氣味，且與水中的有機酸反應時還有可能生成三氯甲烷，氯乙酸，氯仿等有“三致”(致癌，致畸，致突變)作用的有機氯代物。

2 敞開式三電極傳感器檢測原理及結構

2.1 檢測原理

現今普及采用的是覆膜式兩電極傳感器，待測液體與電解液通過次氯酸透過膜隔離開，次氯酸分子通過次氯酸膜進入電解液中并在工作電極上反應生成電流，利用電流的大小可以推算出原溶液次氯酸的濃度。但是由于覆膜式傳感器中電解液會隨著反應的進行不斷被消耗，因此使用一段時間后需要補加電解液并且重新進行校準，而在清洗時由于次氯酸膜十分脆弱，稍不注意就有損壞的風險，因此對于方便使用而言并不是最佳選擇，我們此次選擇的是敞開式三電極傳感器。

敞開式三電極傳感器是一種典型的電化學傳感器，傳感器內的電極有選擇性的與水中的離子或分子發生氧化還原反應，氧化還原反應的同時會形成定向移動的微弱電流或電勢，精密余氯傳感器檢測出的微弱電流或電壓與氧化還原反應的速率及余氯的濃度呈一定線性關系，這就是電化學傳感器檢測余氯的原理。余氯進入水中以后，發生反應：

Cl2+H2O→HClO+Cl-+H+

(1)

由于次氯酸的不穩定性，它將在水中電離：

HClO→ClO-+H+

(2)

次氯酸以及次氯酸根離子的氧化性是氯氣消毒的根本原因，其中主要是次氯酸根離子的氧化能力，余氯的檢測主要就是檢測自來水中次氯酸以及次氯酸根離子的濃度，看是否過少或者過多。

利用三電極傳感器測量時，在工作電極與對電極上施加恒定電壓，被測水體中的次氯酸則將在工作電極上被還原，產生電流信號，電流信號的強弱與被測水體中的次氯酸的濃度有關，這就是安倍法測量原理。在此處測量時，輸出的電流與次氯酸濃度成正比即滿足關系式：

I∞kC(HClO)

(3)

2.2 傳感器結構

敞開式傳感器在工作電極和對電極使用的是鉑環,嵌套在傳感器的前端,兩個鉑環通過引線引出,傳感器采用三電極體系,增加對電極可以抵消溫度變化對工作電極的影響并提高傳感器的選擇性，參比電極通過導電橡膠與外界溶液完成電荷交換。電解液使用的固體氯化鉀凝，不需要更換電解液,這樣降低了傳感器的使用成本。

3 納米KDF濾料的余氯去除原理

納米KDF濾料(金屬簇濾料)是一種區別于活性炭濾芯和一般KDF的高效凈水用料。納米KDF濾料是由不等電位的微米粉金屬組成的多孔材料，呈顆粒狀。相比傳統活性炭濾料，納米KDF濾料有堆積密度較大、強度較高、不易粉化、不易變形、在長期使用過程中不易滋生細菌、余氯去除效率高、受通過流速影響小等優質特點；又相較一般KDF濾料，納米KDF濾料的比孔隙率和表面積是一般KDF濾料的百倍以上，流體通過速度更快、余氯去除能力更強、工作效率更高，且在使用過程中不易板結、使用壽命更長、性價比更高。

鑒于本案中納米KDF濾料旨在用于便攜式設備的余氯去除，通過水量較小，且納米KDF不易板結的特點，可不考慮加裝反沖洗設備。

氧化還原反應是納米KDF濾料的工作基礎，通過其表面無數電位不等的不同金屬簇，相互構成無數微原電池，當KDF濾料與液體接觸時，合金表面的銅鋅形成的無數微小原電池系統，與污染物進行電子交換。余氯在通過納米KDF濾料的流體中被還原成氯離子。其電子交換為：

Zn+Cl2→Zn2++2Cl-

Cl2+H2O→HClO+HCl

Zn+2H++ClO-→Zn2++Cl-+H2O

與此同時，基于上述原理，納米KDF濾料對水中的重金屬也有一定的去除作用。其濾料表面和孔隙間的微小原電池系統可為水中類似鉛、汞、鉻等重金屬離子提供氧化還原環境，進一步使對人體有害的重金屬離子還原成無害的物質。

4 整體式設計

我們為方便使用以及便于攜帶，將裝置整體設計為一個圓柱體，裝置的縱剖面圖與橫剖面圖如圖1,圖2所示。

在上端設置開口，在檢測時水從上方流入，傳感器以及其他電路同樣設置在裝置的上部分，在內部隔開以保證裝置在檢測時可正常運行不會進水，同時傳感器與單片機相連，可以實時處理獲得的數據，并在顯示屏上進行輸出。由于敞開式傳感器需要與流動的水接觸，所以我們在內部的隔板處設置一個可開啟一定角度的開口，其原理相當于一個小型的閘門，以保證通過傳感器的水的流速以及流量是一定的，從而使得測量結果更加準確，同時為了水能在裝置內穩定的流動而不產生過多的紊流，我們將裝置上部的外壁設計為雙層，在靠近內側的外壁的一周均勻設置12個開口，如圖3所示，以保證水流在各個方向都具有相似的流動情況。

水流經的下一層為活性炭過濾層，用鋼絲網與上一層隔開，同時也保證了水可以流下進行過濾。最面一部分為設有一個飲水渠道的底座，如圖4所示，水流經過濾后匯集到出口，完成整個檢測與過濾的過程。

5 結語

本裝置結構中，敞開式三電極傳感器可對水中余氯含量進行實時檢測，納米KDF濾芯對通過流體的余氯去除在較短時間內可達到極好效果，去除率高，通過流速快，可高效滿足用水需求。