一種適用于伏安溶出法重金屬監測的前處理設計

卓靜

（廈門斯坦道科學儀器股份有限公司，福建 廈門361000）

重金屬造成的環境污染危害日益凸顯，是當前亟待妥善解決的突出環境問題。2016 年初，國務院正式批復《重金屬污染綜合防治“十三五”規劃》，將完善我國現有的水質重金屬監測體系作為一項重要工作目標。因此做好重金屬在線監測前處理裝置的研發，探討和改進在線監測前處理的技術和手段，為污染源環境保護管理提供了大量基礎數據和決策依據，是一項重要工作。但水質多樣復雜，需經消解才能測試，目前常用的伏安溶出法重金屬檢測，其消解方式多為加酸高溫高壓消解[1]，消解耗能高，時間長，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，其在線監測所得的數據未能達到精度要求[3]。因此，本文重點講述適用于適用于伏安溶出法重金屬監測的前處理設計。

1 臭氧消解原理說明

1.1 使用臭氧消解的基礎方法原理。溶出伏安法是測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，有機胺，多環芳烴，以及還原性物質等干擾物，這些干擾物容易和待測溶液的金屬離子生產比較穩定的絡合物而改變金屬離子的活度，使其峰值電位發生變化[4]。此外，干擾物的種類和濃度通常無法得知，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，與干擾物質發生反應，由于羥基自由基對反應物沒有選擇性且反應速度很快，因此使用臭氧能很快的消解樣品水溶液中的干擾物質。整體設計無添加任何離子有效氧化水樣中的干擾物，尤其針對工業廢水尤其電鍍廢水[5]中的重金屬測量前處理，有明顯高效的回收率，大大降低了測量誤差。

1.2 消解控制原理及搭建：整體設計將儀器消解模塊分為三部分：臭氧發生器、文丘里霧化裝置、微控制器。以臭氧作為載氣通過文丘里縮小管口形成高速氣流，帶動水樣從水樣池通過管路，在高速氣流下水樣可以形成微米級液滴，提高臭氧在水中的溶解。結合二次氣泡石鼓泡消解，并在消解試劑的協同作用下可以徹底地消解干擾物質。采用高精度低成本的電學硬件系統、數據采集與處理系統，研究信號采集、處理技術和信號調理電路設計，實現消解全自動運行。

圖1 臭氧消解裝置圖

表1 各水樣測試比對表

2 關鍵技術說明（圖1）

A 控制單元定時打開臭氧發生器，通過流量表和壓力表信號自動調整臭氧流量，臭氧通過文丘里細小管口形成高速氣流，帶動水樣通過管路，在高速氣流下水樣形成微米級液滴,液滴進入消解杯到達第一液位控制器位置時，發送信號至控制單元關閉臭氧發生器；B 控制單元發送信號至電磁閥和蠕動泵，輸送消解試劑至消解杯第二液位控制器位置時，發送信號關閉蠕動泵和電磁閥；控制單元再一次打開臭氧發生器，切換氣路，使臭氧直接進入消解杯內的氣泡石，在消解杯內鼓泡消解；達到設定時間后，關閉臭氧發生器，消解后的液體通過排液閥排出，進入檢測環節。

3 實驗數據

在地表水、電鍍廠廢水和皮革廠廢水排放口處不同時段分別取六個樣，每個樣分成3 份，一份送第三方檢測實驗室按標準方法檢測，一份未經消解直接用在線儀器檢測，一份用本臭氧方法消解后再用在線伏安溶出法儀器檢測，消解試劑包含碳酸氫鈉、硫酸銨、硫代硫酸鈉和過硫酸氫鉀中的一種或者多種試劑混合。結果表明，經消解的檢測結果和標準方法檢測結果有良好的對應關系，其結果偏差小于10%，未消解的檢測結果與標準方法的偏差較大（表1）。

4 結論

本設計克服了傳統重金屬水樣前處理步驟繁瑣、干擾大等不足，實現對不同水質中多種重金屬離子的檢測前處理。利用臭氧消解技術、配合文丘里裝置和PLC 控制，集水路控制、自動消解、信號采集與傳輸為一體，實現消解模塊中的進液、消解、通訊一體化，其精確度、準確度、離子干擾效應等均滿足使用要求。