改進電化學檢測法在檢測水體重金屬污染中的應用

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），本文提出了改進檢測水體中重金屬離子濃度的方法，為了解決電化學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象，通過檢測線圈間介質改變時對互感磁場的影響來測量水體重金屬含量，其本質是測量液體電導率，而溶液電導率與溫度、溶液濃度及種類、線圈距離及種類有關系，通過搭建水下磁耦合無線電能傳輸系統來探討電導率與以上影響因素的關系，以此提高測量電導率的靈敏度和精確度。

關鍵詞：應急帳篷；珍珠巖；電磁耦合；水質檢測

中圖分類號：X 83" 文獻標志碼：A

我國水污染防治事業始于十九世紀七十年代的“北京官廳水庫污染治理事件”[1]，該事件敲響了我國生態水環境防治的警鐘。據統計，我國工業生產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地水域中，使我國1/3以上的河段受到嚴重的污染，城市水域受污染的比例為90%，重點城鎮水源嚴重不符合飲水標準的比例達到了50%[3]，由此可知，目前我國水污染的現象十分嚴重[4]。而隨著城市化進程的加快，工業發展也隨之快速發展，導致水污染問題更加嚴重。其中，重金屬污水是對環境損害較嚴重，且對人類危害較大的工業廢水之一。排放的重金屬通過食物鏈最終進入人體，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 傳統水體檢測技術

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

1.2 改進電化學水體檢測裝置

為了解決電化學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象，通過檢測線圈間介質改變時對互感磁場的影響來測量水體重金屬含量，其本質是測量液體電導率。通過線圈外的絕緣橡膠層，避免液體直接接觸金屬線圈，導電的金屬離子在互感電場的作用下發生移動，形成電勢差，裝置檢測后，得出水體電導率，推導金屬離子的含量。以下是試驗論證過程。

2 基于電磁耦合現象的水質檢測裝置

2.1 基于電磁耦合現象的水質檢測裝置原理

電磁耦合式無線電能傳輸技術設計的依據與工作原理是法拉第電磁感應定律，工作過程為發射端的高頻交流電產生交變磁場后，由接收端接收，產生高頻交流電，將產生的交流電能供給到負載，實現無線電能傳輸。基于此，本研究搭建了水下磁耦合無線電能傳輸系統，如圖1所示，利用水下磁耦合無線電能傳輸系統對溶液的電導率進行計算，而溶液電導率與溫度、溶液濃度及種類、線圈距離及種類有關，因此可搭建水下磁耦合無線電能傳輸系統，探討電導率與以上影響因素的關系，提高測量電導率的靈敏度和精確度。

2.2 試驗裝置設計

裝置由溫度計、硫酸銅、燒杯、游標卡尺、各式線圈、信號發生器以及示波器等構成。首先，使用游標卡尺，玻璃板，線圈構成簡易線圈距離控制裝置，以便探究距離變量，同時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，將溫度計插入溶液，采取水浴加熱法控制溫度。根據所述流程處理五組數據，并進行總結，實現裝置最佳的靈敏效果。

3 裝置試驗

3.1 測量裝置制作和準備

利用游標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。準備1000mL燒杯，各式線圈，信號發生器和示波器。

3.2 探究溫度對數據的影響

采用水浴加熱法控制溫度，放入溫度計，測量不同溫度下溶液的導電性。從10℃開始測量，直到溫度升至50℃停止，如圖3所示，觀察示波器數據，記錄試驗結果，探究溫度對導電性的影響。

3.3 探究溶液濃度對導電性的影響

通過改變溶液溶度，研究濃度對導電性的影響。從飽和溶液開始，以五倍稀釋，得到數據，記錄結果。

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。在控制濃度的基礎上，以1mm為間隔測量數據直到17mm，記錄結果。

4 試驗數據及分析

4.1 數據分析

控制溫度的數據分析：由于線圈的互感系數與線圈所處位置媒介的磁導率有關，而所處位置媒介的磁導率與溫度有關，因此，溶液濃度一定時，溫度升高，溶液磁導率也會升高，離子遷移速度提升，溶液電導率增加。如果沒有別的因素限制，那么磁導率越高越好，由圖4可知，當溫度升至一定范圍時，磁導率就會下降，磁導率越高，磁感應強度就越強，而磁芯材料工作的磁感應強度范圍是有限的，因此超出磁感應強度范圍，磁導率就會下降。通過試驗發現，當溫度為25℃時，磁導率最高，測溶液電導率的靈敏度最佳，在其他組測驗中標定此溫度，同時，研究人員發現，當溫度為0℃～35℃時，電導率浮動不大，正好接近常溫數值，因此本裝置適用的場景更廣泛。

不同線圈距離的數據分析：耦合系數的大小與線圈之間的線間距有關。由圖5可知，在一定范圍內，兩線圈的距離越小，輸出電壓越大，當線圈距離為5～6mm時，耦合現象明顯。具體來說，當線間距較小時，導體之間的電磁場分布會發生明顯的相互影響，導致耦合系數變大。而當線間距較大時，導體之間的電磁場分布變得相對獨立，耦合系數變小。

不同溶液濃度的數據分析：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，單位體積內離子的數量就越多，電導率也就越大。但不能表明溶液的濃度無限增加，電導率也會隨著無限增加。

濃度越高，溶液中離子的數量就越多，離子間相互牽制的作用就越強，使離子運動變得困難。因此，當溶液濃度增加時，導電離子數量增加使電導率變大，當溶液濃度增至一定值時，電導率更大，然后開始下降。通過總結發現裝置對濃度為10mg/L～5mg/L的硫酸銅溶液反應依舊較敏感（可以測出其電導率），表明其靈敏度比傳統檢測儀器更精準。

4.2 不同種類的溶液的數據分析

電導率標準溶液的導電是離子定向移動的結果，因此，其電導率主要與溶液中離子數量的多少和離子運動的速度有關。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。通常強電解質比弱電解質的電導率大，因為它的電離度大，電離出來的離子數量多，所以硫酸銅溶液要比純水的電導率大。濃度越高，單位體積內離子的數量就越多，電導率也就越大，因此硫酸銅濃溶液的電導率比硫酸銅稀溶液的電導率大。對不同介質進行試驗可以得知，該導電率測量裝置測量的范圍更廣。

線圈種類的數據分析：由圖8可知，當線圈種類為50μH、52mm圓形線圈時，輸出電壓最大，線圈耦合效果最佳。

4.3 優化電磁耦合裝置

改變線圈種類：如圖8所示，當線圈為50μH、52mm圓形線圈時，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，當線圈間距為7mm時，輸出電壓最大，信號接收最靈敏。

改變溫度：如圖4所示，溫度為25°C時的輸出電壓達到峰值，在常溫下，電壓浮動不大。

4.4 誤差分析

儀器誤差：長期使用儀器，且未進行保養，會造成儀器損耗；之前使用為歸零矯正，使儀器出現誤差。

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、作用時間等），造成試劑出現問題。

條件差異：除試驗變量溫度外，濕度，照明，通風等也會產生一定量誤差，影響測量結果。例如熱效應，外部電磁干擾，電纜電阻。

4.5 誤差消除方式

儀器誤差：應對儀器進行檢測，校準確認儀器無誤后再開始試驗。

涂層或表面效應：在進行測量前，應該對樣品進行表面處理，減少影響。

電纜電阻：為縮小誤差，可使用低電阻、高質量的連接電纜或進行誤差修正計算。

試劑差異：保證試劑純凈質量，采樣方法、樣品制備、儲藏均需要標準化。

條件差異：盡量保證環境穩定。

熱效應：可以使用冷卻裝置保持線圈溫度，或者對測量結果進行溫度補償。

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

對相同間距至少十組數據進行測量，經過數據處理，得到相對誤差，數據峰值僅為3%，數據波動性較小，裝置可靠性強。誤差分析如圖9所示。

5 結論

可以利用水下磁耦合無線電能傳輸系統對溶液的電導率進行計算，而溶液電導率與溫度、溶液濃度及種類、線圈距離及種類有關，本研究通過搭建水下磁耦合無線電能傳輸系統來探討電導率與以上影響因素的關系，以此提高測量電導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率，能準確快速反應水質對其的影響，測出的數據不僅可以反應內容物的情況，還可以解決電極式電導率傳感器的腐蝕、極化等問題，延長儀器使用壽命。物理測量比化學測量范圍更廣，效果更好，跨度也更大。本試驗改進了傳統的電化學檢測法，大大提高了檢測精度，克服了先前裝置易被腐蝕的缺點，且成本低，操作簡單，適合大范圍推廣。

參考文獻

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[3]劉桂奇，張興成. 史蘊文薪：周蘊蓉教授榮休紀念論文集[M].廣州：華南理工大學出版社， 2020.

[4]周琳，李勇.我國的水污染現狀與水環境管理策略研究[D].蘇州：蘇州科技大學，2018.

[5]陳輝.工業水污染環境治理中的重金屬監測與防治對策研究[J].山西化工，2022，42 （9）：156-158，165.

[6]盧金鎖. 地表水廠原水水質預警系統研究及應用[D].西安：西安建筑科技大學，2006.

[7]王利民. 基于圖像識別技術的微試劑原位水質在線監測方法研究[D].北京：北方工業大學，2021.