基于電滲析離子轉型的氨氮檢測方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及基于電滲析離子轉型的氨氮檢測方法及裝置，其利用電滲析的極化原理電解純水生成?堿性電解水，以替代氫氧化鈉溶液的效果，實現(xiàn)對樣品溶液內銨離子的轉型。裝置包括：兩極室電滲析槽、電磁閥、注射泵和檢測池，兩極室電滲析槽的兩個極室由陽離子交換膜隔開，陽極室內設有陽離子交換樹脂和陽極電極，陰極室內設有陰離子交換樹脂和陰極電極。電滲析裝置采用兩極室的電解槽，電解結束后，取一定體積堿性電解水轉移到檢測池內，與待測水樣按比例混合，并保證混合后水樣pH值高于11滿足堿化需求，再使用氨氣敏電極進行檢測，得出待測水樣的氨氮含量值。不需要添加化學試劑，僅需電能和純水就可以實現(xiàn)連續(xù)生成堿性電解水，綠色環(huán)保，無二次污染。
【專利說明】基于電滲析離子轉型的氨氮檢測方法及裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及氨氮含量檢測技術，具體是一種基于電滲析離子轉型的氨氮檢測方法及裝置。
【背景技術】
[0002]氨氮廣泛存在于地表水和地下水中。氨氮(NH3-N)是以游離氨(NH3)或銨鹽(NH4+)形式存在于水體中。氨氮是水體富營養(yǎng)化的重要因素，當水中氨氮含量較高時，水會呈墨色并伴有臭味，從而對水生植物造成毒害，甚至會導致魚蝦類水中生物的死亡。并且，氨氮在微生物作用下可分解成為亞硝酸鹽，當水中的亞硝酸鹽含量超標時，飲用此水將使亞硝酸鹽和人體中的蛋白質結合形成一種強致癌物質——亞硝胺。長期飲用含氮量超標的水同樣對身體也是極為不利的。因此對于江河湖泊等水體內氨氮含量進行檢測具有極為重要的意義。
[0003]水體中的氨氮大多以銨離子和游離氨形式存在，并在水中保持平衡。當pH值升高到11左右時，水中的氨氮幾乎全部以游離氨的形式存在。目前國內外現(xiàn)有的氨氮檢測方法主要有:基于納氏試劑分光光度法，基于水楊酸分光光度法，蒸懼滴定法和氨氣敏電極法。其中，兩種光度法都受到水樣中懸浮物、鈣鎂等金屬離子、硫化物和有機物的干擾，所以需要進行樣品預處理。蒸餾滴定法同樣需要采取預處理來消除干擾物的影響，且由于采用目視法判斷滴定終點，人為誤差較大。就本發(fā)明涉及的氨氣敏電極法，樣品無需經過蒸餾預處理，可直接測定，分析周期短，并且具有較好的選擇性，檢測范圍廣，操作簡便。但此方法每次檢測前都需添加氫氧化鈉溶液，調節(jié)水樣PH值到11以上，使得銨根離子全部轉換為游離氨后方可進行測量。這種方法連續(xù)測量時一直需要消耗氫氧化鈉溶液，因此帶來的維護頻率高，成本也高，且易引起二次污染。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術中存在的不足，提供一種基于電滲析離子轉型的氨氮檢測方法及裝置，利用電滲析法電解生成強堿性電解水以用于離子銨轉型為游離氨，并結合氨氣敏電極測量樣品中氨氮濃度值的氨氮檢測方法，無需添加化學試劑，快速簡便，無二次污染，成本低廉，可以進行大批量連續(xù)測定。
[0005]按照本發(fā)明提供的技術方案，所述基于電滲析離子轉型的氨氮檢測方法是將去離子水用電滲析法電解生成強堿性電解水，與待測水樣混合，使得水樣中的離子銨轉型為游離氨，再利用氨氣敏電極測量水樣中氨氮濃度值。所述電解生成的強堿性電解水與待測水樣混合，需保證混合后溶液PH值高于11滿足堿化需求。電滲析裝置、氨氣敏電極的測量裝置以及控制水流、水量的裝置均由電子設備自動控制，因此可以實現(xiàn)脫離化學試劑的水體中氨氮連續(xù)在線檢測。
[0006]所述基于電滲析離子轉型的氨氮檢測裝置包括:兩極室電滲析槽的兩個極室由陽離子交換膜隔開，分別為陽極室和陰極室，陽極室內設有陽離子交換樹脂和陽極電極，陰極室內設有陰離子交換樹脂和陰極電極，陽極電極和陰極電極分別接至直流穩(wěn)壓恒流開關電源的正、負極；所述陽極室上部設有進口連接至第一三通電磁閥的一個出口，所述陰極室上部設有進口連接至第一三通電磁閥的另一個出口，第一三通電磁閥的進口通過管路連接第一注射泵再與去離子水相通，陽極室底部具有一個出口，通過電磁閥連接至第二注射泵的進口，陰極室底部的出口也連接至第二注射泵的進口，第二注射泵的出口連接第二三通電磁閥的進口，第二三通電磁閥的兩個出口分別接至檢測池上部的第一進口和廢液桶，所述檢測池上部的第二進口通過第三注射泵接至待測水樣，檢測池上部的第三進口通過第四注射泵接至去離子水，檢測池底部出口通過第五注射泵接至廢液桶；所述檢測池內部設有攪拌器和一支氨氣敏電極，氨氣敏電極信號輸出端輸出電位值到測量儀器。
[0007]進一步的，所述陽極電極為鈦基銥鉭電極，陰極電極為鈦電極。
[0008]本發(fā)明的優(yōu)點是:
[0009]1.無需添加任何化學試劑，僅需電能和純水就可以實現(xiàn)水體氨氮的連續(xù)在線檢測。陰陽離子交換樹脂只需定期活化就能繼續(xù)使用。
[0010]2.反應速度快。每次電解結束后電滲析裝置兩個極室內剩余的溶液繼續(xù)保留，只需添加純水即可繼續(xù)電解，且兩極室內殘留的H+和0H_能更好的負載電流，促進提高反應速度。
[0011 ] 3.本設備體積小巧，操作簡便，待測水樣無需經過蒸餾預處理，免人工維護，運行成本低廉。
[0012]4.輔助自動控制手段，可以實現(xiàn)自動進樣和出樣，同時對使用環(huán)境無特殊要求，可以方便的使用于水質現(xiàn)場檢測。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是基于電滲析離子轉型的氨氮檢測裝置結構示意圖。
【具體實施方式】
[0014]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0015]本發(fā)明利用電滲析的極化原理電解純水生成強堿性電解水，實現(xiàn)對樣品溶液內銨離子的轉型。電滲析是指在直流電場作用下，溶液中的荷電離子選擇性地定向遷移的一種膜分離技術。電流密度是指單位面積膜通過的電流，使水分子產生離解反應時的操作電流密度稱為極限電流密度。當操作電流密度超過極限電流密度時，主體溶液內的離子不能迅速補充到膜的界面上，從而迫使水分子電離產生IT和0H_來負載電流，這就是電滲析的極化現(xiàn)象。
[0016]本發(fā)明所使用的電滲析裝置采用兩極室的電解槽，陽極材料為鈦基銥鉭電極，陰極材料為鈦電極，兩個極室用陽離子交換膜隔開，同時陽極室內填充有陽離子交換樹脂，陰極室內填充有陰離子交換樹脂。
[0017]取一定體積的純水分別進入兩個極室，當兩個電極接通電源后，陰陽離子釋放出的H+和0H_會先在當前溶液內離子濃度較低時，通過電場力作用定向遷移，觸發(fā)電解作用。電極兩側會發(fā)生氧化還原反應:
[0018]40H _4e — 2H20+02 個[0019]2H++2e —H2 ?
[0020]陽極失電子發(fā)生還原反應，溶液呈酸性；陰極得電子發(fā)生氧化反應，溶液呈堿性。同時外接電源保持高壓，保證操作電流密度高于溶液極限電流密度，迫使電極上電解水分子電離產生H+和0Η_來負載電流，使得陰極室內溶液0Η_濃度越來越高，pH值隨之不斷提高，最終成為滿足要求的強堿性電解水。電解結束后生成的堿性電解水含有大量的0H_，6個小時內性質相對穩(wěn)定，但長時間后堿性電解水內的0H—會與空氣中的氧化性物質反應，堿性特性基本消失，因此不會造成二次污染，綠色環(huán)保。取一定體積強堿性電解水轉移到檢測池內，與待測水樣按比例混合，并保證混合后水樣PH值高于11滿足堿化需求，再使用氨氣敏電極進行檢測，得出待測水樣的氨氮含量值。
[0021]如圖1所示，本發(fā)明所述的基于電滲析離子轉型的氨氮檢測裝置包括:兩極室電滲析槽5的兩個極室由陽離子交換膜6隔開，分別為陽極室和陰極室，陽極室內填充有陽離子交換樹脂7，內壁上鑲嵌陽極電極9，陰極室內填充有陰離子交換樹脂8，內壁上鑲嵌陰極電極10，所述陽極電極9為鈦基銥鉭電極，陰極電極10為鈦電極。陽極電極9和陰極電極10分別接至直流穩(wěn)壓恒流開關電源4的正、負極。所述陽極室上部設有進口連接至第一三通電磁閥3的一個出口，所述陰極室上部設有進口連接至第一三通電磁閥3的另一個出口，第一三通電磁閥3的進口通過管路連接第一注射泵2再與去離子水I相通，陽極室底部具有一個出口，通過電磁閥21連接至第二注射泵11的進口，陰極室底部的出口也連接至第二注射泵11的進口，第二注射泵11的出口連接第二三通電磁閥12的進口，第二三通電磁閥12的兩個出口分別接至檢測池13上部的第一進口和廢液桶20，所述檢測池13上部的第二進口通過第三注射泵15接至待測水樣14，檢測池13上部的第三進口通過第四注射泵18接至去離子水1，檢測池13底部出口通過第五注射泵19接至廢液桶20 ;所述檢測池13內部設有攪拌器22和一支氨氣敏電極16,氨氣敏電極16信號輸出端輸出電位值到測量儀器17。
[0022]以上各三通電磁閥、注射泵以及電磁閥21、攪拌器22的控制端均連接到可編程控制器PLC，由可編程控制器控制。以下工作實例由可編程控制器控制完成:首先打開第一注射泵2，抽取IOmL的去離子水I進入兩極室電滲析槽5的陽極室內；然后打開第一注射泵2和接通第一三通電磁閥3，抽取IOmL的去離子水進入兩極室電滲析槽5的陰極室內；接通直流穩(wěn)壓可調電源4，保持電流到0.1A ;連續(xù)電解水10分鐘后，陰極室內溶液pH值在12左右，滿足強堿性要求，斷開直流穩(wěn)壓恒流開關電源4 ;用第二注射泵11通過第二三通電磁閥12抽取5mL陰極室內的強堿性電解水進入到檢測池13，并用第三注射泵15抽取5mL的待測水樣14打入檢測池13，同時打開攪拌器22，使溶液混合均勻；通過氨氣敏電極16測定混合溶液，輸出的電位值傳到測量儀器17內記錄；檢測結束后，通過第五注射泵19將溶液排到廢液池20內；排液結束后，打開注射泵18抽取去離子水I進入檢測池13內，沖洗檢測池13及氨氣敏電極16，并通過第五注射泵19排除廢液，如此反復三次。如需清洗兩極室電滲析槽5，則先通過打開電磁閥21和第二注射泵11排盡兩個極室內的溶液，再通過第一注射泵2和第一三通電磁閥3分別往兩個極室內打入去離子水I沖洗，再進行排液，如此反復2~3次。
[0023]本發(fā)明所重點達到的技術效果是利用電滲析的極化原理，不需要添加化學試劑，僅需電能和去離子水就可以實現(xiàn)連續(xù)生成0H—濃度很高的堿性電解水，綠色環(huán)保，無二次污染。為了防止電解過程中電流過大引起溶液溫度上升過多，從而影響離子交換膜的使用壽命以及氨氣敏電極的測定，電解電流最大控制在0.1Ao裝置檢測氨氮的量程范圍在0.1mg/L ?100mg/L。
【權利要求】
1.基于電滲析離子轉型的氨氮檢測方法，其特征是，將去離子水用電滲析法電解生成強堿性電解水，與待測水樣混合，使得水樣中的離子銨轉型為游離氨，再利用氨氣敏電極測量水樣中氨氮濃度值。
2.如權利要求1所述的基于電滲析離子轉型的氨氮檢測方法，其特征是，所述電解生成的強堿性電解水與待測水樣混合后，溶液PH值高于11。
3.基于電滲析離子轉型的氨氮檢測裝置，其特征是，包括:兩極室電滲析槽(5)的兩個極室由陽離子交換膜(6)隔開，分別為陽極室和陰極室，陽極室內設有陽離子交換樹脂(7)和陽極電極(9)，陰極室內設有陰離子交換樹脂(8)和陰極電極(10)，陽極電極(9)和陰極電極(10)分別接至直流穩(wěn)壓恒流開關電源(4)的正、負極；所述陽極室上部設有進口連接至第一三通電磁閥(3)的一個出口，所述陰極室上部設有進口連接至第一三通電磁閥(3)的另一個出口，第一三通電磁閥(3)的進口通過管路連接第一注射泵(2)再與去離子水(I)相通，陽極室底部具有一個出口，通過電磁閥(21)連接至第二注射泵(11)的進口，陰極室底部的出口也連接至第二注射泵(11)的進口，第二注射泵(11)的出口連接第二三通電磁閥(12)的進口，第二三通電磁閥(12)的兩個出口分別接至檢測池(13)上部的第一進口和廢液桶(20)，所述檢測池(13)上部的第二進口通過第三注射泵(15)接至待測水樣(14)，檢測池(13)上部的第三進口通過第四注射泵(18)接至去離子水(1)，檢測池(13)底部出口通過第五注射泵(19)接至廢液桶(20);所述檢測池(13)內部設有攪拌器(22)和一支氨氣敏電極(16),氨氣敏電極(16)信號輸出端輸出電位值到測量儀器。
4.如權利要求3所述基于電滲析離子轉型的氨氮檢測裝置，其特征是，所述陽極電極(9)為鈦基銥鉭電極,陰極電極(10)為鈦電極。
【文檔編號】G01N27/26GK103512932SQ201310469566
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年10月10日 優(yōu)先權日:2013年10月10日
【發(fā)明者】楊慧中, 王遠, 胡惠新, 陳剛, 陳曉東 申請人:江南大學