基于電滲析離子轉(zhuǎn)型的氨氮檢測(cè)方法及裝置制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及基于電滲析離子轉(zhuǎn)型的氨氮檢測(cè)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(shí)現(xiàn)對(duì)樣品溶液內(nèi)銨離子的轉(zhuǎn)型。裝置包括：兩極室電滲析槽、電磁閥、注射泵和檢測(cè)池，兩極室電滲析槽的兩個(gè)極室由陽(yáng)離子交換膜隔開(kāi)，陽(yáng)極室內(nèi)設(shè)有陽(yáng)離子交換樹(shù)脂和陽(yáng)極電極，陰極室內(nèi)設(shè)有陰離子交換樹(shù)脂和陰極電極。電滲析裝置采用兩極室的電解槽，電解結(jié)束后，取一定體積堿性電解水轉(zhuǎn)移到檢測(cè)池內(nèi)，與待測(cè)水樣按比例混合，并保證混合后水樣pH值高于11滿(mǎn)足堿化需求，再使用氨氣敏電極進(jìn)行檢測(cè)，得出待測(cè)水樣的氨氮含量值。不需要添加化學(xué)試劑，僅需電能和純水就可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)生成堿性電解水，綠色環(huán)保，無(wú)二次污染。
【專(zhuān)利說(shuō)明】基于電滲析離子轉(zhuǎn)型的氨氮檢測(cè)方法及裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及氨氮含量檢測(cè)技術(shù)，具體是一種基于電滲析離子轉(zhuǎn)型的氨氮檢測(cè)方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[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(yíng)養(yǎng)化的重要因素，當(dāng)水中氨氮含量較高時(shí)，水會(huì)呈墨色并伴有臭味，從而對(duì)水生植物造成毒害，甚至?xí)?dǎo)致魚(yú)蝦類(lèi)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(dāng)水中的亞硝酸鹽含量超標(biāo)時(shí)，飲用此水將使亞硝酸鹽和人體中的蛋白質(zhì)結(jié)合形成一種強(qiáng)致癌物質(zhì)——亞硝胺。長(zhǎng)期飲用含氮量超標(biāo)的水同樣對(duì)身體也是極為不利的。因此對(duì)于江河湖泊等水體內(nèi)氨氮含量進(jìn)行檢測(cè)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(dāng)pH值升高到11左右時(shí)，水中的氨氮幾乎全部以游離氨的形式存在。目前國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的氨氮檢測(cè)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(jī)物的干擾，所以需要進(jìn)行樣品預(yù)處理。蒸餾滴定法同樣需要采取預(yù)處理來(lái)消除干擾物的影響，且由于采用目視法判斷滴定終點(diǎn)，人為誤差較大。就本發(fā)明涉及的氨氣敏電極法，樣品無(wú)需經(jīng)過(guò)蒸餾預(yù)處理，可直接測(cè)定，分析周期短，并且具有較好的選擇性，檢測(cè)范圍廣，操作簡(jiǎn)便。但此方法每次檢測(cè)前都需添加氫氧化鈉溶液，調(diào)節(jié)水樣PH值到11以上，使得銨根離子全部轉(zhuǎn)換為游離氨后方可進(jìn)行測(cè)量。這種方法連續(xù)測(cè)量時(shí)一直需要消耗氫氧化鈉溶液，因此帶來(lái)的維護(hù)頻率高，成本也高，且易引起二次污染。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種基于電滲析離子轉(zhuǎn)型的氨氮檢測(cè)方法及裝置，利用電滲析法電解生成強(qiáng)堿性電解水以用于離子銨轉(zhuǎn)型為游離氨，并結(jié)合氨氣敏電極測(cè)量樣品中氨氮濃度值的氨氮檢測(cè)方法，無(wú)需添加化學(xué)試劑，快速簡(jiǎn)便，無(wú)二次污染，成本低廉，可以進(jìn)行大批量連續(xù)測(cè)定。
[0005]按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，所述基于電滲析離子轉(zhuǎn)型的氨氮檢測(cè)方法是將去離子水用電滲析法電解生成強(qiáng)堿性電解水，與待測(cè)水樣混合，使得水樣中的離子銨轉(zhuǎn)型為游離氨，再利用氨氣敏電極測(cè)量水樣中氨氮濃度值。所述電解生成的強(qiáng)堿性電解水與待測(cè)水樣混合，需保證混合后溶液PH值高于11滿(mǎn)足堿化需求。電滲析裝置、氨氣敏電極的測(cè)量裝置以及控制水流、水量的裝置均由電子設(shè)備自動(dòng)控制，因此可以實(shí)現(xiàn)脫離化學(xué)試劑的水體中氨氮連續(xù)在線(xiàn)檢測(cè)。
[0006]所述基于電滲析離子轉(zhuǎn)型的氨氮檢測(cè)裝置包括:兩極室電滲析槽的兩個(gè)極室由陽(yáng)離子交換膜隔開(kāi)，分別為陽(yáng)極室和陰極室，陽(yáng)極室內(nèi)設(shè)有陽(yáng)離子交換樹(shù)脂和陽(yáng)極電極，陰極室內(nèi)設(shè)有陰離子交換樹(shù)脂和陰極電極，陽(yáng)極電極和陰極電極分別接至直流穩(wěn)壓恒流開(kāi)關(guān)電源的正、負(fù)極；所述陽(yáng)極室上部設(shè)有進(jìn)口連接至第一三通電磁閥的一個(gè)出口，所述陰極室上部設(shè)有進(jìn)口連接至第一三通電磁閥的另一個(gè)出口，第一三通電磁閥的進(jìn)口通過(guò)管路連接第一注射泵再與去離子水相通，陽(yáng)極室底部具有一個(gè)出口，通過(guò)電磁閥連接至第二注射泵的進(jìn)口，陰極室底部的出口也連接至第二注射泵的進(jìn)口，第二注射泵的出口連接第二三通電磁閥的進(jìn)口，第二三通電磁閥的兩個(gè)出口分別接至檢測(cè)池上部的第一進(jìn)口和廢液桶，所述檢測(cè)池上部的第二進(jìn)口通過(guò)第三注射泵接至待測(cè)水樣，檢測(cè)池上部的第三進(jìn)口通過(guò)第四注射泵接至去離子水，檢測(cè)池底部出口通過(guò)第五注射泵接至廢液桶；所述檢測(cè)池內(nèi)部設(shè)有攪拌器和一支氨氣敏電極，氨氣敏電極信號(hào)輸出端輸出電位值到測(cè)量?jī)x器。
[0007]進(jìn)一步的，所述陽(yáng)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(diǎn)是:
[0009]1.無(wú)需添加任何化學(xué)試劑，僅需電能和純水就可以實(shí)現(xiàn)水體氨氮的連續(xù)在線(xiàn)檢測(cè)。陰陽(yáng)離子交換樹(shù)脂只需定期活化就能繼續(xù)使用。
[0010]2.反應(yīng)速度快。每次電解結(jié)束后電滲析裝置兩個(gè)極室內(nèi)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(nèi)殘留的H+和0H_能更好的負(fù)載電流，促進(jìn)提高反應(yīng)速度。
[0011 ] 3.本設(shè)備體積小巧，操作簡(jiǎn)便，待測(cè)水樣無(wú)需經(jīng)過(guò)蒸餾預(yù)處理，免人工維護(hù)，運(yùn)行成本低廉。
[0012]4.輔助自動(dòng)控制手段，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)進(jìn)樣和出樣，同時(shí)對(duì)使用環(huán)境無(wú)特殊要求，可以方便的使用于水質(zhì)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1是基于電滲析離子轉(zhuǎn)型的氨氮檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0015]本發(fā)明利用電滲析的極化原理電解純水生成強(qiáng)堿性電解水，實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品溶液內(nèi)銨離子的轉(zhuǎn)型。電滲析是指在直流電場(chǎng)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(shù)。電流密度是指單位面積膜通過(guò)的電流，使水分子產(chǎn)生離解反應(yīng)時(shí)的操作電流密度稱(chēng)為極限電流密度。當(dāng)操作電流密度超過(guò)極限電流密度時(shí)，主體溶液內(nèi)的離子不能迅速補(bǔ)充到膜的界面上，從而迫使水分子電離產(chǎn)生IT和0H_來(lái)負(fù)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(yáng)極材料為鈦基銥鉭電極，陰極材料為鈦電極，兩個(gè)極室用陽(yáng)離子交換膜隔開(kāi)，同時(shí)陽(yáng)極室內(nèi)填充有陽(yáng)離子交換樹(shù)脂，陰極室內(nèi)填充有陰離子交換樹(shù)脂。
[0017]取一定體積的純水分別進(jìn)入兩個(gè)極室，當(dāng)兩個(gè)電極接通電源后，陰陽(yáng)離子釋放出的H+和0H_會(huì)先在當(dāng)前溶液內(nèi)離子濃度較低時(shí)，通過(guò)電場(chǎng)力作用定向遷移，觸發(fā)電解作用。電極兩側(cè)會(huì)發(fā)生氧化還原反應(yīng):
[0018]40H _4e — 2H20+02 個(gè)[0019]2H++2e —H2 ?
[0020]陽(yáng)極失電子發(fā)生還原反應(yīng)，溶液呈酸性；陰極得電子發(fā)生氧化反應(yīng)，溶液呈堿性。同時(shí)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(chǎn)生H+和0Η_來(lái)負(fù)載電流，使得陰極室內(nèi)溶液0Η_濃度越來(lái)越高，pH值隨之不斷提高，最終成為滿(mǎn)足要求的強(qiáng)堿性電解水。電解結(jié)束后生成的堿性電解水含有大量的0H_，6個(gè)小時(shí)內(nèi)性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定，但長(zhǎng)時(shí)間后堿性電解水內(nèi)的0H—會(huì)與空氣中的氧化性物質(zhì)反應(yīng)，堿性特性基本消失，因此不會(huì)造成二次污染，綠色環(huán)保。取一定體積強(qiáng)堿性電解水轉(zhuǎn)移到檢測(cè)池內(nèi)，與待測(cè)水樣按比例混合，并保證混合后水樣PH值高于11滿(mǎn)足堿化需求，再使用氨氣敏電極進(jìn)行檢測(cè)，得出待測(cè)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(zhuǎn)型的氨氮檢測(cè)裝置包括:兩極室電滲析槽5的兩個(gè)極室由陽(yáng)離子交換膜6隔開(kāi)，分別為陽(yáng)極室和陰極室，陽(yáng)極室內(nèi)填充有陽(yáng)離子交換樹(shù)脂7，內(nèi)壁上鑲嵌陽(yáng)極電極9，陰極室內(nèi)填充有陰離子交換樹(shù)脂8，內(nèi)壁上鑲嵌陰極電極10，所述陽(yáng)極電極9為鈦基銥鉭電極，陰極電極10為鈦電極。陽(yáng)極電極9和陰極電極10分別接至直流穩(wěn)壓恒流開(kāi)關(guān)電源4的正、負(fù)極。所述陽(yáng)極室上部設(shè)有進(jìn)口連接至第一三通電磁閥3的一個(gè)出口，所述陰極室上部設(shè)有進(jìn)口連接至第一三通電磁閥3的另一個(gè)出口，第一三通電磁閥3的進(jìn)口通過(guò)管路連接第一注射泵2再與去離子水I相通，陽(yáng)極室底部具有一個(gè)出口，通過(guò)電磁閥21連接至第二注射泵11的進(jìn)口，陰極室底部的出口也連接至第二注射泵11的進(jìn)口，第二注射泵11的出口連接第二三通電磁閥12的進(jìn)口，第二三通電磁閥12的兩個(gè)出口分別接至檢測(cè)池13上部的第一進(jìn)口和廢液桶20，所述檢測(cè)池13上部的第二進(jìn)口通過(guò)第三注射泵15接至待測(cè)水樣14，檢測(cè)池13上部的第三進(jìn)口通過(guò)第四注射泵18接至去離子水1，檢測(cè)池13底部出口通過(guò)第五注射泵19接至廢液桶20 ;所述檢測(cè)池13內(nèi)部設(shè)有攪拌器22和一支氨氣敏電極16,氨氣敏電極16信號(hào)輸出端輸出電位值到測(cè)量?jī)x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(shí)例由可編程控制器控制完成:首先打開(kāi)第一注射泵2，抽取IOmL的去離子水I進(jìn)入兩極室電滲析槽5的陽(yáng)極室內(nèi)；然后打開(kāi)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(jìn)入兩極室電滲析槽5的陰極室內(nèi)；接通直流穩(wěn)壓可調(diào)電源4，保持電流到0.1A ;連續(xù)電解水10分鐘后，陰極室內(nèi)溶液pH值在12左右，滿(mǎn)足強(qiáng)堿性要求，斷開(kāi)直流穩(wěn)壓恒流開(kāi)關(guān)電源4 ;用第二注射泵11通過(guò)第二三通電磁閥12抽取5mL陰極室內(nèi)的強(qiáng)堿性電解水進(jìn)入到檢測(cè)池13，并用第三注射泵15抽取5mL的待測(cè)水樣14打入檢測(cè)池13，同時(shí)打開(kāi)攪拌器22，使溶液混合均勻；通過(guò)氨氣敏電極16測(cè)定混合溶液，輸出的電位值傳到測(cè)量?jī)x器17內(nèi)記錄；檢測(cè)結(jié)束后，通過(guò)第五注射泵19將溶液排到廢液池20內(nèi)；排液結(jié)束后，打開(kāi)注射泵18抽取去離子水I進(jìn)入檢測(cè)池13內(nèi)，沖洗檢測(cè)池13及氨氣敏電極16，并通過(guò)第五注射泵19排除廢液，如此反復(fù)三次。如需清洗兩極室電滲析槽5，則先通過(guò)打開(kāi)電磁閥21和第二注射泵11排盡兩個(gè)極室內(nèi)的溶液，再通過(guò)第一注射泵2和第一三通電磁閥3分別往兩個(gè)極室內(nèi)打入去離子水I沖洗，再進(jìn)行排液，如此反復(fù)2~3次。
[0023]本發(fā)明所重點(diǎn)達(dá)到的技術(shù)效果是利用電滲析的極化原理，不需要添加化學(xué)試劑，僅需電能和去離子水就可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)生成0H—濃度很高的堿性電解水，綠色環(huán)保，無(wú)二次污染。為了防止電解過(guò)程中電流過(guò)大引起溶液溫度上升過(guò)多，從而影響離子交換膜的使用壽命以及氨氣敏電極的測(cè)定，電解電流最大控制在0.1Ao裝置檢測(cè)氨氮的量程范圍在0.1mg/L ?100mg/L。
【權(quán)利要求】
1.基于電滲析離子轉(zhuǎn)型的氨氮檢測(cè)方法，其特征是，將去離子水用電滲析法電解生成強(qiáng)堿性電解水，與待測(cè)水樣混合，使得水樣中的離子銨轉(zhuǎn)型為游離氨，再利用氨氣敏電極測(cè)量水樣中氨氮濃度值。
2.如權(quán)利要求1所述的基于電滲析離子轉(zhuǎn)型的氨氮檢測(cè)方法，其特征是，所述電解生成的強(qiáng)堿性電解水與待測(cè)水樣混合后，溶液PH值高于11。
3.基于電滲析離子轉(zhuǎn)型的氨氮檢測(cè)裝置，其特征是，包括:兩極室電滲析槽(5)的兩個(gè)極室由陽(yáng)離子交換膜(6)隔開(kāi)，分別為陽(yáng)極室和陰極室，陽(yáng)極室內(nèi)設(shè)有陽(yáng)離子交換樹(shù)脂(7)和陽(yáng)極電極(9)，陰極室內(nèi)設(shè)有陰離子交換樹(shù)脂(8)和陰極電極(10)，陽(yáng)極電極(9)和陰極電極(10)分別接至直流穩(wěn)壓恒流開(kāi)關(guān)電源(4)的正、負(fù)極；所述陽(yáng)極室上部設(shè)有進(jìn)口連接至第一三通電磁閥(3)的一個(gè)出口，所述陰極室上部設(shè)有進(jìn)口連接至第一三通電磁閥(3)的另一個(gè)出口，第一三通電磁閥(3)的進(jìn)口通過(guò)管路連接第一注射泵(2)再與去離子水(I)相通，陽(yáng)極室底部具有一個(gè)出口，通過(guò)電磁閥(21)連接至第二注射泵(11)的進(jìn)口，陰極室底部的出口也連接至第二注射泵(11)的進(jìn)口，第二注射泵(11)的出口連接第二三通電磁閥(12)的進(jìn)口，第二三通電磁閥(12)的兩個(gè)出口分別接至檢測(cè)池(13)上部的第一進(jìn)口和廢液桶(20)，所述檢測(cè)池(13)上部的第二進(jìn)口通過(guò)第三注射泵(15)接至待測(cè)水樣(14)，檢測(cè)池(13)上部的第三進(jìn)口通過(guò)第四注射泵(18)接至去離子水(1)，檢測(cè)池(13)底部出口通過(guò)第五注射泵(19)接至廢液桶(20);所述檢測(cè)池(13)內(nèi)部設(shè)有攪拌器(22)和一支氨氣敏電極(16),氨氣敏電極(16)信號(hào)輸出端輸出電位值到測(cè)量?jī)x器。
4.如權(quán)利要求3所述基于電滲析離子轉(zhuǎn)型的氨氮檢測(cè)裝置，其特征是，所述陽(yáng)極電極(9)為鈦基銥鉭電極,陰極電極(10)為鈦電極。
【文檔編號(hào)】G01N27/26GK103512932SQ201310469566
【公開(kāi)日】2014年1月15日 申請(qǐng)日期:2013年10月10日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月10日
【發(fā)明者】楊慧中, 王遠(yuǎn), 胡惠新, 陳剛, 陳曉東 申請(qǐng)人:江南大學(xué)