水質(zhì)VOC監(jiān)測儀的研究

1 背景

工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展和人類活動的日益加劇，有毒有害污染物被排放到湖泊、河流、海洋，環(huán)境污染造成的毒性危害也越加嚴重，的有毒化合物給水質(zhì)監(jiān)測帶來了嚴重的挑戰(zhàn)。在過去幾十年，盡管分析方法的靈敏度已經(jīng)大為改善，但化合物的毒性效應(yīng)是所有組成物質(zhì)拮抗作用或抑制作用的綜合結(jié)果，所以單純的化學(xué)物質(zhì)的限定不能為水體的安全提供充分的保障。在此情況下，人們開始利用生物學(xué)的方法對污染物的毒性進行測定，從而終判定環(huán)境樣品的VOC效應(yīng)。生物毒性檢測能直觀地反映污染水體對生物種群的VOC，是預(yù)測和控制化學(xué)物質(zhì)污染的一種*的輔助手段，因而得到了廣泛應(yīng)用和迅速發(fā)展。

因此檢測其毒性的任務(wù)也越來越緊迫，我國以前的毒性檢測均采用特定物質(zhì)分析方法，也就是針對某種有害化學(xué)物進行化學(xué)定量分析，確定其含量。這種方法的分析結(jié)果比較，但是分析前需要大概知道可能存在有害物質(zhì)種類，分析時間也很長。由于毒害物質(zhì)種類眾多，難以評價多種毒物的VOC和生物效應(yīng)。

2 核心部件描述

VOC檢測技術(shù)與其他廠家的大區(qū)別就是檢測器不同，根據(jù)檢測器的調(diào)研報告分析，終選定光離子化檢測器作為技術(shù)方案，下面是光離子檢測器的資料介紹。

光離子化檢測器（PID， photo ionization detector）使用一只具有 10.6 eV能量的真空紫外無極放電燈作為光源，可使空氣中大多數(shù)有機物和部分無機物電離，但仍保持空氣中的基本成分如N2、O2、H2O、CO2不被電離（這些物質(zhì)的電離電位大于 10.6 eV）。被測物質(zhì)的成分由色譜柱分離后進入離子化室，經(jīng)過真空紫外無極放電燈照射電離，然后測量離子電流的大小，即可得到物質(zhì)的含量。物質(zhì)的種類根據(jù)色譜柱保留時間定性。

3 設(shè)計方案

3.1 儀器結(jié)構(gòu) 儀器的核心部分是真空紫外光源和離子化池，被分析的氣體樣品經(jīng)注射口注入，然后由載氣帶入色譜柱。被測物質(zhì)經(jīng)色譜柱分離后進入離子化池，離子化池的上蓋為真空紫外無極放電燈的窗口，兩側(cè)是電極。電極收集在真空紫外輻射下產(chǎn)生的離子，并產(chǎn)生離子電流，電離電流經(jīng)放大后，由下位機將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機，然后進行數(shù)據(jù)處理、記錄、顯示和存儲。儀器使用的載氣是氮氣，進入色譜柱之前需經(jīng)凈化，除去其中的微量有機物。其結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示：

3.1.1 載氣單元 載氣單元包括凈化管、流量調(diào)節(jié)裝置和氣泵，由于采用空氣作為載氣，而空氣中含有很多微量有機物，因此，需要通過凈化管對空氣進行凈化，凈化管內(nèi)部填充了活性炭，可以有效吸收的微量有機物，減少對檢測造成干擾，可以采用中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研制的復(fù)合型載氣凈化管。氣泵采用無刷技術(shù)的電機，能穩(wěn)定可靠的工作，得到穩(wěn)定的載氣流量。流量調(diào)節(jié)裝置可以根據(jù)氣泵的流量大小進行微調(diào)，可以得到有效的分離度。

3.1.2 進樣單元 進樣單元包括頂空進樣器、注射器和微量切換閥，其中注射器采用微量注射器，能抽取1-10？滋L，精度達到±0.05？滋L。微量切換閥用于完成注射器進樣動作后，能迅速切換到載氣通道，其響應(yīng)時間50mS以內(nèi)，無死體積。頂空進樣器是水中VOC取樣的關(guān)鍵部件，如何水中的VOC能、可靠取樣，是重中之重。

3.1.3 色譜單元 色譜單元包括色譜柱和色譜恒溫箱，色譜柱采用20m（0.53mm）的毛細管柱，色譜恒溫箱的要求如下：

①溫度設(shè)定增減量（℃）：0.1；

②控溫精度（℃）：±0.1；

③溫度穩(wěn)定性（℃）：±0.1。

色譜恒溫箱能夠、穩(wěn)定的控制色譜柱的工作溫度，優(yōu)良的溫度控制精度能有效提高柱效、改善色譜峰分離度、保護橫流泵并延長色譜柱的使用壽命和重現(xiàn)性，因此，色譜恒溫箱的溫度控制精度要求很高，本溫控箱采用*溫控器和傳感器，具備PID智能自整定，加熱元件采用的ＴＰＣ及膜加熱技術(shù)，使用壽命成倍增長。

3.1.4 檢測單元 檢測單元包括UV燈、離子化池和極化電源，UV燈能量主要有三種，分別為9.8 eV、10.6 eV和11.7 eV，能量越高能檢測的物質(zhì)種類也就越多，根據(jù)市場UV燈產(chǎn)能、成本、應(yīng)用領(lǐng)域以及檢測物質(zhì)需求等因素，本方案采用10.6 eV。離子化池采用不銹鋼材料，用于固定UV燈和檢測氣體。極化電源主要是給UV燈提供極化電壓，同時檢測極化電流，得到被檢測物質(zhì)的響應(yīng)電流信號。

3.1.5 顯示控制單元 顯示控制單元包括顯示工控機、MCU控制板和驅(qū)動板，顯示工控機采用ARM9顯示屏與觸摸屏一體化的工控機，主要負責與MCU控制板的通訊、數(shù)據(jù)結(jié)果運算顯示和數(shù)據(jù)上傳等功能，將儀器結(jié)果顯示出來，同時提供操作顯示畫面、儀器控制信號顯示，以及與數(shù)據(jù)控制平臺的數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。MCU控制板采用C8051F120型號的CPU，主要負責與顯示工控機的通訊、儀器流程時序控制、光電信號采集和集成取水控制等，集成取水控制主要包括水位液位、水樣預(yù)處理等，光電信號采集主要包括光電信號、進樣系統(tǒng)液位信號和溫度等信號的采集等。

3.2 可檢測的揮發(fā)性有機物參數(shù)

①苯系物：苯、甲苯、乙苯、對二甲苯、間二甲苯、鄰二甲苯、異丙苯、苯乙烯；②烷類有機物：環(huán)氧乙烷、苯、甲苯、二甲苯、乙烷、烷烴（直到辛烷）；③鹵代烴：氯乙烯、氯乙烷、二氯甲烷及其它氯甲烷類和輕質(zhì)氯苯類；④烯烴類：異戊二烯、乙烯、丙烯、丁烯；

⑤其他有機物：硫化氫、輕質(zhì)硫醇類、有機硫（直至二甲基二硫），丙酮、胂、磷化氫、乙醛、醛類（直至己醛）乙二醇脂類、氟氯甲烷類（氟里昂）、異氰酸甲脂、 環(huán)己酮、丙烯酸乙酯、輕質(zhì)醇類。

4 結(jié)論

通過設(shè)計載氣單元、進樣單元、色譜單元、檢測單元和顯示控制單元，成功研制了水質(zhì)VOC在線監(jiān)測儀器，能檢測絕大部分揮發(fā)性有機物。