一种水环境中重金属的检测装置及其方法与流程

1.本发明涉及水环境中重金属检测技术领域，具体涉及一种水环境中重金属 的检测装置及其方法。


背景技术：

2.地下水重金属污染是地下水污染的主要类型。地下水重金属污染主要是指 水体中汞、铬、铅、镉、锌、铁、镍、锗、锰、钴以及类金属砷等生物毒性显 著的重金属离子浓度超过了一定的浓度标准。重金属不易被生物降解，可在人 体内滞留和富集，对人的生命和健康危害很大，如重金属镉是致癌物质，进入 人体后能长时间滞留，在生物体内的半衰期长达20～40年。
3.用于检测痕量重金属浓度水平的当前实验室方法包括诸如原子吸收光谱 (aas)和电感耦合等离子体(icp)的技术。其可以检测痕量水平的重金属浓度，可 达到每百万分之一(ppt)，甚至达到每四百万分之一(ppq)水平。然后高达数万到 几十万美元的仪器，昂贵笨重，所需试剂繁多，不适宜现场大规模勘测。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种水环境中重金 属的检测装置，设有反渗透分流装置，将纯水和浓缩水分离，浓缩水的重金属 浓度更高，更有利于定性定量检测重金属浓度；本发明的目的之二在于提供一 种水环境中重金属的检测方法，通过初始水的水质参数和浓缩水的水质参数计 算出浓缩倍率，再将浓缩水的重金属浓度和浓缩倍率相除，得到待测水样的重 金属浓度。
5.本发明的目的之一采用如下技术方案实现：
6.一种水环境中重金属的检测装置，包括第一水质传感器、反渗透分流装置、 第二水质传感器、重金属检测装置和分析装置；第一水质传感器的出水口与反 渗透分流装置的进水口连接，第一水质传感器用于测定初始水环境中的水质参 数，反渗透分流装置用于分离纯水和浓缩水；反渗透分流装置的浓缩水出口分 别与第二水质传感器和重金属检测装置的浓缩水进口连接，第二水质传感器用 于测定浓缩水的水质参数，重金属检测装置用于检测浓缩水的重金属浓度；分 析装置分别与第一水质传感器、反渗透分流装置、第二水质传感器和重金属检 测装置信号连接；第一水质传感器和第二水质传感器中检测的水质参数种类相 同。
7.进一步，所述重金属检测装置包括从前到后依次设置的光源、光学传感器 和光谱仪，光学传感器内含有若干种显色剂，光学传感器的浓缩水进口与反渗 透分流装置的浓缩水出口连接，光源用于将光导向光学传感器，光谱仪用于捕 捉从光学传感器透过的光，并得到吸光度信息，光学传感器和光谱仪分别与分 析装置电连接。
8.再进一步，所述水环境中重金属的检测装置还包括脱气装置，脱气装置设 置在反渗透分流装置和重金属检测装置之间，脱气装置用于除去浓缩水中溶解 的气体，避免气体
干扰重金属检测。
9.进一步，所述水环境中重金属的检测装置还包括冲洗装置，冲洗装置与光 学传感器连接，用于洗涤光学传感器的显色剂，有助于光学传感器的校准。
10.再进一步，所述浓缩水分别通过泵送往第二水质传感器和重金属检测装置。 泵用于让浓缩水以受控的流速流经重金属检测装置。
11.进一步，所述第一水质传感器为ph传感器、电导率传感器、温度传感器、 离子强度传感器、粒径传感器和流体浊度传感器中的一种或两种以上。
12.再进一步，所述反渗透分流装置为ro反渗透膜。
13.本发明的目的之二采用如下技术方案实现：
14.一种水环境中重金属的检测方法，应用在上述的水环境中重金属的检测装 置，包括以下步骤：
15.1)待测水样或水流通过第一水质传感器，测量得到初始水的水质参数；
16.2)然后进入反渗透分流装置，分离得到纯水和浓缩水；
17.3)步骤2)所得的浓缩水经过第二水质传感器，得到浓缩水的水质参数， 再经过重金属测量装置，测量得到浓缩水的重金属浓度；其中，浓缩水流向第 二水质传感器和重金属测量装置的顺序不作先后限定。
18.4)分析装置计算步骤1)所得的初始水的水质参数和步骤3)所得浓缩水 的水质参数，得到浓缩倍率，再将步骤3)所得的浓缩水的重金属浓度与浓缩倍 率相除，得到待测水样的重金属浓度。
19.进一步，步骤2)中，分离得到的浓缩水经过脱气处理。
20.再进一步，步骤3)中，所述重金属检测装置包括从前到后依次设置的光源、 光学传感器和光谱仪，光学传感器内含有若干种显色剂；浓缩水进入到光学传 感器内，与光学传感器内的显色剂接触，光学传感器将显色情况以电信号的形 式传送至分析装置；光源将光导向光学传感器，光学传感器将光反射至光谱仪， 光谱仪捕捉从光学传感器透过的光，得到光信号并传送至分析装置，分析装置 通过显色情况定性分析重金属的种类，通过光信号定量分析得到浓缩水的重金 属浓度。
21.相比现有技术，本发明的有益效果在于：
22.(1)本发明的检测装置先通过第一水质传感器检测出待测水样的初始水质 参数，再通过设置反渗透分流装置，将待测水样分离为纯水和具有重金属的浓 缩水，浓缩水中由于被浓缩，重金属浓度显著提高，能显著增加后续重金属检 测装置的灵敏度并减少重金属检测的时间；接着通过第二水质传感器检测浓缩 水的水质参数，分析装置用于通过初始水的水质参数和浓缩水的水质参数计算 出浓缩倍率，将浓缩水的重金属浓度与浓缩倍率相除，得到待测水样的重金属 浓度。
23.(2)本发明的重金属检测方法，先检测待测水样的初始水的水质参数，采 用反渗透的原理分离无其他杂质的纯水和浓缩水，浓缩水中重金属浓度显著提 高，便于后续重金属检测装置能快速且精准地检测出浓缩水的重金属浓度，再 检测得到浓缩水的水质参数，结合初始水的水质参数，计算得到浓缩倍率，最 后通过浓缩水的重金属浓度与浓缩倍率相除，得到待测水样的重金属浓度。该 方法是一种使用方便、价格低廉、速度快和精度高的重金属检测方法，能满足 对水环境中重金属快速检测的需求，能定性定量得到重金属浓度的
结果。
24.(3)本发明的重金属检测方法选用分光光度法和比色法结合来检测重金属 浓度，传统的比色法主要用于重金属的定性，而本发明的重金属检测装置包括 光源、光学传感器和光谱仪，光学传感器中设有若干种显色剂，每种显色剂被 配置为能与特定类型的金属相互作用而改变颜色，当浓缩水的水流经过光学传 感器时，显色剂与特定的重金属离子发生络合反应生成有色络合物，光学传感 器将显色情况传输至分析装置；光源将光导向光学传感器，光学传感器将光反 射至光谱仪，光谱仪捕捉从光学传感器透过的光，得到光信号并传送至分析装 置，分析装置通过显色情况定性分析重金属的种类，通过光信号定量分析得到 浓缩水的重金属浓度。本发明的重金属检测方法将价格低廉，定性速度快但定 量检测精度差的比色法与灵敏度不高但分析重金属元素种类多且检测结果准确 的分光光度法结合，而且由于待测水样经过反渗透浓缩，重金属浓度大大提高， 从而能快速且精准地检测到水环境中重金属的种类和金属。
附图说明
25.图1为实施例1的检测装置的连接示意图；
26.图2为实施例2的检测装置的连接示意图；
27.图3为实施例2的重金属检测装置的示意图。
28.图中：1、第一水质传感器；2、反渗透分流装置；3、第二水质传感器；4、 重金属检测装置；41、光源；42、光学传感器；43、光谱仪；44、显色剂储存 装置；5、分析装置；6、脱气装置；7、水泵；8、冲洗装置。
具体实施方式
29.下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的 是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任 意组合形成新的实施例。
30.本发明提供一种水环境中重金属的检测装置，包括第一水质传感器1、反渗 透分流装置2、第二水质传感器3、重金属检测装置4和分析装置5；水质传感 器的出水口与反渗透分流装置2的进水口连接，第一水质传感器1用于测定初 始水环境中的水质参数，反渗透分流装置2用于分离纯水和浓缩水；反渗透分 流装置2的浓缩水出口分别与第二水质传感器3和重金属检测装置4的浓缩水 进口连接，第二水质传感器3用于测定浓缩水的水质参数，重金属检测装置4 用于检测浓缩水的重金属浓度；分析装置5分别与第一水质传感器1、反渗透分 流装置2、第二水质传感器3和重金属检测装置4信号连接；第一水质传感器1 和第二水质传感器3中检测的水质参数种类相同。
31.所述反渗透分流装置2为ro反渗透膜。反渗透是60年代发展起来的一项 新的膜分离技术，是依靠反渗透膜在压力下使溶液中的溶剂与溶质进行分离的 过程。反渗透的英文全名是“reverse osmosis”，缩写为“ro”。ro反 渗透膜孔径小至纳米级，在一定的压力下，水分子可以通过ro反渗透膜，而源 水中的无机盐、重金属离子、有机物、胶体、细菌、病毒等杂质无法通过ro反 渗透膜，从而使可以透过的纯水和无法透过的浓缩水严格区分开来。通过反渗 透分流的浓缩水重金属浓度可提高10倍以上，后续检测重金属的种类和浓度的 特
异性和灵敏度大大提高，最后通过计算得到的浓缩倍率，能得到待测水样的 重金属浓度，可用于痕量检测重金属的浓度。
32.具体地，重金属检测装置4包括但限于点传感器、电化学重金属传感器、 光学传感器42和荧光传感器，优选为光学传感器42。所述重金属检测装置4包 括从前到后依次设置的光源41、光学传感器42和光谱仪43，光学传感器42内 含有若干种显色剂，光学传感器42的浓缩水进口与反渗透分流装置2的浓缩水 出口连接，光源41用于将光导向光学传感器42，光谱仪43用于捕捉从光学传 感器42透过的光，并得到吸光度信息，光学传感器42和光谱仪43分别与分析 装置5电连接。
33.特别地，光学传感器42中设有若干种显色剂，显色剂放置在显色剂储存装 置44的内部。显色剂包括但不限于锌试剂、双环己酮草酰二腙和二苯碳酰二肼。 锌试剂直接测定锌的络合指示剂，并可测定铜和汞；作为络合指示剂间接滴定 钙、锌、铜、镍、钴、铁、锰、镉、铅、铈和铟。优选锌试剂的含量为0.2ml 浓度为0.08％的锌试剂，调节ph为碱性，在此条件下，各金属的络合物的颜色 和检出限如表1。
34.表1各重金属与锌试剂反应的络合物颜色和检出限
[0035][0036]
由表1可知，铜和锌与锌试剂的络合物均为蓝色，为了进一步区分，采用 双环己酮草酰二腙作为显色剂，其在氨性溶液中，与铜(ii)形成蓝色络合物， 而与锌(ii)无颜色反应，铜的检出限为0.5mg/l。二苯碳酰二肼与六价铬可生 成紫红色络合物，检出限为0.05mg/l。
[0037]
本发明的检测方法是比色法和分光光度法结合，光学传感器42将显色结果 传送至分析装置5，分析装置5分析浓缩水中的重金属种类。光源41用于将光 导向光学传感器42，光谱仪43用于捕捉从光学传感器42透过的光，并得到吸 光度信息，然后将该吸光度信息传送至分析装置5，吸收峰峰值波长处的吸光度 与被测物质的浓度之间符合朗伯-比尔定律，即两者是呈线性关系，可定量分析 重金属，从而得到浓缩水的重金属浓度。
[0038]
再进一步，所述水环境中重金属的检测装置还包括脱气装置6，脱气装置6 设置在反渗透分流装置2和重金属检测装置4之间，脱气装置6用于除去浓缩 水中溶解的气体，避免气体干扰重金属检测。
[0039]
进一步，所述水环境中重金属的检测装置还包括冲洗装置8，冲洗装置8与 光学传感器42连接，用于洗涤光学传感器42的显色剂，有助于光学传感器42 的校准。
[0040]
再进一步，所述浓缩水分别通过泵送往第二水质传感器3和重金属检测装 置4。泵用于让浓缩水以受控的流速流经重金属检测装置4。
[0041]
进一步，所述第一水质传感器1为ph传感器、电导率传感器、温度传感器、 离子强度传感器、粒径传感器和流体浊度传感器中的一种或两种以上。第一水 质传感器1和第二水质传感器3应为测试同种水质参数的传感器，如何从ph、 电导率、温度、离子强度、粒径和流体浊度的改变来得到浓缩倍率的计算方法 是已知的，本发明不再赘述。
[0042]
实施例1
[0043]
如图1所示，本实施例的水环境中重金属的检测装置包括先后连接的第一 水质传感器1、反渗透分流装置2、第二水质传感器3、重金属检测装置4和分 析装置5。其中，第一水质传感器1和第二水质传感器3均为ph传感器。反渗 透分流装置2为ro反渗透膜。重金属检测装置4为电传感器。
[0044]
一种水环境中重金属的检测方法，应用在上述的水环境中重金属的检测装 置，包括以下步骤：
[0045]
1)待测水样或水流通过第一水质传感器1，测量得到初始水的ph参数；
[0046]
2)然后进入反渗透分流装置2，分离得到纯水和浓缩水；
[0047]
3)步骤2)所得的浓缩水通过水泵7经过第二水质传感器3，得到浓缩水 的ph参数，再通过水泵7经过重金属测量装置(电传感器)，测量得到浓缩水 的重金属浓度；可通过水泵7调节浓缩水经过重金属测量装置的流速，分析装 置5通过时间、流速和电传感器的金属积累量来计算出重金属的时间平均浓度。
[0048]
4)分析装置5计算步骤1)所得的初始水的水质参数和步骤3)所得浓缩 水的ph参数，通过公式：ph＝-lg(c(h

))计算浓度值，从而得到浓缩倍率， 再将步骤3)所得的浓缩水的重金属浓度与浓缩倍率相除，得到待测水样的重金 属浓度。
[0049]
实施例2
[0050]
如图2所示，本实施例的水环境中重金属的检测装置包括先后连接的第一 水质传感器1、反渗透分流装置2、脱气装置6、第二水质传感器3、重金属检 测装置4和分析装置5。其中，第一水质传感器1和第二水质传感器3均为电导 率传感器。反渗透分流装置2为ro反渗透膜。如图3所示，重金属检测装置4 包括从前到后依次设置的光源41、光学传感器42和光谱仪43，光学传感器42 内含有若干种显色剂，显色剂存储在显色剂储存装置44。光学传感器42还与冲 洗装置8连接，冲洗装置8内部装有冲洗试剂。
[0051]
一种水环境中重金属的检测方法，应用在上述的水环境中重金属的检测装 置，包括以下步骤：
[0052]
1)待测水样或水流通过第一水质传感器1，测量得到初始水的电导率参数；
[0053]
2)然后进入反渗透分流装置2，分离得到纯水和浓缩水，将所得的浓缩水 送往脱气装置6处理后，进入下一步骤；
[0054]
3)步骤2)所得的浓缩水通过水泵7经过第二水质传感器3，得到浓缩水 的电导率参数，再通过水泵7经过光学传感器42，浓缩水与光学传感器42内的 显色剂接触，光学传感器42将显色情况以电信号的形式传送至分析装置5；光 源41将光导向光学传感器42，光学传感器42将光反射至光谱仪43，光谱仪43 捕捉从光学传感器42透过的光，得到光信号并传送至分析装置5，分析装置5 通过显色情况定性分析重金属的种类，通过光信号定量分析得
到浓缩水的重金 属浓度；
[0055]
可通过水泵7调节浓缩水经过光学传感器42的流速，分析装置5通过时间、 流速和光学传感器42的金属积累量来计算出重金属的时间平均浓度。
[0056]
4)分析装置5计算步骤1)所得的初始水的电导率参数和步骤3)所得浓 缩水的电导率参数，通过公式：λm＝κ/c(λm是摩尔电导率，κ是电导率，c 是溶液的浓度)计算得到浓度变化，再得到浓缩倍率，再将步骤3)所得的浓缩 水的重金属浓度与浓缩倍率相除，得到待测水样的重金属浓度。
[0057]
5)若光学传感器42需要校准时，冲洗装置8将冲洗液(酸液)喷在光学 传感器42，清洗后的光学传感器42进行测量光谱的基线校准后可继续运作。
[0058]
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的 范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换 均属于本发明所要求保护的范围。