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散射式浊度仪的改进和应用
发布时间:2009/6/12  阅读次数:1005  字体大小: 【】 【】【
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摘要:探讨散射式浊度仪的测试机理和改进方法。测试结果表明,采用新型单色电子光源和配备发光强度稳定电路的散射式浊度仪具有低浊度范围准确性和灵敏度高,至100NTU线性好,不须经常调整零点和重新标定,耗电量少,光源寿命长和抗色度干扰能力强等特点,适用于水厂提高滤池效果和监测出水水质。

关键词:过滤 浊度 仪器

  

Improvement and Application of Diffusion Nephelometer

  tract:The measuring mechanism of diffusion nephelometer and methods for its improvement were studied,the result of which shows that the diffusion nephelometer using a new-type monochromatic electronic light source and provided with a luminous intensity stabilizing circuit is featured by high accuracy and sensitivity in case of narrow range of NTU,with good linearity up to 100 NTU,without frequent adjustment of zero point and re-calibration,less consumption of power,long life of light source,strong resistance to color interference,etc.,and is,therefore,suitable for the improvement of the efficiency of filiter tanks and the monitoring of the quality of outlet water in water plants.

  Key words:water treatment;filtration;turbidity;instrument

 

 随着社会经济的发展,对给水水质的要求越来越高。将过滤水的浊度控制在0.1NTU以下,是目前国外采取的预防病原体爆发流行的主要手段。
  近年来,欧美国家的水厂开始普及微粒子计数器,用于检验水处理过程的絮凝效果、过滤器的性能和优化反冲洗过程等。但为水厂的过滤器配备高价的微粒子计数器,在我国可能还不现实,提高浊度的检测水平仍具有很大的实际意义。
  常见的浊度仪均为光电式,主要有透射光武、散射光式、表面散射光式和球(散射+透射)式等。采用波长860mm的激光光源的透射光式浊度仪,入射光不会被水体所吸收,能避免色度干扰;浊度用透射光与入射光比值的负对数表示,因透射光相对于入射光的变化量较小,低浊度的场合一般不适用。球(散射+透射)式浊度仪,同时测定散射光和透射光,浊度用散射光与透射光(或散射光+透射光)的比值表示,具有较高的灵敏度,但仪器复杂,价格偏贵。目前,低浊度值的测量一般采用散射光武浊度仪[1-3]
  在散射光武浊度仪的改进方面,国内新产品XZ系列(上海海恒机电)有一定的代表性,本文介绍该仪器的部分实验研究和运用的结果。

1 测试原理[4-6]

  光是一种电磁波,它在水中碰上微粒阻挡时会发生反射、折射和散射现象,图1显示出600mm波长的光线照射在胶体颗粒上的散射状况。

  图中显示,人射光碰上半径为波长的1/10以下的小颗粒,主要发生侧向散射;碰上半径是波长的1/4左右的颗粒,向前方强烈散射;而碰上半径≥波长的颗粒,在向前方散射的同时,向侧面的不同角度发出强度起伏变化的散射光。单个颗粒越大,产生的散射光量越大。当水中颗粒半径较小时,如图1中的a和b,单位体积水中产生的90°总散射光强度服从瑞利(Rayleigh)定律:

  

  式中:Ir-散射光强度;
     I0-人射光强度;
     n1,n2-分别为微粒和水的折射率;
     λ-人射光的波长;
     υ-单个微粒的体积;
     N-单位体积水中的微粒数;
     θ-散射光与人射光的夹角;
     r-微粒到散射光强测试点的距离。
  根据(1)式,单位体积水的散射光强度与入射光的强度。微粒子半径的6次方及微粒的个数成正比,与如入射光波长的4次方成反比。散射式浊度仪的检测角θ一般采用90°,微粒到散射光强测试点的平均距离r、折射率n1、n2视作不变,λ和υ当作常数,则(1)式可以简化为:

  Ir=KNI0      (2)

  式中K为比例系数。当水中悬浮颗粒的半径大于等于光波长时,由粒子表面的反射及粒子内部的折射都会使光线改变方向,此时90°方向上测得的光强度服从米氏(Mie)定理,与入射光的强度、微粒子的截光面积A和粒子的个数浓度N成正比,可以简化为(3)式:

  Ir=K'ANI0      (3)

  式中K‘为比例系数。实际上,浊度仪90°方向上测得的是不同大小的颗粒对入射光的散射、折射、反射和吸收等综合作用的结果,入射光的波长、粒子色和水色会影响读数,使仪器对高

浊度的水不适用,但在0-100NTU范围内可以得到理想的线性结果。

2 散射式浊度仪的改进[7]

2.1 光源
  由(1)~(3)式可知,只有保证入射光的强度I0不变,才能使散射光的强度与水中浊度物质的数量线性相关。
  XZ系列浊度仪采用了独特的电子发光组件作为光源,仅发出恒定波长的单色红光,谱带宽度较窄,发光强度稳定,入射光不被水中色度物质吸收,可以避免色度对测量的影响。发光组件电耗极少,长期使用不过热,仪器可以连续使用,不需要经常调整零点和重新用标准液标定。而且,光源的价格低廉,工作寿命达到十几万小时以上,一般不须更换。同时,XZ系列浊度仪配备有独特的闭环恒光源控制电路,在使用过程中监测发光强度,当发光强度过高时,通过放大式电路自动减小光源的输入电流,降低发光强度,反之亦然,从而保证入射光的强度I0恒定不变。
2.2 水样槽
  以往浊度仪的水样槽常常被做成圆桶形,可以自由旋转,靠对齐槽边的记号定位。实践表明,稍微转动水槽也可能引起读数变动,因为相对改变了检测的θ角。对此,XZ系列浊度仪采用长方形玻璃水样槽,槽体材质均匀,重复装样读数基本不变。

3 测试实验

  XZ-1型散射式浊度仪标定采用的是由福尔马肼(folmazin)(硫酸肼、六次甲基四胺)配置的标准液。为了检验以福尔马肼标准液标定的XZ-1型浊度仪得到的浊度值能否反映出水中悬浮颗粒的数量或质量,采用高岭土配制成不同重量浓度的水样进行检测实验;同时还添加腐殖酸增加水样的色度,观察色度对浊度检测的影响。
  测试实验用水用自来水、高岭土和腐殖酸配制。高岭土采用化学纯试剂,腐殖酸采用生化试剂。水样每份200mL,定量加入高岭上并充分搅拌均匀后,用XZ-1型浊度仪器检测浊度。考虑尽量接近实际情况,高岭土未经研磨等处理,在检测过程中较大颗粒的沉降影响读数稳定,为此采用了定时读数的方法。腐殖酸先溶解于碱溶液中,然后再等量加入每份水样中,未加高岭土的对照水样的色度为49度。检测的结果如图2所示。

  由图2可见,在0~100NTU的范围内,测得的浊度值随着添加高岭土的量的增加而线性增加。添加腐殖酸增加水样的色度,对浊度的测试结果基本没有影响。

4 散射式浊度仪器的应用[2]

  近年来,对给水浊度严格要求的结果,促进对过滤器工作过程的研究不断深入,图3为快滤池反冲洗后出水浊度随时间变化的例子。图中曲线显示,如果浊度标准定在2NTU以上,经过反冲洗后即可进入有效过滤工作期;但如果降低浊度标准值,则必须经过一个成熟期,出水浊度才能达到要求,为此不得不放弃一部分初始过滤出水。成熟期从开始到时间点t1为止,曲线开始很快上升,期间出现两个峰值,第二个峰较高,随后逐渐下降。第一个峰与滤料层中的剩余反冲洗水流出有关,第二个峰反映的是新水进入后,滤料层形成稳定过滤条件的过程。

  经过t1时间点后,一段时间内浊度先在一个稳定值附近波动,然后缓慢上升;超过t2时间点后,浊度开始迅速上升,这表明应该对滤池实行新一轮的反冲洗。t1至t2的时间为有效过滤工作期,正确找到临界时间点,对提高出水的水质和水量非常重要。采用XZ-1型浊度仪,以每分钟一次以上的频率监测出水浊度,才能绘制出成熟期的浊度变化曲线。为了保证净水效率,希望尽量减少初期弃水量,而有资料表明,造成隐孢子虫流行的原因,往往与滤池反冲洗后的弃水量不够有关[1~2]

5 各类浊度仪的敏感度[4~6]

  采用散射光式、球式和激光(散射/透射)式浊度仪,检测用标准聚苯乙烯乳胶粒配制的水样,乳胶粒径在0.5-5μm范围选择,将测得的浊度值与粒子总截光面积(计算)之比值作为仪器的敏感度,各类浊度仪对不同粒径的敏感度如图4所示。
  由图4可见,对半径小于1μm的颗粒,散射式浊度仪的敏感度最高;球式的敏感度在小粒径的范围迅速下降,对半径0.5μm的颗粒几乎已经无效。对较大的颗粒,散射型的敏感度变化比较小,这意味着浊度与颗粒的总截光面积成正比,即测定值的线性程度较高。1993年国内52家自来水公司用透射式浊度仪、分光光度计和散射光式浊度仪器检测浊度为4.9NTU的同一水样,结果发现散射光浊度仪的准确度、精度、重现性和重复性都是最好的[1]

6 结论

  本文探讨了散射式浊度仪的测试机理和改进方法。实验和应用的结果表明,采用新型的红色单色电子光源和配备独特的发光强度稳定电路后,XZ系列散射式浊度仪具有低浊度范围灵敏度高,0~100NTU线性好,不需要经常调整零点和用标准液标定,光源寿命长,耗电量少,抗色度干扰能力强等特点;适用于水厂提高滤池效果和监测出水水质。

参考文献
  [1]岳舜琳.水质检验工[M].北京:中国建筑工业出版社,1997.340~353.
  [2]许保玖.给水处理理论[M].北京:中国建筑工业出版社,2000.56~66.
  [3]Clair N.Sawyer,Perry L,McCarty,Cene F.Ptin.Chemistry for Environmental Engineering[M].McGraw-Hill Companies,Inc.1994.439~443.
  [4]竹田净雄,赤泽宽,国包章一.沪过水の浊度、微粒子数及FI的

相互关系[J].日本水道协会志,1999,68(1):2~11.
  [5]上水试验法[M].日本水道协会志,1993.63~70.
  [6]上水试验法解说编[M].日本水道协会志,1993.131~136.
  [7]李修雷.长寿命、高稳定散射光浊度仪的研制[J].净水技术,2000,19(4):34~36.
  [8]张玉先.通过对47座水厂的调查谈我国自来水厂的管理与挖潜[J].净水技术,1998,63(1):43~46.

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