水質VOC監測儀的研究

1 背景

工農業的迅速發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，環境污染造成的毒性危害也越加嚴重，的有毒化合物給水質監測帶來了嚴重的挑戰。在過去幾十年，盡管分析方法的靈敏度已經大為改善，但化合物的毒性效應是所有組成物質拮抗作用或抑制作用的綜合結果，所以單純的化學物質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的方法對污染物的毒性進行測定，從而終判定環境樣品的VOC效應。生物毒性檢測能直觀地反映污染水體對生物種群的VOC，是預測和控制化學物質污染的一種*的輔助手段，因而得到了廣泛應用和迅速發展。

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

2 核心部件描述

VOC檢測技術與其他廠家的大區別就是檢測器不同，根據檢測器的調研報告分析，終選定光離子化檢測器作為技術方案，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（這些物質的電離電位大于 10.6 eV）。被測物質的成分由色譜柱分離后進入離子化室，經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，即可得到物質的含量。物質的種類根據色譜柱保留時間定性。

3 設計方案

3.1 儀器結構 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注射口注入，然后由載氣帶入色譜柱。被測物質經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，兩側是電極。電極收集在真空紫外輻射下產生的離子，并產生離子電流，電離電流經放大后，由下位機將采集到的數據發送到上位機，然后進行數據處理、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凈化，除去其中的微量有機物。其結構原理圖如圖1所示：

3.1.1 載氣單元 載氣單元包括凈化管、流量調節裝置和氣泵，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，可以采用中國科學院大連化學物理研究所研制的復合型載氣凈化管。氣泵采用無刷技術的電機，能穩定可靠的工作，得到穩定的載氣流量。流量調節裝置可以根據氣泵的流量大小進行微調，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，其響應時間50mS以內，無死體積。頂空進樣器是水中VOC取樣的關鍵部件，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溫度設定增減量（℃）：0.1；

②控溫精度（℃）：±0.1；

③溫度穩定性（℃）：±0.1。

色譜恒溫箱能夠、穩定的控制色譜柱的工作溫度，優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，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種類也就越多，根據市場UV燈產能、成本、應用領域以及檢測物質需求等因素，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，得到被檢測物質的響應電流信號。

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、數據結果運算顯示和數據上傳等功能，將儀器結果顯示出來，同時提供操作顯示畫面、儀器控制信號顯示，以及與數據控制平臺的數據傳輸等。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、水樣預處理等，光電信號采集主要包括光電信號、進樣系統液位信號和溫度等信號的采集等。

3.2 可檢測的揮發性有機物參數

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、 環己酮、丙烯酸乙酯、輕質醇類。

4 結論

通過設計載氣單元、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VOC在線監測儀器，能檢測絕大部分揮發性有機物。