浅谈几种在线监测技术在环境监测中的应用

摘要：随着我国经济的飞速发展，生态环境的破坏和环境污染问题越来越突出，人们生活环境的质量也在不断的恶化，在这种情况下环境在线监测技术应运而生，也逐渐成为了学者非常重视的课题。本文主要讲述了现在环境监测在线监测技术，主要有大气和水方面的环境在线监测技术。

关键词：在线监测；环境监测；技术

Abstract: with the rapid development of economy in our country, the ecological environment destruction and pollution of the environment problem increasingly prominent, the quality of people's living environment has been deteriorating, on-line monitoring technology arises at the historic moment, in this case the environment also gradually become a hot issue in become a scholar. This article mainly tells the story of environmental monitoring on-line monitoring technology now, mainly there are air and water environment online monitoring technology.

Key words: online monitoring; Environmental monitoring; technology

中图分类号：X8文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)

引言

近年来，环境与资源约束瓶颈加大，环境污染呈加剧蔓延趋势，新污染物质和持久性有机污染物的危害逐步显现，生态与环境问题变得更加复杂，环境风险更加巨大，环境问题引起了国家的高度重视。而环境自动在线监测技术的出现也为良好的保护环境的目标，提供了有力的保证，这项技术在全国各地区普遍推广的同时，也在应用过程中出现了一些问题，值得每位热爱环保的同仁去思考解决这些问题。下面介绍几种在环境监测中的在线监测技术，以供同行参考。

一、 污水COD在线监测的分类及工作原理

污水COD的在线监测方法按采用氧化剂的不同可分为：重铬酸钾法(CODCr)、高锰酸钾指数法、臭氧法、羟基自由基法等。根据工作原理的不同，可分为化学法、电化学法、光谱法和生物法四类。化学法基于外加氧化剂K，Cr20，KMnO。或O，与水中有机物发生化学反应；电化学法是利用电解产生Fe2+与剩余C r“反应(库仑滴定)或电生羟基自由基直接氧化水有机物；光谱总体上讲，COD在线自动监测仪的设计思路大体有两种，一种是模拟传统湿化学法的原理，将分析过程住线化，样品必须先消解后测定，多数COD在线监测仪设计遵循这一思路；另一种则彻底摒弃样品消解，采用全新的原理进行测定，例如利用电解产物直接与有机物反应、利用生物快速降解有机物或直接测定有机物的紫外吸收光谱等。后一思路是对COD测定方法的突破。

目前我国广泛使用的污水COD的在线监测方法主要是分光光度法和电位滴定法，COD在线监测仪的工作综合运用了流动注射技术，电化学技术，现代传感技术、自动测量技术、自动控制技术、计算机应用技术、现代光机电技术，仪器一般包括进样系统、反应系统、检测系统、控制系统四部分。光度分析法污水COD在线监测仪的工作原理为：载流液(含重铬酸钾的稀硫酸)由恒流泵输送至反应管道中，基本装置流动注射分析是基于把一定体积的液体样本通过阀切入到一个运动着的由适当液体组成的连续载流中，当注入阀将水样切入反应管道中后。试样带被载流液推进并在推进过程中渐渐扩散，样品和试剂混合。在强酸溶液中，以银盐作催化剂，定量的重铬酸钾氧化水样中的还原性物质，在一定的消解温度下，加热消解一定时间，六价铬被水中还原性物质定量还原为三价铬，在一定波长下，用分光光度计测定三价铬的吸光度，通过吸光度与水样COD的线性关系进行定量分析测定。进样系统由输液泵、定量馆、电磁阀、管路、接门等组成，完成对水样的采集、输送、试剂混合、废液排除及反应室清洗等功能。反应系统主要有加热单元和反应室，完成水样的消解和反应，监测系统包括单片机(或工控机)、时序控制和数据处理软件、键盘和显示屏等，完成对在线分析全过程的控制、数据采集与处理、现实、储存及打印输出。

污水COD在线监测仪电位滴定法的工作原理是在强酸溶液中，以银盐作催化剂，钼氯酸、硫酸铝钾作助催化剂，经恒温密闭消解一定时间后，用硫酸亚铁铵滴定水样中未被还原的重铬酸钾，由消耗的硫酸亚铁铵的量换算成消耗氧的质量浓度。就其反应过程来看，氧化剂浓度、反应液的酸度。消解时间，消解温度对测定结果影响较大。而消解时间、消解温度、曲线的有效取值区间要视不同水质、消解反应难易程度及污染物浓度正常变化范围而具体确定，测试方法较光度分析法复杂，需要消耗较多的化学试剂。

二、pH值在线检测系统

1.工作原理

系统核心部件是pH值信号采集装置和信号处理控制装置。系统根据pH检测传感器检测到的pH值信号，将输出检测信号至中央处理单元，中央处理单元经信号处理单元和运算单元后，实现仪表显示实际pH值，并与设定的pH值进行比较，输出控制信号，控制执行机构，自动向槽中加减中和液，并采用循环泵对槽内液体迅速循环，确保其均匀性，使织物达到所设定的pH值。

2.关键技术及创新点

(1)pH值在线检测传感器的研究和选用；

(2)对pH值算法的分析和研究；

(3)对pH值检测信号处理技术的研究；

(4)温度对pH值影响需进行温度补偿技术处理；

(5)对自动化控制仪表的开发：

(6)仪表采用单片机智能化设计，具有自动稳零、数字显示、超限报警、变送输出、电流调节输出或时间比例输出、RS485通讯等功能系统测量精确、稳定、运行可靠；

(7)对检测和执行机构的研究和开发；

三、水质总磷总氮在线自动监测技术

1.总氮分析方法

在线监测方法：在水样中加入K2S2O8溶液和NaOH溶液，在85℃下紫外线照射，水样中含氮化合物被分解成NO3。被消解的水样冷却至一定温度后，分取一部分试样，加HCl调节至pH2~3，然后在220nm波长处测量吸光度值，并计算出水中的总氮浓度值。该方法的优点是在常压和低温条件下进行氧化分解。在60℃以上水溶液中，过硫酸钾可分解产生硫酸氢钾和原子态氧，硫酸氢钾在溶液中离解而产生氢离子，故在氢氧化钠的碱性介质中可促使分解过程趋于完全。分解出的原子态氧在120～124℃条件下，可使水样中含氮化合物的氮元素转化为硝酸盐。并且在此过程中有机物同时被氧化分解。可用紫外分光光度法于波长220nm和275nm处，分别测出吸光度A220及A275，两者相减求出校正吸光度A。

2.总磷分析方法

在线监测方法：采用紫外催化-过硫酸钾氧化分光光度法为测定方法，其理论基础是光催化氧化技术，当有机磷吸收紫外光后，原有的C-P键被破坏，形成易于测量的正磷酸盐成分。在水样中加入溶液和硫酸溶液，在95℃下紫外线照射，水样中含磷化合物被分解。试样冷却后分取一部分，加入抗坏血酸和钼酸铵溶液，显色。然后在700nm波长处测量吸光度值，并计算出水中的总磷浓度值。该方法优点是可以在常温常压下进行。在中性条件下用过硫酸钾(或硝酸-高氯酸)使试样消解，将所含磷全部氧化为正磷酸盐。在酸性介质中，正磷酸盐与钼酸铵反应，在锑盐存在下生成磷钼杂多酸后，立即被抗坏血酸还原，生成蓝色的络合物。该络合物在700nm波长有较强吸收，通过测量吸光度值，计算出水中的总磷浓度。

四、 PTR-MS在线监测大气挥发性有机物

利用质谱对VOCs进行测量前，必须把VOCs分子离子化。PTR-MS采用的是软电离技术，即利用母体离子与VOCs反应，把VOCs分子转换成离子。PTR-MS利用的母体离子是H3O+离子，之所以用H3O+是因为一方面，H2O的质子亲合势为7.22eV，而大多数VOCs的质子亲合势在7~9eV之间，因此H3O+分子可以和大多数的VOCs（除了CH4和C2H4等少数有机物）分子发生质子转移反应；另一方面，空气中主要成分 (N2、O2、CO2和AR等)的质子亲合势都小于H2O的质子亲合势,因此,它们不会与H3O+发生质子转移反应。所以，在测量空气中的痕量VOCs时 ,H3O是最合适的母体离子。

测量的一般过程为:离子源产生离子母体H3O+，进入充满空气的流动管，与空气中的VOC发生离子-分子反应，将VOC离子化为唯一的（VOC)H+离子，产生的离子进入流动管末端的质谱进行检测。

为了消除水团簇离子的影响，PTR-MS采用在离子-分子反应区加可调电场的技术，当离子碰撞的动能超过水团簇离子中离子-分子之间的键能时，水团簇离子将不会形成，由此消除水的影响，使得质谱图像非常简单，易于对有机物的识别。

五、基于红外光谱和GPRS的大气有害气体监测系统

GPRS无线网络技术和气体浓度红外检测技术的运用基于红外检测技术、GPRS无线网络和 ARM 技术，构建有害气体监控系统的方案。通过对测试原理和方法的充分论证之后，设计了气体浓度测试的红外传感器；开发了以32位处理器S3C44B0为核心，包括A/D转换模块、LED/LCD液晶显示模块、GPRS模块以及键盘模块在内的ARM中央硬件处理平台；完成了各电路模块印刷电路板的制作和分步调试；在ARM集成开发环境 ADS1.2下完成了系统的启动代码和应用程序的编写，和上位机监控软件的编写；并结合硬件电路完成了整个系统的调试；最后在实验室完成了测试系统的标定实验。本系统的优点在于利用了GPRS网覆盖范围广、数据传输速率高、永远在线、费用低，无地域限制，节省巨额建网费等优势，解决了大气污染的大范围、实时、长期在线监测问题；浓度测试中采用红外光谱检测技术设计出的传感器与传统的同类传感器相比，具有响应速度快、能在恶劣环境下工作的优点；系统采用了ARM嵌入式处理器，实时性好，可脱机运行，携带方便，除了用于大气环境监测，还可推广到化工、电力、矿山等行业的危险气体检测。

结语

环境监测通过对影响环境质量因素的代表值测定,确定环境质量或污染程度及其变化趋势。随着工业和科学技术的发展,监测的内容也不断延伸,由对工业污染源的监测逐步发展到对大环境的监测,即监测的对象不仅仅是影响环境质量的污染因子,还扩展到对生物、生态变化的监测。在线监测、监督监测在摒弃过去理化监测弊端的基础上,充分发挥理化监测快速准确的特点,增加理化监测单位时间内的监测频率或提高现场监测能力,切实反映污染排放的全过程。

参考文献

[1]金顺平，李建权，韩海燕等等. PTR-MS在线监测大气挥发性有机物研究进展.《环境科学与技术》ISTIC PKU 2007年6期.

[2]张健.基于红外光谱和GPRS的大气有害气体监测系统的研究.