La demanda química de oxígeno (cod) y la turbidez (turb) representan el contenido de compuestos orgánicos reductores y turbidez suspendida en el agua, respectivamente, y son indicadores importantes de monitoreo de la contaminación del agua.

El método de análisis espectral tiene una respuesta sensible, una velocidad de análisis rápida y una buena repetibilidad. debido a su principio de detección maduro, el método espectral ultravioleta puede reflejar indirectamente parámetros físicos y químicos como materia orgánica en el agua y materia suspendida, por lo que ha recibido una amplia atención y aplicación. En la detección real, la dispersión de turbidez causará una grave interferencia en el espectro de absorción ultravioleta del cod, lo que afectará la precisión de la detección espectral;

En vista del problema del acoplamiento característico y la interferencia de superposición de picos espectrales en la detección simultánea de la demanda química de oxígeno (cod) y la turbidez por espectrometría ultravioleta, que a su vez afecta gravemente la precisión de la detección. La realización rápida y precisa del análisis de interferencia de acoplamiento y la detección de contenido de una variedad de contaminantes en el agua es de gran importancia para el monitoreo en tiempo real de la calidad del agua en el campo.

Principio de detección:

El principio de la detección de la calidad del agua es el análisis cualitativo y cuantitativo de contaminantes y parámetros de calidad del agua en muestras de agua a través de diversos métodos físicos, químicos y biológicos para evaluar la pureza y seguridad del agua.

En términos generales, el principio de la detección espectral se basa en la interacción entre la materia y la luz. Cuando la luz brilla sobre la materia, las moléculas o átomos de la materia absorben la luz de una longitud de onda específica, produciendo así un espectro de absorción característico. Diferentes sustancias tienen diferentes características espectrales, por lo que se pueden identificar y analizar cuantitativamente los diversos componentes de las muestras de agua mediante el análisis de espectros.

La Ley de Lambert Beer señala que cuando un haz de luz paralelo pasa por una sustancia absorbente uniforme, la absorción a de la solución es proporcional al producto de la concentración C y la longitud del Camino óptico L de la sustancia absorbente en la solución. Es decir:

A = ε·c·l

Entre ellos:

A es la absorción (absorbance,

Epsilon es el coeficiente de absorción de luz molecular (molar absorptivity), expresado en l · mol^{- 1}· cm^{- 1}，

C es la concentración de la sustancia absorbente de luz, en Mol · l^{- 1}，

L es la longitud del camino óptico, en cm.

Cuando el camino óptico es cierto, la absorción de luz de una longitud de onda específica depende de la concentración del componente a medir.

Además de la espectrometría de absorción, también hay aplicaciones parciales para identificar y analizar cuantitativamente las sustancias químicas en el agua a través de las propiedades de excitación o dispersión de la luz por parte de la materia, como la espectrometría de fluorescencia: analizar el contenido de la sustancia detectando la intensidad y longitud de onda de la fluorescencia basándose en las propiedades de Algunas sustancias que emiten fluorescencia bajo la excitación de la luz de una longitud de onda específica.

Ideas experimentales:

Indicadores comunes de calidad del agua:

Los diferentes parámetros de calidad del agua y los intervalos espectrales de absorción correspondientes a los componentes del cuerpo de agua son diferentes, como el rango espectral de absorción de nitratos y nitritos es de 200 a 250 nm, el rango espectral de compuestos de moléculas bajas, compuestos aromáticos, proteínas, disolventes orgánicos, etc. es de 250 a 290 nm, y el rango de sólidos turbidez y disolución total es de 380 nm, por lo que la detección de absorción se realiza con un espectrómetro ultravioleta - visible con un rango de banda detectable de 200 a 800 nm en lugar de la detección de absorción de longitud de onda única, lo que puede reflejar claramente la distribución de muchas sustancias en el cuerpo de agua.

Principio de medición: método de absorción ultravioleta - visible (método fotométrico); Espectrometría de fluorescencia;

Modelo de espectrómetro: serie atp2000 (alta relación señal - ruido, alto píxel, alta integraciónGrado)

Los detectores tradicionales utilizan un tubo Fotomultiplicador combinado con un mecanismo de escaneo de longitud de onda única, que es grande, tiene un largo tiempo de medición y no puede adaptarse al análisis de procesos instantáneos. Relativamente hablando, el espectrómetro de fibra óptica en miniatura puede recoger todo el espectro instantáneamente, lo que puede realizar un monitoreo continuo y en tiempo real de la calidad del agua en línea, y es más adecuado para la medición en el campo y en línea.

El método del espectrómetro para medir la absorción es detectar el haz de luz transmitido a través de una placa de Petri que contiene la muestra a través de la luz paralela de un rango de longitud de onda. A través de la comparación de los espectros antes y después de la absorción de la muestra, se puede obtener el espectro de absorción de la muestra para este rango de longitud de onda.

Al medir la absorción de todo el rango ultravioleta / visible y establecer un modelo estequimétrico, se puede realizar la detección simultánea de varios parámetros en la calidad del agua.

Adquisición espectral:

El sistema de adquisición espectral utilizado en el experimento está compuesto por un espectrómetro atp2000 p, una lámpara de xenón pulsada atg1020, un controlador central, una placa de petri, un atenuador de fibra óptica y un monitor.

El rango de longitud de onda de prueba del espectrómetro es de 180 a 1000 nm, la resolución es de 2,3 nm y la relación señal - ruido es superior a 500: 1.

La Potencia óptica de salida de la fuente de luz pulsada se ajusta a través de un atenuador de fibra óptica utilizando una placa de Petri de cuarzo de 10 mm como piscina de muestras para garantizar la estabilidad del espectro de absorción y evitar la distorsión de saturación óptica y el ruido de fluctuación.

Muestras experimentales:Solución estándar de cod: proporcionada por el Centro Nacional de análisis y pruebas de metales no ferrosos y materiales electrónicos, con Ftalato de hidrógeno y potasio como soluto, con una concentración en masa de 500 mg / l;

Solución estándar de turbidez de formalina: proporcionada por Hangzhou ziwei Instrument co., ltd., 400 ntu;

Adquisición de datos espectrales:

Se recolectaron los espectros de absorción de soluciones estándar de COD y turbidez con diferentes gradientes de concentración de masa, respectivamente.

El rango espectral efectivo es de 180 a 400 nm, el tiempo de integración es de 9 ms, el intervalo de muestreo es de 500 ms y el número promedio de escaneos es de 20 veces. Después de recoger los datos espectrales cinco veces por muestra, se toma el promedio, y el gráfico espectral se muestra a continuación.

Espectro de absorción ultravioleta de la solución estándar, (a)COD; B) turbidez;

Espectro de absorción ultravioleta de la solución mixta, (a) interferencia de turbidez COD +; B) interferencia turbidez + cod;

Al comparar las líneas espectrales de las muestras de solución estándar, se puede ver que las principales características de absorción de COD y turbidez se concentran en el rango de 180 a 400 nm.

1. el rango de pico característico de COD está entre 180 y 300 nm, y la absorción espectral ultravioleta aumenta gradualmente con el aumento de la concentración de masa, y los dos picos de absorción característicos aumentan significativamente al alza;

2. el rango de pico característico de absorción del espectro de turbidez está entre 180 y 400 nm, y la absorción aumenta en su conjunto con el aumento de la turbidez.

3. en las muestras mixtas, el aumento de la interferencia de turbidez hace que la Línea espectral de absorción de COD se levante hacia arriba, el pico de absorción principal se desvíe hacia la derecha, y el aumento de la interferencia de COD hace que el pico de absorción de turbidez se eleve significativamente hacia arriba, lo que se ve menos afectado por la interferencia en el segmento de 300 a 400 nm.

Preprocesamiento de datos espectrales:

Debido a que en el proceso de medición espectral, el entorno externo, las condiciones de medición y las características del propio instrumento tienen un mayor impacto en los resultados de la medición. Los datos originales recopilados suelen contener una gran cantidad de datos redundantes y colineales, lo que afecta significativamente la precisión del modelo posterior y la eficiencia del procesamiento de datos. Para debilitar o eliminar este efecto, generalmente es necesario preprocesar los datos espectrales recogidos, comoSelección de la longitud de onda característicaY correspondienteOptimización de algoritmosDe esta manera, se obtienen datos espectrales efectivos y se mejora la precisión y estabilidad de la detección del modelo.

Selección de la longitud de onda característica, (a) cod; B) turbidez;

Los clientes extraen la longitud de onda característica a través del spa, simplifican los datos espectrales, eliminan variables redundantes independientes y reducen en gran medida la información de interferencia. A través de la optimización de parámetros a través del algoritmo svr, se construyó con éxito un modelo de optimización, que puede reducir eficazmente el acoplamiento característico y la interferencia de superposición de picos espectrales de COD y turbidez al mismo tiempo, realizar una predicción precisa y simultánea del contenido de COD y la turbidez en las muestras de agua, y también tiene una alta precisión de detección para soluciones de turbidez de bajo rango, logrando efectivamente la detección simultánea de COD y turbidez espectrometría ultravioleta.