专利名称：废水中多种重金属元素的实时在线检测装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及水污染监测，主要用于工业中排放废水的实时在 线检测。
背景技术：
水是生命之源，水的质量关系到人类的生存和整个生态系统的平 衡，由此可见水污染的�：π灾�。为了防止水污染，有效控制废水 的排放和及时的治理要同时进行，而控制废水中污染物排放的前提是 确定污染物的成份及含量。通过实时在线的测量，可及时发现工业生 产过程中排放废水是否超标，以便采取措施减少重大污染事件的发 生。
目前常用的检测废水中污染物的方法大多是离线的，代表性的有
电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-AES)和火焰光度分析法。这两 种方法对污染物质的检测有一定的精度，但均须在实验室内完成，且 在检测前需对样品进行前期处理，因此对检测环境要求严格、测试周 期较长，因而无法在工业生产过程中进行实时、在线的监测。目前尚 未发现可以对废水中多种重金属元素进行现场、实时、连续检测的装 置。
发明内容本实用新型的目的在于提供废水中多种重金属元素的实时在线 检测装置。该装置采用激光诱导击穿光谱技术，利用高能量激光将废 水中的物质激发到高能态，它们在回到基态时将辐射出各自的特征光 谱，分析这些光谱的波长和强度，可得到废水中污染物的成份及其含 量。该装置的优点是可以同时对废水中铅、汞、砷、铬等污染物元 素及其含量进行实时、在线的连续检测，结构简单，操作方便，便于 工业安装。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案
废水中多种重金属元素的实时在线检测装置由脉冲激光器、聚焦 透镜、操控间、缓冲气体、样品室、泵浦装置、采样回收容器、收光 系统、光纤、滤光片、光电倍增管、数据采集卡和计算机组成。在脉 冲激光器的激光发射方向同轴安置聚焦透镜和操控间，样品室实时采 集水样，通过泵浦装置泵浦到操控间，聚焦激光与样品作用产生等离 子体，其等离子体信号通过收光系统收集，与此同时在操控间通缓冲 气体，防止液体溅射影响收光；收光系统的接收端安置在操控间的四 个侧面上，收光系统的输出端通过光纤与滤光片的输入端连接，滤光 片的输出端连接到光电倍增管的输入端，光电倍增管的输出端连接到 数据采集卡的输入端，数据采集卡的输出端连接到计算机。
废水中多种重金属元素的实时在线检测装置采用激光诱导击穿 光谱(LIBS)技术，利用聚焦的高能量激光束将被测废水中的物质激 发到高能态，它们在回到基态的过程中将辐射出各自的特征光谱，分 析这些光谱的波长和强度，可得到被测废水中污染物的成份及其含量。元素谱线的确定参照美国国家标准和技术研究院(NIST)的原子光谱 标准与技术数据库。在实验室对从现场采集回来的废水进行大量的测量 实验，取污染物元素的特征谱线如下镁-279.6纳米，铁-404.6纳米， 铜-324.8纳米、铝-309.3铅-405.8纳米、汞-253.7纳米、砷-228.8纳米、 铬-520.8纳米。利用LIBS技术，可以实时在线地分析工业生产过程中 废水污染物排放的结果，这些结果可以作为判断废水污染物的排放是 否符合标准的依据。
与现有技术相比，本实用新型具有以下优点
1、 可以同时确定废水中铅、汞、砷、铬等污染物元素及其含量;
2、 可对废水中的铅、汞、砷、铬等污染物进行实时、在线的连 续检测；
3、 在检测前不需对待测样品进行前期处理，能快速准确地得到 分析结果；
4、 收光系统由四个收光器组成，能够提高装置的检测限；
5、 结构简单，操作方便，便于工业安装。
图1是本实用新型的结构示意图。
图2是本实用新型收光系统的俯视图。
图3和图4分别为用本实用新型检测到的废水中铅元素405.8纳 米和砷元素228.8纳米特征谱线的"强度-浓度"曲线图。
具体实施方式
以下结合附图，对本实用新型作进一步的说明。如图l所示，废水中多种重金属元素的实时在线检测装置由脉冲
激光器l、聚焦透镜2、操控间3、缓冲气体4、样品室5、泵浦装置 6、样品回收容器7、收光系统8、光纤9、滤光片10、光电倍增管ll、 数据采集卡12和计算机13组成。在脉冲激光器1的激光发射方向顺 序同轴安置聚焦透镜2和六面体的操控间3，聚焦透镜2的焦点位于 操控间3的取样点处，与收光器聚焦透镜的焦点重合。操控间3的上 下两面各开有一个圆孔，上孔连接泵浦装置6，泵浦装置6再连接样 品室5。样品室5采集的废水水样，通过泵浦装置6泵浦到操控间3。 操控间3的下孔连接样品回收容器7。收光系统8由四个分别连接光 纤耦合器的收光器组成，四个收光器分别安装在操控间3的四个侧面。 光纤耦合器经光纤9和滤光片10连接到光电倍增管11的输入端，光 电倍增管11的输出端连接数据采集卡12的输入端，数据采集卡12 的输出端连接到计算机13。
上述脉冲激光器1的输出波长为1064纳米，激光能量范围为 100~500毫焦。
上述缓冲气体4采用不易溶于水、不易与水发生化学反应的气体， 如氮气、氦气或者氖气等。
本实用新型检测废水污染物的工作过程为打开废水中多种重金
属元素的实时在线检测装置后，样品室5开始采集废水样品，经泵浦 装置6连续地进入操控间3，与此同时脉冲激光器1发出的脉冲激光 经聚焦透镜2后聚焦到废水上，废水被聚焦的高能量激光束击穿形成 高温等离子体，废水中的各种物质将被激发到高能态，在上一个脉冲激光与下一个脉冲激光之间，高能态的各种物质将回到基态，在此过 程中，各种物质会辐射出各自的特征光谱，这些特征光谱经收光系统
8，再经光纤9传导到滤光片10，滤光片10对等离子体信号滤光，再 传入光电倍增管11,光电倍增管11将采集到的光信号转换成电信号， 数据采集卡12将模拟信号转成数字信号并导入计算机13分析处理。 计算机13将得到废水样品的激光诱导击穿光谱，根据所得原子发射 光谱特征光谱线的波长，分析判断其样品内污染物的成份，再根据各 特征谱线的强度计算出该物质的含量。
图2是本实用新型收光系统的俯视图。收光系统安装在操控间的 四个侧面上，且每个面上安装一个收光器，收光器聚焦透镜的焦距为 40毫米，直径为30毫米。
发射光谱定量分析的理论依据是自由定标模型，其基本公式为罗 马金-赛伯(Lomakin—Scheibe)公式
式中/为谱线强度，。为常数，属于系统误差，与硬件系统参数
和环境因素等相关，6称为自吸收系数，与元素的含量相关，c为元
素的浓度。对上式取对数，则得
上式表明，在实验条件稳定的情况下，谱线强度对数lg/与等离
子体中元素含量的对数igc成线性关系。因此，当元素浓度c已知时， 测量谱线强度/,便可得到常数"。当常数。确定后，通过测量谱线强 度/，便可得到所测元素的含量，这就是发射光谱定量分析的基本原理。
图3是用本实用新型检测到的废水中铅元素405.8纳米特征谱线 的"强度-浓度"曲线图。其中，横坐标为元素含量的对数lgC，纵坐 标为谱线强度的对数lg/，线性度0.99，斜率0.41，即自吸收系数为 0.41。图4是废水中砷元素228.8纳米特征谱线的"强度-浓度"曲线 图。
权利要求1、废水中多种重金属元素的实时在线检测装置，其特征在于，该装置由脉冲激光器(1)、聚焦透镜(2)、操控间(3)、缓冲气体(4)、样品室(5)、泵浦装置(6)、样品回收容器(7)、收光系统(8)、光纤(9)、滤光片(10)、光电倍增管(11)、数据采集卡(12)和计算机(13)组成；在脉冲激光器(1)的激光发射方向顺序同轴安置聚焦透镜(2)和六面体的操控间(3)，聚焦透镜(2)的焦点位于操控间(3)的取样点处，与收光器聚焦透镜的焦点重合；操控间(3)上下两面各开有一个圆孔，上孔连接泵浦装置(6)，泵浦装置(6)再连接样品室(5)，操控间(3)的下孔连接样品回收容器(7)；收光系统(8)由四个分别连接光纤耦合器的收光器组成，四个收光器分别安装在操控间(3)的四个侧面，光纤耦合器经光纤(9)和滤光片(10)连接到光电倍增管(11)的输入端，光电倍增管(11)的输出端连接数据采集卡(12)的输入端，数据采集卡(12)的输出端连接到计算机(13)。
2、 根据权利要求1所述的废水中多种重金属元素的实时在线检 测装置，其特征在于，所述脉冲激光器(1)的输出波长为1064纳米， 激光能量为100~500毫焦。
3、 根据权利要求1所述的废水中多种重金属元素的实时在线检 测装置，其特征在于，所述缓冲气体(4)采用不易溶于水、不易与水发生化学反应的气体。
4、根据权利要求3所述的废水中多种重金属元素的实时在线检 测装置，其特征在于，所述缓冲气体(4)采用氮气、或者氦气、或 者氖气。
专利摘要本实用新型公开了废水中多种重金属元素的实时在线检测装置，涉及水污染监测。该装置由脉冲激光器(1)、聚焦透镜(2)、操控间(3)、缓冲气体(4)、样品室(5)、泵浦装置(6)、样品回收容器(7)、收光系统(8)、光纤(9)、滤光片(10)、光电倍增管(11)、数据采集卡(12)和计算机(13)组成。本实用新型利用聚焦的高能量激光束将废水中的物质激发到高能态，从高能态回到基态的过程中各种物质将辐射出各自的特征谱线。通过分析这些谱线的波长可以确定被测废水中铅、汞、砷、铬等污染物元素，分析谱线的强度可以得到元素的浓度。优点是结构简单，分析快速，方法可靠，适合对工业排放的废水进行实时、在线的连续检测。
文档编号G01N21/64GK201233392SQ20082019002
公开日2009年5月6日 申请日期2008年7月31日 优先权日2008年7月31日
发明者孙奉娄, 宋述燕, 朱正平, 林兆祥 申请人:中南民族大学
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