水质在线监测项目及仪器电子教案.docx
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水质在线监测项目及仪器电子教案
《水环境监测》课程教案
教师姓名
教学时数
4
日期
班级
上课地点
多媒体教室、实训室
项目
水环境连续自动监测
任务
水质在线自动监测项目及仪器
教学目标
能力目标
知识目标
素质目标
(1)能够正确阐述主要水质指标或污染物的在线监测仪器及原理;
(2)能够简述水质在线自动监测系统运行管理常识。
(1)可在线自动监测的水质指标及其监测方法;
(2)常见水质在线监测仪器。
(1)听从指挥、认真负责的团队合作精神;
(2)提高学生搜集资料自主学习和分析问题、解决问题能力。
能力训练
任务
(1)查阅资料熟悉水质在线监测仪器发展及应用状况;
(2)聆听讲解总结水质在线监测仪器运行技术要领。
教学重点
教学难点
重点:
(1)可在线监测的水质指标及监测方法;
(2)常见水质在线监测仪器。
难点:
(1)水质在线监测仪器原理
(2)水质在线监测仪器运行维护方法。
教学方法
及手段
知识讲解:
问题探究、现场教学与传统讲授相结合的多媒体教学;
现场教学:
任务驱动下学生聆听技术人员讲解,观看现场演示,总结技术要领。
教学组织
形式
1.课前准备:
学习小组查阅关于水质在线监测仪器的相关资料、标准、和技术规范。
2.课堂教学:
首先每个学习小组选择一个主题汇报水质在线监测仪器预习情况,教师再利用多媒体设备系统讲解质在线监测仪器相关内容,播放相关视频和图片,加深学生对该内容的理解掌握。
3.现场教学:
通过现场教学,与技术人员的交流,来强化对系统原理理解与运行管理的掌握。
4.总结评价:
教师点评并布置作业,学生完成后上交,老师批阅后下发并点评学习效果。
作业
(1)总结**水质在线自动监测仪器原理及运行管理要点。
(2)完成课后习题。
备注
项目水环境连续自动监测
任务水质在线自动监测项目及仪器
1.水质在线自动监测项目
1.1一般指标
(1)水温;
(2)浊度;
(3)PH值;
(4)电导率;
(5)溶解氧;
1.2综合指标
(1)化学需氧量COD;
(2)高锰酸盐指数;
(3)总需氧量TOD;
(4)总有机碳TOC;
(5)生化需氧量BOD。
1.3单项污染物指标
(1)总氮;
(2)总磷;
(3)氟离子;
(4)氯离子;
(5)氰离子;
(6)氨氮;
(7)六价铬;
(8)苯酚。
2.水质自动监测项目的测定方法
2.1水质在线监测方法分类
(1)电极法;
(2)电导法;
(2)光度法。
2.2水质指标在线监测方法
适合在线监测的水质指标及具体监测方法见表1。
表1水质可自动监测的项目及方法
项目
监测方法
一
般
指
标
水温
pH
电导率
浊度
溶解氧
铂电阻法或热敏电阻法
电位法(pH玻璃电极法)
电导电极法
光散射法
隔膜电极法(极谱或原电池型)
综
合
指
标
化学需氧量(COD)
高锰酸盐指数
总需氧量(TOD)
总有机碳(TOC)
生化需氧量(BOD)
库仑滴定法或比色法
电位滴定法
高温氧化-氧化锆氧量仪法
燃烧氧化-非色散红外吸收法或紫外催化氧化-非色散红外吸收法
微生物膜电极法
单
项
污
染
指
标
总氮
总磷
氟离子
氯离子
氰离子
氨氮
六价铬
苯酚
密封燃烧氧化-化学发光法
比色法
离子选择电极法
离子选择电极法
离子选择电极法
离子选择电极法或膜浓缩-电导率法
比色法
比色法或紫外吸收法
3.水质在线自动监测仪器
3.1水温监测仪
测量水温一般用感温元件如铂电阻或热敏电阻做传感器。
将感温元件浸入被测水中并接入平衡电桥的一个臂上;当水温变化时,感温元件的电阻随之变化,则电桥平衡状态被破坏,有电压讯号输出,根据感温元件电阻变化值与电桥输出电压变化值的定量关系实现对水温的测量。
图1为水温自动测量原理图。
图1水温在线监测原理示意图
3.2电导率监测仪
在连续自动监测中,常用自动平衡电桥法电导率仪和电流测量法电导率仪测定。
后者采用了运算放大电路,可使读数和电导率呈线性关系,近年来应用日趋广泛,其工作原理如图2所示。
图2电流法电导率仪工作原理
1.电导电极;2.温度补偿电阻;3.发送池;4.运算放大器;
5.整流器
由图可见,运算放大器4有两个输入端,其中A为反相输入端,B为同相输入端,它有很高的开环放大倍数。
如果把放大器输出电压通过反馈电阻Rf向输入端A引入深度负反馈,则运算放大器就变成电流放大器,此时流过Rf的电流I2等于流过电导池(电阻为Rx,电导为Lx)的电流I1,即
式中V0和Vc分别为输入和输出电压。
当V0和Rf恒定时,则溶液的电导(Lx)正比于输出电压(Vc)。
反馈电阻Rf即为仪器的量程电阻,可根据被测溶液的电导来选择其值。
另外,还可将振荡电源制成多档可调电压供测定选择,以减少极化作用的影响。
3.3pH监测仪
图3为水体pH连续自动测定原理图。
它由复合式pH玻璃电极、温度自动补偿电极、电极夹、电线连接箱、专用电缆、放大指示系统及小型计算机等组成。
为防止电极长期浸泡于水中表面沾附污物,在电极夹上带有超声波清洗装置,定时自动清洗电极。
图3pH连续自动测定原理
1.复合式pH电极;2.温度自动补偿电极;3.电极夹;4.电线连接箱;5.电缆;6.阻抗转换及放大器;7.指示表;8.记录仪;9.小型计算机
3.4溶解氧(DO)监测仪
在水污染连续自动监测系统中,广泛采用隔膜电极法测定水中溶解氧。
图4为极谱式隔膜电极测定DO原理图。
电极可安装在流通式发送池中,也可浸入于搅动的水样(如曝气池)中。
该仪器设有清洗装置,定期自动清洗沾附在电级上的污物。
图4溶解氧连续自动测定原理
1.隔膜式电极;2.热敏电阻;3.发送池
3.5浊度监测仪
图5为表面散射式浊度监测仪工作原理。
被测水经阀1进入消泡槽,去除水样中的气泡后,由槽底经阀2进入测量槽,再由槽顶溢流流出。
测量槽顶经特别设计,使溢流水保持稳定,从而形成稳定的水面。
从光源射入溢流水面的光束被水样中的颗粒物散射,其散射光被安装在测量槽上部的光电池接收,转化为光电流。
同时,通过光导纤维装置导入一部分光源光作为参比光束输入到另一光电池(图中未画出),两光电池产生的光电流送入运算放大器运算,并转换成与水样浊度呈线性关系的电讯号,用电表指示或记录仪记录。
仪器零点可用通过过滤器的水样进行校正,量程可用标准溶液或标准散射板进行校正。
光电元件、运算放大器应装于恒温器中,以避免温度变化带来的影响。
测量槽内污物可采用超声波清洗装置定期自动清洗。
图5表面散射式浊度自动监测仪工作原理
3.6BOD自动监测仪
间歇式BOD自动监测仪工作原理示于图6,由液体输送系统、传感器系统、信号测量及数据处理、程序控制系统等组成,可在30min内完成一次测定。
图6微生物膜BOD自动监测仪工作原理图
整机按照下列程序完成一个周围期测定:
(1)将中性磷酸盐缓冲溶液用定量泵以一定流量打入微生膜传感器下端的发送池,发送池置于30℃恒温水浴中。
因缓冲溶液不含BOD物质,故传感器输出信号为一稳态值。
(2)将水样以恒定流量(小于缓冲溶液流量的1/10)打入缓冲溶液中,与其混合后进入发送池。
因此时的溶液含有BOD物质,使传感器输出信号减小,其减少值与BOD物质的浓度有定量关系,经电子系统运算,直接显示BOD值。
(3)一次测定结束后,将清洗水打入发送池,清洗输液管路和发送池。
清洗完毕,再自动开始第二个测定周期。
根据程序设定要求,每隔一定时间打入BOD标准溶液校准仪器。
3.7COD监测仪
恒电流库仑滴定法COD自动监测仪是将氧化水样后剩余的重铬酸钾用库仑滴定法测定,根据其消耗电量与加入的重铬酸钾总量所消耗的电量之差,计算出水样的COD。
仪器也是利用微机将各项操作按预定程序自动进行。
两种仪器测定流程示于图7。
图10-22COD自动监测仪测定流程示意图
3.8TOC监测仪
TOC自动监测仪是根据非色散红外吸收法原理设计的,图8是单通道型仪器的流程图。
图8单通道TOC连续自动测定仪工作原理
(1)定量泵连续采集水样并送入混合槽,在混合槽内与以恒定流量输送来的稀盐酸溶液混合,使水样pH达2—3,则碳酸盐分解为CO2,经除气槽随鼓入的氮气排出。
(2)已除去无机碳化合物的水样和氧气一起进入850—950℃的燃烧炉(装有催化剂),则水样中的有机碳转化为CO2,经除湿后,用非色散红外分析仪测定。
(3)用邻苯二甲酸氢钾作标准物质定期自动对仪器进行校正。
这种仪器另一种类型是用紫外光—催化剂氧化装置替代燃烧炉。
3.9TOD监测仪
图9TOD自动监测仪工作原理
TOD自动监测仪的工作原理基于将水样于900℃和有催化剂存在的反应室中,通入含有一定浓度氧的载气,使水样中的有机化合物和其他还原性物质瞬间完全氧化,导致载气中氧浓度降低,用氧化锆氧量检测器测定载气氧浓度减少值,便可得知TOD值。
各项操作按预定程序自动完成并显示测定结果。
氧化锆氧量检测器是一种高温固体电解质浓差电池型检测器,其电动势取决于待测气体中氧的浓度。
3.10总氮在线自动分析仪
水样中的总氮用密封燃烧氧化—化学发光监测仪测定,其原理基于:
首先将水样注入密闭、温度为750℃的反应管中,在催化剂的作用下,水样中的含氮化合物燃烧氧化生成一氧化氮,然后用载气将其载入化学发光测定仪测定,各项操作在自控装置的控制下按预定程序自动进行。
图10密闭燃烧氧化-化学发光分析法总氮在线自动分析仪基本构成
3.11在线金属离子分析仪
图11镉离子自动测定仪工作原理图
定量泵1抽取水样经过滤器、高位槽送入混合槽;在此与由定量泵2输送来的掩蔽剂-调节剂混合,将水样调至要求的离子强度和pH值。
处理好的水样进入测量槽测定后排出。
测量槽中装有镉离子选择性电极和甘共电极,将镉离子浓度转换为电信号,经放大、运算等处理后,送至指示仪表或记录仪。
在程序控制下,定期用标准溶液校正仪器,定期清洗电极、过滤器和测量槽。
3.12氨氮在线测定仪
图12氨敏电极电位感测原理
氨氮在线测定仪运行过程:
(1)向样品中加入NaOH溶液,均匀,使样品pH值>12、铵离子都转换成气态的NH3。
(2)加EDTA等络合剂防止样品生成钙盐沉淀。
(3)游离态氨气透过半透膜进入到离子电极的内部参与化学反应,改变了电极内部电解液的pH值。
(4)pH值的变化量与NH3的浓度成线性相关,由电极感测出来,由主机换算成NH3浓度。
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- 水质 在线 监测 项目 仪器 电子 教案