水质化学需氧量的多光谱法检测理论和实验研究.doc
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1、 毕 业 论 文 中文题目:水质化学需氧量的多光谱法检测理论和实验研究 英文题目: Study on multi-spectra detection methods for determination of chemical oxygen demand in water 学生姓名 * 系 别 * 专业班级 * 指导教师 * 成绩评定 *年*月目 录1 前言11.1 研究目的及意义11.2 研究现状及发展趋势21.2.1 水质COD检测原理21.2.2 水质COD检测方法及其研究现状31.3 研究目标及研究内容51.3.1 研究目标51.3.2 研究内容51.4 紫外吸收法COD检测技术51.4
2、.1 紫外吸收法检测COD工作原理51.4.2 紫外吸收法检测COD数据分析方法61.4.3 紫外全波段光谱扫描法71.5 近红外光谱分析及相关数学方法71.5.1 近红外光谱法检测COD工作原理71.5.2 近红外光谱法检测COD数据分析方法82 紫外吸收法COD检测实验92.1 实验仪器与条件92.2 标准溶液配制92.3 紫外单波长检测水质COD102.3.1 标准溶液吸光度检测与标准曲线建立102.3.2 待测水样的检测实验122.4 紫外波段扫描法检测水质COD152.4.1 标准溶液吸光度检测与标准曲线建立152.4.2 待测水样的检测实验162.5 两种扫描方法比较172.5.1
3、 T检验172.5.2 描述性统计183 红外光谱法COD检测实验233.1 标准溶液实验233.1.1 实验仪器与条件233.1.2 标准溶液吸光度检测与标准曲线建立233.2 待测水样的检测试验244 结论26参考文献28致谢29附录1 英文文献30附录2 英文文献译文40摘 要环境污染已成为世界水资源与环境保护面临的重大问题之一,由此而造成的水资源短缺问题也成为制约经济社会发展的重要瓶颈。水体的有机污染是水质污染的主要问题。它们以其毒性及使水体溶解氧减少的方式对水生生物产生显著影响,已有调查表明绝大多数致癌物质是有毒的有机物。所以有机物污染指标是水质监测中非常重要的指标。化学需氧量(Ch
4、emical Oxygen Demand,COD)是衡量有机物对水体污染总体程度的一个综合性指标,是水质检测的一个重要项目,对水体的化学需氧量的监测对于污水的治理及水体的质量评价有着重要意义。传统的COD测量方法主要有重铬酸钾法、库仑法以及比色法等。近年来利用光学法进行水质检测已成为国际的研究热点,如:紫外吸收法和近红外光谱法等。本文采用紫外吸收光度法和近红外光谱法测量水的化学需氧量。分别采用紫外单波长扫描和波段扫描方法测得湖水样品的浓度均值高于国家地表水质量标准III类水质标准,受污染较重;二沉池样品浓度均低于城市污水排放一级标准。紫外吸收光度法和近红外光谱法测量水中化学需氧量的差异不显著,
5、两种光谱测量法可比性较好。关键词:水质化学需氧量;光谱检测;紫外;近红外ABSTRACTEnvironmental pollution has become one of the major problems facing the world water resources and environmental protection, the shortage of water resources which has also become an important bottleneck to restrict the economic and social development. Organ
6、ic pollution in water is the main problem of water pollution. They are in their toxicity and the dissolved oxygen is reduced in a way to have a significant impact on aquatic organisms, the research suggests that the vast majority of carcinogenic substance is toxic compounds. So the pollution index o
7、f organic matter is very important in water quality monitoring indicators. Chemical oxygen demand (Chemical Oxygen Demand, COD) is a measure of organic matter on a comprehensive indicator of overall degree of water pollution, is an important project for water quality testing, is of great significanc
8、e for the governance quality evaluation and water sewage monitoring of chemical oxygen demand in water. COD traditional measurement methods are mainly potassium dichromate titration, coulometric method and colorimetric method. In recent years the use of optical method for the detection of water qual
9、ity has become a hot research topic, such as: the international ultraviolet absorption method and near infrared spectroscopy. Chemical oxygen demand by using ultraviolet absorption spectrophotometry and near infrared spectroscopy measurements of water.Lake water samples were determined by UV wavelen
10、gth scanning and band scanning method, and their average concentration is higher than the national standard III water quality standard. Secondary sedimentation tank samples were lower than that of city sewage discharge standard. The results of UV absorption spectrophotometry and near infrared spectr
11、oscopy measuring water chemical oxygen demand were not significant, and the two methods were well comparable.Keywords:Chemical oxygen demand in water quality; Spectrum detection; UV; Near infrared水质化学需氧量的多光谱法检测理论和实验研究*(*)1 前言1.1 研究目的及意义水资源是人类生存和社会发展所必须的最宝贵的物质资源。然而,随着人口的快速增长和社会的高速发展,加之人类长期不合理的开发和利用水资
12、源,环境污染加剧,水环境污染已成为世界水资源与环境保护面临的重大问题之一,由此而造成的水资源短缺问题也成为制约经济社会发展的重要瓶颈。水质污染通常指水体的物理性质或某些化学性质超过水质标准1。工业废水、农业污水、生活污水,以及人为释放的污染物是使水质污染的重要污染源。水质污染还可以引起土壤污染、生物污染,许多地方病和公害病就是由于人们饮用被污染的水源而发生的2。因此,控制和治理水环境污染是保障公众身体健康,生命安全,保持经济社会可持续发展的必要举措。水质监测是控制和治理水环境污染的首要任务,通过对江河湖库监测断面、企业排污口等监测点进行监测,掌握水质的现状及其发展趋势,分析判断事故原因、危害,
13、为采取有效的治理措施提供依据,也为开展水资源水环境质量评价、预测预报水环境质量提供基础数据与手段,同时可供环保部门对企业进行监督管理3。水体的有机污染是水质污染的主要问题。它们以其毒性及使水体溶解氧减少的方式对水生生物产生显著影响;已有调查表明绝大多数致癌物质是有毒的有机物。所以有机物污染指标是水质监测中非常重要的指标4。化学需氧量(Chemical Oxygen Demand,COD)是衡量有机物对水体污染总体程度的一个综合性指标,它是指在一定条件下用强氧化剂处理水样时所消耗的氧化剂的量,以氧含量(mg/L)来表示。COD是对水中的有机物和无机氧化物浓度的测量,反映了水体受还原性物质污染的程
14、度。水中还原性物质包括有机物、亚硝酸盐、亚铁盐、硫化物等,生成COD的物质会消耗水体中O2的量,对水体中的生物和微生物有不良影响。化学需氧量是综合评价水体污染程度的重要指标之一,是水质检测的一个重要项目,对水体的化学需氧量的监测对于污水的治理及水体的质量评价有着重要意义。在“十一五”期间,国家加强了环境污染的监督力度,化学需氧量首次作为约束性指标,被纳入总量控制的考核范围。“十二五”计划中环境政策更为严厉,污染物总量控制、污染源控制、污染水域和地下水环境综合整治是水环境质量改善的重点。水质监测是水环境保护和污染治理的首要和重要环节,而我国的水质监测技术正处于发展阶段,测量技术较国外落后,核心部
15、件和高端设备主要依靠进口。我国国标法对许多水质指标的检测方法都是化学法,然而化学法存在耗时长、所需化学试剂多、操作复杂及二次污染等问题。化学法这些缺陷导致其不能真正实现对水质进行实时在线的绿色检测。国家环境保护总局在2000年12月8日发布的环境监测仪器发展指南就指出环境检测监测仪器将向自动化、智能化、多功能化以及集成化方向发展。所以实时快速的水质检测方法及技术成为时代的需要,关于水质检测技术的新原理、新技术的研究更是研究热点。传统的COD测量方法主要有重铬酸钾法、库仑法以及比色法等。近年来利用光学法进行水质检测已成为国际的研究热点,如:紫外吸收法和近红外光谱法等。光谱分析法具有测定迅速、时间
16、短、便于实时监测水质等优点。很多学者采用紫外吸收光度法,开发了单波长、双波长、积分法、多元线性回归法和全波长光谱扫描法测定化学需氧量。也有一些学者利用近红外光谱分析技术结合化学计量学的方法检测污水COD,建立污水COD定量分析模型,优化检测波段和数学模型。关于化学需氧量的光学法检测技术依然有很多需要研究和改进的地方。例如对不同行业污水化学需氧量的检测范围的选择,提高测量精度,采用化学计量法建立吸光度与化学需氧量的数学模型提高测量准确度,实际测量中其他水质指标对测量准确度的影响。研究如何融合紫外吸收光度法和近红外光谱法测量水的化学需氧量,建立多光谱快速有效监测技术,对水质监测、水质质量评价和污水
17、治理,保护水环境和生态环境,都具有极其重要的意义。1.2 研究现状及发展趋势1.2.1 水质COD检测原理化学需氧量是水环境监测中最重要的有机污染综合指标之一,它可用于判断水体中有机物的相对含量,其意义类似于医生通过体温来衡量人的一般健康状况。对于生活污水、工业废水的研究及评价来说,化学需氧量是一个极为重要的参数。水体中所含的碳氢化合物、脂肪、蛋白质等有机化合物在水中微生物等作用下,最终分解为二氧化碳、水等简单无机物,同时消耗大量的氧;而水体中的亚硫酸盐、硫化物、亚铁盐和氨类等还原性物质,在发生化学氧化时,也要消耗水体中的溶解氧。这些物质就统称为需氧污染,水中溶解氧的下降,势必影响鱼类及其他水
18、生生物的正常生活。一般来说,大多数鱼类要求生活在溶解氧在4mg/L以上的水中。当溶解氧1mg/L时,大部分鱼窒息死亡。溶解氧消失时水中细菌聚集,有机物分解放出甲烷和硫化氢,导致水体发臭,破坏了水环境的生态平衡。在上世纪末,化学需氧量作为综合性指标在我国环境管理和工业污染源普查中起了很大的作用,是国家环保总局规定的污染物总量控制指标之一。1.2.2 水质COD检测方法及其研究现状目前,测量COD的方法主要分为化学法和物理法两种。化学法中经典方法是重铬酸钾法和高锰酸钾法,前者适用于生活污水、工业废水的测定,后者仅限于测定地表水、饮用水和生活污水。针对以上方法测定COD的不足,近些年学者又发展了一些
19、新方法,如:相关系数法、连续流动分析法、电化学法等。物理法主要是紫外可见分光光度法和近红外光谱法。紫外可见分光光度法基于水中多种有机物和部分无机物对紫外到可见光都有特征吸收,利用溶液对单色光的吸收从而确定物质浓度,建立波长吸光度与COD值的关系。从二十世纪六十年代国外就开始开展紫外分光光度法测量COD的研究。1962年,Garnett5和Cox设计开发了利用紫外线在酚类污水中检测有机物浓度的仪器。1965年,Norio和Ogura研究了天然水体水质与紫外吸光度之间的关系。1966年,Bramer、Walsch和Carus开发了利用紫外线和可见光测量水中有机物浓度的仪器。目前,日本采用高锰酸钾法
20、和紫外吸收法测量COD浓度,其中后者占80%。韩国Kim等探讨了不同废水COD值和紫外吸光度之间的关系6。法国学者O.Thomas对紫外吸收法测定COD进行多年的研究并在该领域做出卓越的贡献,发表了大量的论文。1995年Manook B.A等人在美国取得了紫外吸收法测定有机物浓度的专利7。国内对用紫外吸收法测量COD的研究起步较晚,很多研究学者针对不同工厂的污水进行过研究。研究显示不同的有机物拥有各自的吸收光谱,且对于同一波长吸光度也不同,但是大部分有机物在紫外可见光区有较强吸收。紫外吸收光谱测量COD的研究经历了单波长法、双波长法、多波长法、全光谱法的发展历程。单波长吸光度法适用于对成分比较
21、单一且稳定的污水进行COD检测,通过建立水样COD值与A254之间的回归曲线,就可根据相应的线性关系计算出水样的COD值。然而,固定单波长检测方法的一个重要不足之处就是适用性较差,对于不同的生活污水和工业废水,由于水体有机物的组分不同(如:苯胺、苯酚、丙酮、腐植酸、邻苯二甲酸氢钾),它们的紫外全波段的吸收光谱也会存在显著差异,最大吸收峰也并非都在254nm处8。双波长检测法是为了低成本的消除悬浮颗粒对COD测定的干扰,将同一光源发出的光分成两束,分别经过两个单色器,得到两束波长分别为254nm和546nm的单色光,利用斩光器将这两束光以一定的频率交替通过同一个样品池,光吸收信号被检测器接收,送
22、至处理系统,计算出这两束光的吸光度之差,差值即与被测水样的浓度成正相关。此方法可将浊度对可见光的吸光度折合成对紫外光的吸光度,以消除悬浮物对COD测定的影响。由于水体组分的复杂性与多样性,仅用一个吸光度值来反演COD,也存在相关性差、测量精度低等问题。积分法是基于有机污染物大多具有在紫外光区产生吸收的生色团和无机还原性的污染物具有的孤对电子均在紫外光区产生吸收,而紫外光区产生的吸收所组成的峰面积,与污染物COD浓度具有相关性,遵循扩展的郎伯比尔定律,通过建立与标准方法测定的COD值的标准曲线方程,可以间接测定COD值。由于影响水质COD因素的多样性和复杂性,常常存在着很多不确定的信息,例如某些
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- 水质 化学 需氧量 光谱 检测 理论 实验 研究
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