基于紫外線透過率和導(dǎo)電率來檢測水質(zhì)的原理綜述
隨著社會經(jīng)濟發(fā)展、人口的增長、城市化建設(shè)進程加快，我國的水環(huán)境污染問題越來越嚴(yán)重，尤其對居民飲水問題造成非常大的影響。最主要的是有機污染為主，追溯污染源主要有工業(yè)廢水、農(nóng)業(yè)廢水、生活污水及其他等。因此水質(zhì)檢測的檢測結(jié)果是否準(zhǔn)確及是否有反映污染程度，檢測的原理就非常重要了。本文將從水質(zhì)檢測分析方法、針對紫外線透過率和電導(dǎo)率檢測水質(zhì)的原理進行闡述。
一、水中污染物檢測分析方法
我國水環(huán)境污染以有機污染為主。有機污染物種類繁多，組成復(fù)雜，難以用確定的組分表示水中各種有機污染物的含量。目前，多用有機物綜合指標(biāo)，如化學(xué)需氧量(COD) 、總有機碳(TOC) 來間接表示水中有機污染物的含量?；瘜W(xué)需氧量(COD)是水體中受還原性物質(zhì)污染的綜合性指標(biāo)，反應(yīng)水中有機物污染的程度。總有機碳(TOC)是以碳的含量表示水體中有機物總量的綜合指標(biāo)，反應(yīng)水中有機物的總含量。
另外就是檢測水中溶解性總固體(TDS)，溶解性總固體是指水樣經(jīng)過過濾后，在一定溫度下烘干，所得的固體殘渣的含量，包括不易揮發(fā)的可溶性鹽類、有機物及能通過過濾器的不溶性微粒等, TDS不能表示水質(zhì)的污染程度，只能表示溶解性固體的含量。TDS值越高，表示水中含有的溶解物越多?？傮w來說，只有TDS結(jié)合COD和TOC，才能反應(yīng)水質(zhì)的純凈度和污染程度，才能更全面反應(yīng)水質(zhì)的好壞。
對此，我國衛(wèi)生部制定的GB5749-2006《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定，生活飲用不中化學(xué)需氧量(COD)<3mg/L，總有機碳(TOC) <5mg/L，溶解性總固體<1000mg/L。
二、紫外線透過率測量UV275，COD，TOC原理
該原理是基于水中部分有機物在UVC波段紫外線下的吸光度不同，判定水中各類大分子有機化合物的含量?？傮w過程是檢測水的紫外線透過率，再計算UV275和COD及TOC值。
（一）紫外線透過率原理
紫外線透過率測量過程如下：先選定某一溶劑作為標(biāo)準(zhǔn)溶液（一般以純凈水為標(biāo)準(zhǔn)溶液），設(shè)定其紫外線透過率為100%，被測試樣的紫外線透過率是相對于標(biāo)準(zhǔn)溶液而言的，即讓單色光分別通過被測試樣和標(biāo)準(zhǔn)溶液，二者能量的比值就是在一定波長下對于被測試樣的紫外線透過率，是一種相對測量原理。透光率計算公式如下：
????T = I/I0
公式中：I0 -- 為透過標(biāo)準(zhǔn)溶液后的光強，
????????????? I -- 為透過被測試樣后的光強。
下面以林上透過率儀作為實驗儀器，進行實驗，儀器定制了峰值波長為275nm的UVC LED作為光源，紫外線接收探頭的光譜響應(yīng)范圍為230nm ~ 315nm，外接顯示數(shù)據(jù)的人機界面。
1、校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)溶液的透光率為100%：容器采用高透石英比色皿，比色皿光程1cm，標(biāo)準(zhǔn)溶液采用蒸餾的純凈水，手動將儀器校準(zhǔn)為100%；
2、測量試樣溶液的透光率：將被測試樣放入光源和探測器之間，直接可測試出試樣透光率，由下圖得出，該溶液的透光率為42.72%。
（二）紫外透過率轉(zhuǎn)化為UV275
UV275指用275 nm紫外光為光源下，1 cm光程的比色皿，以純水為參比的紫外吸收值。
首先可通過透過率值計算溶液的相較于純水的吸光度值。當(dāng)275nm紫外光通過含待測物質(zhì)溶液時，其吸光度A被定義為透過率(T)的負對數(shù)，即
????????A = -lgT = lg(I0/I)
UV275指用275 nm紫外光為光源下，1 cm光程的比色皿，以純水為參比的紫外吸收值。
????????UV275 = A/L
公式中：A -- 吸光度值
? ? ? ? ? ? ? L -- 待測物質(zhì)溶液的透光光程(即光經(jīng)過溶液的距離)
上述實驗中L=1cm，即UV275 = A，UV275越大，表示水中有機物含量越多。
（三）吸光度轉(zhuǎn)化為COD和TOC
1、吸光度轉(zhuǎn)化為COD值
根據(jù)朗伯一比耳定律，得
????????A = KLC
公式中：C -- 為物質(zhì)濃度,
? ? ? ? ? ? ? K -- 為吸收系數(shù)，
? ? ? ? ? ? ? L -- 為透光的光程(即光經(jīng)過溶液的距離）
由于其光程L即為比色皿的厚度，其值是固定的，所以，可以得到
????????A = K0C
即溶液的吸光度與吸光物質(zhì)的濃度成正比。K0是已知常數(shù)，測量出吸光度就可以計算出溶液中吸光物質(zhì)的濃度。
因為化學(xué)需氧量COD表示水中有機物含量的綜合指標(biāo)，與紫外吸光物質(zhì)的濃度相關(guān)，與A在一定的范圍呈線性關(guān)系，所以，測量出吸光度A就可以計算出化學(xué)需氧量COD。
2、COD值計算TOC值
所有溶液中的有機物，其COD/TOC比值應(yīng)該是不變的。關(guān)于不同地域和不同類型的實際廢水中COD與TOC函數(shù)關(guān)系的學(xué)術(shù)研究，已公開的文獻很多。一致認(rèn)為：在一定的濃度范圍內(nèi)呈很好的線性關(guān)系，表達式為：COD = a + b TOC，其關(guān)系系數(shù)a、b值可根據(jù)實驗獲得。關(guān)系系數(shù)固定 ，即可通過COD直接計算出TOC。
詳情可參考王德名的《水體TOC與CODCR, BOD5, CODMN相關(guān)性研究》、馬永才的《TOC與高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)及CODcr的相關(guān)關(guān)系》、陳鳴的《區(qū)域地表水TOC與CODCR及CODMn相關(guān)性研究》等文獻。
三、電導(dǎo)率測量TDS原理
溶解性總固體(TDS)與溶液中各種離子的電導(dǎo)率存在相關(guān)關(guān)系，同時電導(dǎo)率受溫度影響較大。該原理是通過測量溶液的電導(dǎo)率，加以溫度補償系數(shù)，計算出溶液的TDS值。
（一）電導(dǎo)率測量原理
由于電導(dǎo)是電阻的倒數(shù)，因此當(dāng)電極位于溶液中，可以測出兩電極間的電阻R，根據(jù)歐姆定律，溫度一定時，這個電阻值與電極間的間距L(cm)成正比，與電極的截面積A(cm2)成反比，即：
????????R = ρL/A
由于電極面積A和間距L都是固定不變的，故L/A是一個常數(shù)，稱為電導(dǎo)池常數(shù)(以Q表示)，比例常數(shù)ρ稱作電阻率，其倒數(shù)1/ρ稱為電導(dǎo)率，以K表示
????????K = Q/R
當(dāng)已知電導(dǎo)池常數(shù)，并測出電阻后，即可求出電導(dǎo)率。電導(dǎo)池常數(shù)一般通過測量電導(dǎo)率準(zhǔn)確已知的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的電導(dǎo)，用相對測量方法確定電導(dǎo)池常數(shù)。
（二）電導(dǎo)率轉(zhuǎn)化為TDS
溶液的電導(dǎo)率等于溶液中各種離子電導(dǎo)率之和，電導(dǎo)率與溶解性總固體之間存在著相關(guān)關(guān)系，而且相關(guān)關(guān)系顯著。對于多數(shù)天然水，溶解總固體與電導(dǎo)率之間的關(guān)系可用下面的經(jīng)驗公式估算。
????????TDS = (0.55~0.70)*K
公式中：TDS -- 水中溶解性固體
? ? ????????? K -- 為25℃ 時水的電導(dǎo)率，系數(shù)0.55~0.70隨不同水質(zhì)而異
電導(dǎo)率的測定簡便、迅速，重現(xiàn)性、穩(wěn)定性好，可通過測定電導(dǎo)率，按一定的比例推算水中溶解性總固體的量，分析工作簡便且快速，得到的結(jié)果又更為準(zhǔn)確，具有較高的實用性。
TDS與電導(dǎo)率之間關(guān)系詳情可參考王學(xué)艷,張忠萍的《基子電導(dǎo)率與TDS及全鹽量的關(guān)系研究》文獻。
（三）溫度修正
水的電導(dǎo)率隨溫度升高而增加。水溫每升高1℃，電導(dǎo)率增加25℃時的2%左右。為使測量準(zhǔn)確，測量儀器一般還帶有溫度傳感器，用于實現(xiàn)對電導(dǎo)率的溫度補償，使測量結(jié)果更準(zhǔn)確。
總體來說，只依據(jù)TDS數(shù)據(jù)不能判斷水質(zhì)的污染程度，只有TDS結(jié)合COD和TOC綜全判斷，才能更全面的反應(yīng)水質(zhì)情況。