一体化余氯检测净化器的研究与设计★

逄 宇 黄思瑜 陈钊扬

(合肥工业大学，安徽 合肥 230009)

0 引言

氯消毒作为饮用水消毒开始于1902年比利时的Middleheike市首次在公共水处采用氯消毒，后以其经济，有效，适合大面积使用而广范围为世界所接受，在1974年，荷兰和美国科学家第一次发现了经过氯消毒的水中存在对人体有害的物质，经验证表明，氯与有机酸在水中反应会生成包括三氯甲烷，卤乙酸等在内的多种致癌的烃类物质。而2012年4月可口可乐公司三样产品被检出游离性氯超标的事件使氯消毒再次推上人们的视线中来，究竟到达用户的自来水中的游离性余氯有没有危险，游离性余氯超标又会有怎样的危害，我们有没有办法得知并改善饮用水条件，本文对其进行了论述。

1 游离性余氯的介绍与危害

游离性余氯(Free Chlorine Residual)，指饮用水经加氯消毒，接触一段时间后有适量的氯留存于水中，用来保证持续的杀菌能力，也可用来防备供水管网受到外来污染，一般指水中的ClO-，HClO,Cl2等，具有杀菌速度快，杀菌力强、持续杀菌等优点。

现如今国内超过95%的自来水厂均使用氯消毒法处理，对于氯消毒中的游离性余氯在GB 5749—2006生活饮用水卫生标准规定，氯气及游离氯制剂与水的接触时间应不低于30 min，出厂水中余氯含量应大于0.3 mg/L，但不能超过4 mg/L，最终到达管网用户末梢的余量应大于0.05 mg/L，而对于饮用水中的在GB 17324—2003饮用纯净水卫生标准中规定的限量值是0.005 mg/L。

消毒杀菌的余氯若是含量过低，自来水难以确保符合安全卫生要求，水媒传染病发生率增大，管网里就可能使细菌、大肠杆菌等微生物大量繁殖，灭菌效果不好。若自来水中余氯量超标，会加重水中酚和其他有机物产生的味和臭，产生刺激性气味，且与水中的有机酸反应时还有可能生成三氯甲烷，氯乙酸，氯仿等有“三致”(致癌，致畸，致突变)作用的有机氯代物。

2 敞开式三电极传感器检测原理及结构

2.1 检测原理

现今普及采用的是覆膜式两电极传感器，待测液体与电解液通过次氯酸透过膜隔离开，次氯酸分子通过次氯酸膜进入电解液中并在工作电极上反应生成电流，利用电流的大小可以推算出原溶液次氯酸的浓度。但是由于覆膜式传感器中电解液会随着反应的进行不断被消耗，因此使用一段时间后需要补加电解液并且重新进行校准，而在清洗时由于次氯酸膜十分脆弱，稍不注意就有损坏的风险，因此对于方便使用而言并不是最佳选择，我们此次选择的是敞开式三电极传感器。

敞开式三电极传感器是一种典型的电化学传感器，传感器内的电极有选择性的与水中的离子或分子发生氧化还原反应，氧化还原反应的同时会形成定向移动的微弱电流或电势，精密余氯传感器检测出的微弱电流或电压与氧化还原反应的速率及余氯的浓度呈一定线性关系，这就是电化学传感器检测余氯的原理。余氯进入水中以后，发生反应：

Cl2+H2O→HClO+Cl-+H+

(1)

由于次氯酸的不稳定性，它将在水中电离：

HClO→ClO-+H+

(2)

次氯酸以及次氯酸根离子的氧化性是氯气消毒的根本原因，其中主要是次氯酸根离子的氧化能力，余氯的检测主要就是检测自来水中次氯酸以及次氯酸根离子的浓度，看是否过少或者过多。

利用三电极传感器测量时，在工作电极与对电极上施加恒定电压，被测水体中的次氯酸则将在工作电极上被还原，产生电流信号，电流信号的强弱与被测水体中的次氯酸的浓度有关，这就是安倍法测量原理。在此处测量时，输出的电流与次氯酸浓度成正比即满足关系式：

I∞kC(HClO)

(3)

2.2 传感器结构

敞开式传感器在工作电极和对电极使用的是铂环,嵌套在传感器的前端,两个铂环通过引线引出,传感器采用三电极体系,增加对电极可以抵消温度变化对工作电极的影响并提高传感器的选择性，参比电极通过导电橡胶与外界溶液完成电荷交换。电解液使用的固体氯化钾凝，不需要更换电解液,这样降低了传感器的使用成本。

3 纳米KDF滤料的余氯去除原理

纳米KDF滤料(金属簇滤料)是一种区别于活性炭滤芯和一般KDF的高效净水用料。纳米KDF滤料是由不等电位的微米粉金属组成的多孔材料，呈颗粒状。相比传统活性炭滤料，纳米KDF滤料有堆积密度较大、强度较高、不易粉化、不易变形、在长期使用过程中不易滋生细菌、余氯去除效率高、受通过流速影响小等优质特点；又相较一般KDF滤料，纳米KDF滤料的比孔隙率和表面积是一般KDF滤料的百倍以上，流体通过速度更快、余氯去除能力更强、工作效率更高，且在使用过程中不易板结、使用寿命更长、性价比更高。

鉴于本案中纳米KDF滤料旨在用于便携式设备的余氯去除，通过水量较小，且纳米KDF不易板结的特点，可不考虑加装反冲洗设备。

氧化还原反应是纳米KDF滤料的工作基础，通过其表面无数电位不等的不同金属簇，相互构成无数微原电池，当KDF滤料与液体接触时，合金表面的铜锌形成的无数微小原电池系统，与污染物进行电子交换。余氯在通过纳米KDF滤料的流体中被还原成氯离子。其电子交换为：

Zn+Cl2→Zn2++2Cl-

Cl2+H2O→HClO+HCl

Zn+2H++ClO-→Zn2++Cl-+H2O

与此同时，基于上述原理，纳米KDF滤料对水中的重金属也有一定的去除作用。其滤料表面和孔隙间的微小原电池系统可为水中类似铅、汞、铬等重金属离子提供氧化还原环境，进一步使对人体有害的重金属离子还原成无害的物质。

4 整体式设计

我们为方便使用以及便于携带，将装置整体设计为一个圆柱体，装置的纵剖面图与横剖面图如图1,图2所示。

在上端设置开口，在检测时水从上方流入，传感器以及其他电路同样设置在装置的上部分，在内部隔开以保证装置在检测时可正常运行不会进水，同时传感器与单片机相连，可以实时处理获得的数据，并在显示屏上进行输出。由于敞开式传感器需要与流动的水接触，所以我们在内部的隔板处设置一个可开启一定角度的开口，其原理相当于一个小型的闸门，以保证通过传感器的水的流速以及流量是一定的，从而使得测量结果更加准确，同时为了水能在装置内稳定的流动而不产生过多的紊流，我们将装置上部的外壁设计为双层，在靠近内侧的外壁的一周均匀设置12个开口，如图3所示，以保证水流在各个方向都具有相似的流动情况。

水流经的下一层为活性炭过滤层，用钢丝网与上一层隔开，同时也保证了水可以流下进行过滤。最面一部分为设有一个饮水渠道的底座，如图4所示，水流经过滤后汇集到出口，完成整个检测与过滤的过程。

5 结语

本装置结构中，敞开式三电极传感器可对水中余氯含量进行实时检测，纳米KDF滤芯对通过流体的余氯去除在较短时间内可达到极好效果，去除率高，通过流速快，可高效满足用水需求。