紫外-可见全光谱分析仪在水质监测领域的研究进展与应用

刘国肖

摘要：随着水环境问题的日益严重，水环境监测以及管理越来越重要，水质监测技术的应用也越加广泛。直接的紫外-可见全光谱分析仪因其无需化学试剂、成本较低、分析速度较快、无二次污染及可实现多参数测量等很多优点，被广泛应用在工业废水、生活污水及地表水的检测中，本文就紫外-可见全光谱分析仪在水质监测领域的研究进展与应用进行了叙述。

Abstract： With the increasing environmental problems of water environment， water environment monitoring and management are becoming more and more important， and the application of water quality monitoring technology is becoming more widespread. The direct UV-visible full-spectrum analyzer is widely used in industrial wastewater， domestic sewage and surface water because it has many advantages such as no chemical reagents， low cost， fast analysis speed， no secondary pollution and multi-parameter measurement. In the detection， this paper describes the research progress and application of UV-visible full spectrum analyzer in the field of water quality monitoring.

关键词：紫外-可见全光谱;水质监测;应用

Key words： UV-visible full spectrum;water quality monitoring;application

中图分类号：X832;O657.3                             文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）31-0166-02

0  引言

近年来，随着国家和政策的发展，对水质监测的实时性和监测频率要求越来越高，使得在线监测技术得到了广泛关注和快速发展，越来越多的水质在线监测设备被广泛应用[1]。紫外-可见全光谱已被广泛用于水质在线监测中，因为全光谱中含有大量的水质信息。如：NO3-N可在220-230nm波长内检测到，化学需氧量（COD）和总有机碳（TOC）可在280-290nm波长内检測到。除此之外，在可见光谱中，可以测量水的颜色、浊度和总悬浮固体（TSS）等。

1  紫外-可见全光谱技术的原理

将采用紫外-可见光谱在220-720nm全谱段扫描，用多波长扫描，得到不同波长的吸收谱，这个谱将能清晰地反映出水体中多种物质的分布。采用朗伯-比尔定律来实现对紫外-可见吸收光谱的定量分析，其测量原理如图1所示[2]。从图可见，当一束平行单色光垂直通过某一均匀非散射的吸光物质时，其吸光度A与样品浓度c及光程d成正比，其数学表达式为：

式中：A为吸光度值，I0为空白溶液（即不存在吸收物质）时的光强度，I 为吸收后的光强度，b为光程，单位为cm，c为溶液的摩尔浓度，？着为摩尔吸光系数，单位为I/（mol·cm）。

根据朗伯-比尔定律，用相应的标准物校准，取得相应的对应关系，从而推断出需要的参数指标值。

2  国外全光谱设备的研究进展

作为紫外-可见全光谱在线水质监测技术发明者的奥地利是能（s：：can）公司，其研制的spectro：：lyserTM续光谱分析仪，在紫外-可见波段（220-720nm）内进行光谱测量，得到全波段光谱图，通过相应分析软件可得出所测物质（硝酸盐、浊度、COD 和TOC等）的浓度。其采用自动压缩空气吹洗的方式进行清洗，不占用传感器内部的空间，有着较高的实用价值。同时可通过USB接口可将传感器连接至PC机上，使用连续光谱差分数据分析软件来处理光谱数据，也可采用s：：can专用的嵌入式工控机。

德国WTW公司研发的NiCaVis型的硝氮亚硝氮COD/BOD/TOC/DOC/TSS分析仪可在紫外可见波段（200-720nm，UV-VIS探头）或紫外波段（200-390nm，UV探头） 内进行光谱测量，能够准确的区分硝氮、亚硝氮和COD等成分。德国Endress+Hauser公司开发的STIP—Scan全光谱COD分析仪CAM74/CAS74，其利用紫外-可见全光谱分析技术，支持同时实时在线测量监测多种污水水质参数，像COD值、硝酸盐氮、TOC、SAC、SS、SV、SI 及浊度等，可以对污水和活性污泥进行全面的分析。

法国Hemera公司根据多年的专业技能及市场需求推出的新型在线水质监测产品L800D型水质分析仪，采用紫外-可见全光谱（180nm-780nm）扫描，可测量水质中的多种组分，最多可同时测量7种，其已逐渐成为各类水质监测的最佳解决方案。L800D型水质分析仪是一款全光谱在线监测的水质分析仪。

3  国内全光谱设备的研究进展

国内对于水质在线监测的研究工作，则始于上世纪90年代，相比国外起步较晚。北京西斯耐特自动化技术有限公司开发的SYS-WQS-600系列紫外-可见光连续光谱传感器采用紫外-可见光在200-720nm连续光谱技术设计开发，多种光程可选（1/2/5/20/35mm），以满足不同水体环境参数的测量，其外观结构如图2（a）所示。

VLUV-201-PF浸入式紫外全光谱COD在线检测仪是浙江微兰环境科技有限公司采用最新的全光谱分析技术对COD进行测量，其结构如图2（b）所示。山东东润研发的DRUV-2000系列在线全光谱水质分析仪采用最新光谱分析技术对多个参数进行测量。均可广泛应用于环保污染源、工业过程用水、市政污水的在线监测中。

与正仪器（深圳）有限公司的YZ UViSP 全光谱水质在线分析仪在200-730nm的紫外-可见波段扫描测量，得全光谱图。通过对光谱数据分析及模型计算，可以测试水中特定的水质参数，包括化学需氧量（COD）、总有机碳（TOC）、溶解性有机碳（DOC）、生化需氧量（BOD）、硝酸盐氮、浊度及悬浮物、UV254（波长为254nm 处的吸光度）等多个水质参数，同时还可以对水质的整体污染状况进行预警。

北京金达清创环境科技有限公司研发的JQ UV/Vis-online型吸收光谱水质多参数在线分析仪能够实时快速测定水体的紫外-可见全波长（200-730nm）吸收光谱，结合相应的水质模型算法及模型定标参数，可同时快速测量水中COD、DOC、TOC、硝酸盐氮、O3、余氯、UV254、色度、浊度、TSS以及温度等多个水质参数。聚光科技开发的SWA-2000水质在线监测系统能够连续在线监测水体中的化学需氧量（COD）、溶解氧、氨氮、电导率、浊度、pH值、氧化还原电位、流量、温度、悬浮固体等多种参数，可广泛应用于地表水自动监测、污水处理厂、环保污染源等水质在线监测。

先河环保公司的紫外-可见扫描多参数分析仪，可直接对对水体进行紫外-可见全波段的扫描，再结合差分吸收（DOAS）、主元分析（PCA）和偏最小二乘法（PLS）等算法分析，从而实现了对水质多参数（BOD、CODMn、TOC、色度和硝酸盐氮等）的原位在线监测。水之星环保工程有限公司研制的 WDet-6000UVI 型全光谱浸入式 UV 分析仪，其采用连续光谱（200-800nm）测量技术，可直接测量地表水、地下水和城市污水中的COD、TOC、硝氮、浊度和 SS 等指标[3]。

4  结论与展望

紫外-可见全光谱分析仪具有优异的性价比，较高的重复性和精度，较宽的测量范围，较低的交叉敏感性，长期稳定性好，可同时测量化学耗氧量（COD）、有机碳化合物、硝酸盐、浊度等参数。连续、在线、实时测量的紫外-可见全光谱分析仪，符合当前分析仪器的发展方向：集成化、小型化以及智能化，同时满足了信息化水质监测系统建设的要求;该分析仪投入式的结构以及专用化、多参数测试的设计，没有二次污染，维护成本低，使得其具有广泛的应用前景。

参考文献：

[1]侯迪波，张坚，陈泠，黄平捷，张光新.基于紫外一可见光光谱的水质分析方法研究进展与应用[J].光谱学与光谱分析，2013，33（7）：1839-1844.

[2]谢广群，周浩，刘飞.全光谱技术在水质在线监测领域的应用[J].应用技术，2017：121-123.

[3] 湯戈.基于分布式紫外-可见光谱法水质监测系统的数据处理方法技术研究[D].重庆大学，2016.

[4]何蕊，储瑛，颜奔，周红明.基于ZigBee的校园湖泊水质监测[J].价值工程，2019，38（07）：171-173.