水质VOC监测仪的研究

1 背景

工农业的迅速发展和人类活动的日益加剧，有毒有害污染物被排放到湖泊、河流、海洋，环境污染造成的毒性危害也越加严重，的有毒化合物给水质监测带来了严重的挑战。在过去几十年，尽管分析方法的灵敏度已经大为改善，但化合物的毒性效应是所有组成物质拮抗作用或抑制作用的综合结果，所以单纯的化学物质的限定不能为水体的安全提供充分的保障。在此情况下，人们开始利用生物学的方法对污染物的毒性进行测定，从而终判定环境样品的VOC效应。生物毒性检测能直观地反映污染水体对生物种群的VOC，是预测和控制化学物质污染的一种*的辅助手段，因而得到了广泛应用和迅速发展。

因此检测其毒性的任务也越来越紧迫，我国以前的毒性检测均采用特定物质分析方法，也就是针对某种有害化学物进行化学定量分析，确定其含量。这种方法的分析结果比较，但是分析前需要大概知道可能存在有害物质种类，分析时间也很长。由于毒害物质种类众多，难以评价多种毒物的VOC和生物效应。

2 核心部件描述

VOC检测技术与其他厂家的大区别就是检测器不同，根据检测器的调研报告分析，终选定光离子化检测器作为技术方案，下面是光离子检测器的资料介绍。

光离子化检测器（PID， photo ionization detector）使用一只具有 10.6 eV能量的真空紫外无极放电灯作为光源，可使空气中大多数有机物和部分无机物电离，但仍保持空气中的基本成分如N2、O2、H2O、CO2不被电离（这些物质的电离电位大于 10.6 eV）。被测物质的成分由色谱柱分离后进入离子化室，经过真空紫外无极放电灯照射电离，然后测量离子电流的大小，即可得到物质的含量。物质的种类根据色谱柱保留时间定性。

3 设计方案

3.1 仪器结构 仪器的核心部分是真空紫外光源和离子化池，被分析的气体样品经注射口注入，然后由载气带入色谱柱。被测物质经色谱柱分离后进入离子化池，离子化池的上盖为真空紫外无极放电灯的窗口，两侧是电极。电极收集在真空紫外辐射下产生的离子，并产生离子电流，电离电流经放大后，由下位机将采集到的数据发送到上位机，然后进行数据处理、记录、显示和存储。仪器使用的载气是氮气，进入色谱柱之前需经净化，除去其中的微量有机物。其结构原理图如图1所示：

3.1.1 载气单元 载气单元包括净化管、流量调节装置和气泵，由于采用空气作为载气，而空气中含有很多微量有机物，因此，需要通过净化管对空气进行净化，净化管内部填充了活性炭，可以有效吸收的微量有机物，减少对检测造成干扰，可以采用中国科学院大连化学物理研究所研制的复合型载气净化管。气泵采用无刷技术的电机，能稳定可靠的工作，得到稳定的载气流量。流量调节装置可以根据气泵的流量大小进行微调，可以得到有效的分离度。

3.1.2 进样单元 进样单元包括顶空进样器、注射器和微量切换阀，其中注射器采用微量注射器，能抽取1-10？滋L，精度达到±0.05？滋L。微量切换阀用于完成注射器进样动作后，能迅速切换到载气通道，其响应时间50mS以内，无死体积。顶空进样器是水中VOC取样的关键部件，如何水中的VOC能、可靠取样，是重中之重。

3.1.3 色谱单元 色谱单元包括色谱柱和色谱恒温箱，色谱柱采用20m（0.53mm）的毛细管柱，色谱恒温箱的要求如下：

①温度设定增减量（℃）：0.1；

②控温精度（℃）：±0.1；

③温度稳定性（℃）：±0.1。

色谱恒温箱能够、稳定的控制色谱柱的工作温度，优良的温度控制精度能有效提高柱效、改善色谱峰分离度、保护横流泵并延长色谱柱的使用寿命和重现性，因此，色谱恒温箱的温度控制精度要求很高，本温控箱采用*温控器和传感器，具备PID智能自整定，加热元件采用的ＴＰＣ及膜加热技术，使用寿命成倍增长。

3.1.4 检测单元 检测单元包括UV灯、离子化池和极化电源，UV灯能量主要有三种，分别为9.8 eV、10.6 eV和11.7 eV，能量越高能检测的物质种类也就越多，根据市场UV灯产能、成本、应用领域以及检测物质需求等因素，本方案采用10.6 eV。离子化池采用不锈钢材料，用于固定UV灯和检测气体。极化电源主要是给UV灯提供极化电压，同时检测极化电流，得到被检测物质的响应电流信号。

3.1.5 显示控制单元 显示控制单元包括显示工控机、MCU控制板和驱动板，显示工控机采用ARM9显示屏与触摸屏一体化的工控机，主要负责与MCU控制板的通讯、数据结果运算显示和数据上传等功能，将仪器结果显示出来，同时提供操作显示画面、仪器控制信号显示，以及与数据控制平台的数据传输等。MCU控制板采用C8051F120型号的CPU，主要负责与显示工控机的通讯、仪器流程时序控制、光电信号采集和集成取水控制等，集成取水控制主要包括水位液位、水样预处理等，光电信号采集主要包括光电信号、进样系统液位信号和温度等信号的采集等。

3.2 可检测的挥发性有机物参数

①苯系物：苯、甲苯、乙苯、对二甲苯、间二甲苯、邻二甲苯、异丙苯、苯乙烯；②烷类有机物：环氧乙烷、苯、甲苯、二甲苯、乙烷、烷烃（直到辛烷）；③卤代烃：氯乙烯、氯乙烷、二氯甲烷及其它氯甲烷类和轻质氯苯类；④烯烃类：异戊二烯、乙烯、丙烯、丁烯；

⑤其他有机物：硫化氢、轻质硫醇类、有机硫（直至二甲基二硫），丙酮、胂、磷化氢、乙醛、醛类（直至己醛）乙二醇脂类、氟氯甲烷类（氟里昂）、异氰酸甲脂、 环己酮、丙烯酸乙酯、轻质醇类。

4 结论

通过设计载气单元、进样单元、色谱单元、检测单元和显示控制单元，成功研制了水质VOC在线监测仪器，能检测绝大部分挥发性有机物。