Курс лекций за 1-ый семестр по Экологическому мониторингу в Word. Общие сведения о системе мониторинга часть Организационная и техническая структура систем мониторинга
 Скачать 0.62 Mb.
|
ГЛАВА 3. МОНИТОРИНГ ПРИРОДНЫХ И СТОЧНЫХ ВОД 10 кОм) электродной системы2) возможность передачи сигнала на значительное расстояние без существенных помех 3) низкая стоимость §2. Анализ воды с помощью иона селективности электрода Существует свыше 100 ионо-селективных электродов. Их селективность определяется типом или видом чувствительной мембраны. Принцип действия такой же, как и определение рН. Недостатки: 1) необходимость периодической очистки или смены чувствительной мембраны из-за загрязнений 2) достаточно высокая чувствительность к содержанию К+ и Na+ (только стеклянные электроды) Часть 5. Вольт-амперометрия в мониторинге воды Эти методы позволяют с высокой избирательной способностью и точностью измерять ионный состав воды. Они основаны на анализе вольтамперных характеристик или зависимости тока от напряжения электрохимической ячейки с твердыми электродами. При использовании жидких (ртутных) электродов эти методы называют полярографией. Это лабораторные приборы. Метод основан на законах электролиза при следующем допущении: лимитирующей стадией всего электрохимического процесса является стадия доставки ионов к электродам за счет процесса диффузии (диффузионная кинетика).   1 – ртутно-капельный электрод (1-20 сек) – обычно катод 2 – контакт 3 – корпус ячейки 4 – второй электрод (ртутное дно) – обычно анод 5 – анализируемая среда Анод имеет большую поверхность для того, чтобы все электрохимические процессы на аноде были пренебрежимо малы из-за малой плотности тока j (j = I/S). Постепенно увеличивают напряжение, пока не произойдет выделение ионов нужного типа на ртутной капле. Ртутно-капельный электрод позволяет постоянно обновлять поверхность электрода исключить возможность загрязнения продуктами электролиза. По мере роста напряжения, растет и ток и достигает значения  , его величина зависит от концентрации линейно:  , где n – валентность;D – коэффициент диффузии; с – концентрация – толщина диффузионного слоя. При дальнейшем росте напряжения появляется еще одно .Количество ионов определяется так называемым потенциалом полуволны U½ Недостаток: сложность инструментализации (автоматизирования) используется только в лабораториях. : количественный и качественный анализ многокомпонентных смесей (несколоько типов ионов). Часть 6. Автоматическое титрование Принципиальное отличие от других методов: метод требует предварительной подготовки пробы. Принципиальная схема автоматического титрометра 1  – дозатор пробы 2 – дозатор титранта (титрующего вещества) 3 – ячейка для титрования 4 – регулирующие клапаны 5 – датчик титрования 6 – индикаторный концентратомер 7 – контролер (микропроцессорное регулирующее устройства). В зависимости от типа индикаторного концентратомера различают: кондуктометрическое, потенциометрическое, амперометрическое, фотоколориметрическое титрование. В процессе титрования необходимо определить концентрацию неизвестного вещества в пробе. А + В С + D (А – проба, В - титрант). Порядок измерения:
Автоматический титрометр – система поддержания точки эквивалентности (когда вещество А и В полностью прореагировали). Материальный баланс точки эквивалентности: СА = ?  ; VA = Vпробы; VТ = VВ; k – стехиометрический коэффициент реакции П  ри титровании концентрацию неизвестного компонента определяют по величине объёма титранта в точке эквивалентности.Зависимость физического параметра (I, U, электропроводности , оптической плотности) от объёма титранта называется кривой титрования. 1. Кондуктометрическое титрование 1) HCl + NaOH NaCl + H2O 2) HCOOH + NaOH . . . (*) – конечная точка титрования, она соответствует состоянию эквивалентности, она отличается от точки эквивалентности погрешностью устройств, входящих в автоматический титрометр. 2  . Потенциометрическое титрование(*) – точка эквивалентности – это точка перегиба Недостаток: возможность перетитрирования из-за медленности массообменных процессов, происходящих на границе электрод- раствор. 3. Амперометрическое титрование; 4. Фотоколориметричес-кое титрование. Вид кривых такой же, как и для кондуктометрического титрования. ___________________________________________________ Общие : 1) высокая избирательность, определяемая химической реакцией 2) достаточно высокая точность Недостатки: 1) приборы в основном используются для лабораторного анализа или для промышленного анализа с большим интервалом дискретности 2) достаточно высокая стоимость фильтрующих веществ. Часть 7. Оптические методы анализа воды §1. Фотоколориметрические анализаторы воды Работают в видимой области спектра. Оптические приборы также называют абсорбционными, т.к. они основаны на поглощении света в определенной части спектра. Принцип их действия основан на законе Бугера – Ламберта – Бера:  ; сl = D – оптическая плотность I0 – интенсивность падающего (зондирующего) потока Iпр – интенсивность прошедшего через вещество потока – коэффициент поглощения на данной длине волны с – концентрация l – толщина просвечиваемого слоя (длина кюветы) П  ринципиальная схема 1 – источник излучения 2 – светофильтры, установленные на обтюраторе – 3  4 – кювета, заполненная анализируемой средой 5 – фотоприемник 6 – измерительная схема 7 – показывающий прибор Фотоколориметры определяют зависимость интенсивности излучения от окраски. При фотоколориметрическом анализе проводится избирательная реакция с определяемым компонентом любой анализ требует предварительной градуировки прибора. С = (D) : 1) высокая избирательность 2) отсутствие контакта с анализируемой средой Недостатки: 1) необходимость предварительной градуировки пользователем под конкретное вещество 2) это лабораторные приборы Используются для определения: фенола в воде, хлора в воде, NH3 §2. ИК анализаторы Используется поглощение в ИК области спектра Принципиальная схема та же самая, отличается источником, фильтрами и приемником. Используются для определения загрязнения воды нефтепродуктами. Сначала экстракция нефтепродуктов из воды, а затем анализ (фотометрирование). Для экстракции используют растворители. §3. Флюорисцентные приборы Принцип вторичного излучения. В зависимости от причины, люминесценция делится на: 1) хемилюминесценция (химическая реакция); 2) флюоресценция (от источника света) 3) радиолюминесценция (радиоактивное излучение). При мониторинге воды используется флюоресценция. Для определения загрязнения используются микроорганизмы, которые флюорицируют. Принципиальная схема 1 – источник возбуждающего излучения 2 – фильтр узкополосный 3 – оптическое стекло 4 – кювета 5  - светофильтр, который выделяет - излучение люминесценции 6 – фотоприемник 7 – измерительная схема Используются только как лабораторные приборы из-за сложности анализа и легкого тушения люминесценции другими веществами. Изучит самостоятельно: оптические приборы и методы определения твердых веществ в воде (мутности) – турбидиметры, нефелометры. _____________________________________________________________________________ Методы и приборы контроля сточных вод
1  ) 1– излучатель в видимой области спектра 2 – оптические окна 3 – фотоприемник 4 – электронный счетчик 2) Датчики 1 – серебряный электрод 2  – свинцовый электрод 3 – вторпластовая мембрана, которая избирательна для ионов О2 4 – корпус ячейки 5 – пластиковая мембрана для компенсации атмосферного давления Часть 8. Аппаратное и программное обеспечение систем мониторинга воды §1. Аппаратное обеспечение системы отбора и подготовки пробы Основные функции:
Оборудование и аппаратура: 1. Дозаторы пробы - перестатические насосы - поршневые насосы Для измерения расхода пробы используются сужающие устройства (диафрагмы), ротаметры или специальные щелевые расходометры. 1  – диск 2 – ролики 3 – гибкий шланг 4 – электрический привод 5 – устройство управления Сужающее устройство 1 – труба 2  – диск с отверстием (диафрагма) ДМ – диф. Монометр  При изменении скорости меняется р 2. Датчики -  проточные - погружные В зависимости от типа организуют систему мониторинга. а) 1 – магистральный трубопровод 2 – датчик качества 3 – клапан 4 – клапаны (вентили) для демонтажа датчика б  ) Используется, когда в анализируемую среду добавляют какие-либо реактивы в соответствии с методом измерения (автоматическое титрование, фотоколорометрия) 1 – расходомер 2 – холодильник 3 – сосуд, в котором производится измерение 4 – датчик в) 1 – кронштейн для крепления датчика 2 – соединительная коробка (для коммутации датчика) 3  – штанга 4 – чувствительные элементы датчика 3. Анализаторы 4. Средства метрологического обеспечения Образцовые среды (рабочие эталоны), которые необходимы для периодической поверки средств измерения. 5. Вычислительная техника 6. Различного рода штуцера, клапана, арматура и т.д. 7. Дополнительное оборудование для автономных и автомобильных станций - система электроснабжения - система кондиционирования - система аккумуляторного питания - аппаратура приема и передачи данных §2. Программное обеспечение 1) ОС (Windows NT) 2) Пакеты прикладных программ для статистической обработки данных 3) Специфические программы для установки связи с конкретными измерительными приборами 4) Программы для идентификации загрязняющего компонента, его привязки ко времени и производству 5) Пакеты прикладных программ для создания баз данных, архивирования и организации доступа по запросу 6) Система обеспечения защиты Часть 9. Примеры систем мониторинга воды §1. Неклассические системы : небольшой объём, высокая скорость анализа за счет транспортного запаздывания. 1 – кондуктометрический концентратомер 2  – рН-метр с датчиком 3 – емкости для реагента 4 – фотоколориметр 5 – фотоприемники 6 – лампы (источники излучения) L1, L2 – длины кюветы 1 и 2 7 – микропроцессор 8 – устройство отображения информации 9 – кран-переключатель 10 – регулирующий клапан Предназначены для: определения электропроводности воды, рН, Сl-, NO3- и фенола (2 последних фотоколориметрическим методом). Это циклическая система. Порядок циклов задается программно оператором. §2. Классические системы В этих типах систем используют 2 способа получения информации о загрязнении воды: 1) организация сети датчиков по поверхности водоема 2) использование трубопроводных коммуникаций для доставки проб воды из требуемых точек к датчику Блок-схема системы  Функционально система состоит: 1 – многоканальный анализатор, который позволяет определить до 17 параметров воды 2 – УСО – устройство сопряжения с объектом, включает микропроцессор, блок аналогово-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей (АЦП, ЦАП), память большого объема, средства передачи/приема данных. I – блок общего назначения, в котором собраны датчики: t, pH, , D (дозатор пробы) II – ионно-метрический блок III – фотометрический блок, в котором есть датчики определения коэффициента поглощения в УФ части спектра (Куф) и мутности. ПНЧ – преобразователи «напряжениечастота» Режимы работы системы:
Станция может работать автономно в течение 20 дней. В систему мониторинга больших водоемов входит до 20 станций. §3. Геоинформационные системы Это комплекс программных средств и аппаратного обеспечения (анализаторы, установленные на спутниках, самолетах, вертолетах, на очень высоких башнях, зданиях). Основная идея: загрязненная поверхность воды различно отражает солнечное излучение или излучение от специальных источников (контраст). Группы оптических методов: 1) Пассивные – регистрация отраженных солнечных лучей в широком спектре, ИК, УФ Недостаток: возможность измерения только днем в ясную солнечную погоду 2) Активные – используются лазеры, их отраженное излучение : 1) в любое время суток 2) возможно люминесцентное излучение (вторичное). Точность 0,01%, 0,1% Особенности программного обеспечения:
|
изические основы метода кондуктометрии.
. Двухэлектродная кондуктометрическая ячейка
а границе Ме-раствор возникают электродные процессы, приводящие к погрешности измерений.
- равновесный потенциал.
лектрическая модель двухэлектродной ячейки.
) R - электроды должны быть чистыми;
. При 8 кГц.
лияние емкости двойного слоя выполняется аппаратным (схемным) путем.
. Четырехэлектродная кондуктометрическая ячейка
бласть I и III: области резкого изменения потенциала, где расположены токовые электроды.
1 – питающий трансформатор
) 
1’ – емкость, обусловленная диэлектрическими свойствами стенки ячейки;
едостаток: наличие экстремума на зависимости Gр = ().
змерительная схема.
Н – элемент настройки колебательного контура
) 
пособ измерения полного сопротивления или полной проводимости емкостной ячейки.
; Y = Yя + Yис (Yис – полная проводимость самой схемы)
) Аномальная дисперсия диэлектрической проницаемости. Этот фактор учитывается при выборе частоты измерений [Гц]
аключаются в том, чтобы эффективные размеры емкостной измерительной ячейки были меньше ?, иначе теряет смысл емкостная ячейка как конденсатор, ее следует рассматривать как систему с распределенными параметрами.
ни основаны на способе биения [а) если = 0 – способ нулевых биений; б) если 0 – способ биений]
– усилитель 
ри попадании частиц в отверстие происходит резкое изменение сопротивления и тока, протекающего через сопротивление нагрузки Rн. Далее ток усиливается и попадает в анализаторы. 
; (а = fc) и измерении равновесного потенциала системы электродов.
; значения других потенциалов определяется относительно 
.
Недостатки системы: 1) высокое электрическое сопротивление стеклянной мембраны и соответствующего электрода в целом (>500 Ом) требует очень высокого входного сопротивления у измерительных приборов через стеклянный электрод протекает I10-12 А. В связи с его малостью датчик рН и ВП не могут быть удалены друг от друга на значительное расстояние. Необходима сложная защита от помех вторичного прибора.
