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便攜式水質(zhì)檢測(cè)設(shè)備的檢測(cè)原理是什么?
便攜式水質(zhì)檢測(cè)設(shè)備能在幾分鐘內(nèi)快速輸出多項(xiàng)水質(zhì)數(shù)據(jù),背后是基于不同科學(xué)原理的傳感器與檢測(cè)技術(shù)在協(xié)同工作。其核心邏輯是 “將水質(zhì)參數(shù)轉(zhuǎn)化為可測(cè)量的物理信號(hào)(如電流、光信號(hào)),再通過儀器處理轉(zhuǎn)化為直觀數(shù)據(jù)",具體可分為電化學(xué)法、光學(xué)法、物理法三大類,不同原理對(duì)應(yīng)不同檢測(cè)參數(shù),共同構(gòu)成設(shè)備的檢測(cè)能力。
一、電化學(xué)法:通過電極反應(yīng)捕捉離子與物質(zhì)濃度
電化學(xué)法是檢測(cè) pH 值、余氯、重金屬等參數(shù)的核心技術(shù),依靠電極與水樣中目標(biāo)物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電信號(hào),再通過信號(hào)強(qiáng)度計(jì)算濃度,具有響應(yīng)快、精度高的特點(diǎn)。
pH 值檢測(cè):采用 “玻璃電極 + 參比電極" 的復(fù)合電極結(jié)構(gòu)。玻璃電極頭部的特殊玻璃膜(含硅酸鈉)與水樣接觸時(shí),會(huì)因水中氫離子濃度不同產(chǎn)生不同電位差,參比電極則提供穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)電位,兩者之間的電位差通過儀器放大后,對(duì)照標(biāo)準(zhǔn) pH 值 - 電位曲線,即可轉(zhuǎn)化為 pH 數(shù)值。例如,當(dāng)水樣 pH 為 7 時(shí),電位差約為 0mV;pH 每變化 1 個(gè)單位,電位差變化約 59mV(25℃時(shí)),儀器通過精準(zhǔn)測(cè)量這一變化實(shí)現(xiàn) pH 值檢測(cè),誤差可控制在 ±0.01pH。
余氯檢測(cè):多采用 “極化電極法",電極由工作電極(如鉑電極)、對(duì)電極(如銀電極)和參比電極組成。在電極間施加特定電壓后,水樣中的余氯(包括次氯酸、次氯酸根)會(huì)在工作電極表面發(fā)生氧化還原反應(yīng),產(chǎn)生與余氯濃度成正比的電流信號(hào) —— 余氯濃度越高,電流越強(qiáng)。儀器通過檢測(cè)電流強(qiáng)度,結(jié)合校準(zhǔn)曲線計(jì)算余氯含量,檢測(cè)范圍通常為 0-10mg/L,響應(yīng)時(shí)間僅需 1-2 分鐘,適合戶外快速檢測(cè)。
重金屬檢測(cè):主流技術(shù)為 “陽極溶出伏安法(ASV)",針對(duì)鉛、汞、鎘等重金屬離子。檢測(cè)時(shí),先在電極上施加負(fù)電壓,讓水樣中的重金屬離子在電極表面還原沉積;隨后逐步升高電壓,使沉積的重金屬重新氧化溶解,過程中會(huì)產(chǎn)生特定峰值電流,不同重金屬的氧化電壓不同(如鉛的特征電壓約為 - 0.4V),峰值電流強(qiáng)度則與重金屬濃度正相關(guān)。儀器通過識(shí)別電壓峰值判斷重金屬種類,通過電流強(qiáng)度計(jì)算濃度,檢測(cè)下限可低至 0.001mg/L,滿足飲用水安全標(biāo)準(zhǔn)要求。
二、光學(xué)法:利用光的吸收、散射特性分析水質(zhì)
光學(xué)法主要用于檢測(cè)濁度、COD(化學(xué)需氧量)、氨氮等參數(shù),通過測(cè)量水樣對(duì)特定波長光的吸收或散射程度,間接反映目標(biāo)物質(zhì)含量,無需復(fù)雜化學(xué)反應(yīng),檢測(cè)效率高。
濁度檢測(cè):基于 “光散射原理"。儀器內(nèi)置 LED 光源(通常為 620nm 紅光),光線穿過水樣時(shí),水中的懸浮物(如泥沙、藻類)會(huì)使光線發(fā)生散射,散射光的強(qiáng)度與懸浮物濃度(即濁度)成正比。儀器中的光敏傳感器會(huì)捕捉散射光信號(hào),同時(shí)檢測(cè)直射光強(qiáng)度,通過 “散射光強(qiáng)度 / 直射光強(qiáng)度" 的比值,對(duì)照濁度標(biāo)準(zhǔn)曲線(如 Formazin 標(biāo)準(zhǔn)溶液校準(zhǔn)),計(jì)算出濁度值(單位 NTU)。優(yōu)質(zhì)設(shè)備的散射光檢測(cè)角度多為 90°,可減少直射光干擾,分辨率達(dá) 0.1NTU,能精準(zhǔn)識(shí)別低濁度污染。
COD 檢測(cè):采用 “比色法",需配合預(yù)制試劑使用。預(yù)制試劑中含強(qiáng)氧化劑(如重鉻酸鉀)和顯色劑,與水樣混合并加熱后,氧化劑會(huì)氧化水樣中的有機(jī)物,同時(shí)自身被還原,顯色劑則與還原產(chǎn)物反應(yīng)生成特定顏色(如綠色)。有機(jī)物含量越高(COD 值越大),生成的有色物質(zhì)濃度越高,對(duì)特定波長光(如 600nm)的吸收能力越強(qiáng)。儀器通過測(cè)量水樣的吸光度(光線穿過水樣后的強(qiáng)度衰減),結(jié)合 COD - 吸光度標(biāo)準(zhǔn)曲線,即可計(jì)算出 COD 值,檢測(cè)范圍通常為 0-500mg/L,戶外使用時(shí)只需提前準(zhǔn)備好預(yù)制試劑管,操作簡單。
氨氮檢測(cè):同樣基于比色法,利用 “納氏試劑反應(yīng)" 或 “水楊酸 - 次氯酸鹽反應(yīng)"。以納氏試劑法為例,納氏試劑與水樣中的氨氮反應(yīng),生成淡黃色或棕色的絡(luò)合物,顏色深淺與氨氮濃度正相關(guān)。儀器通過檢測(cè)絡(luò)合物對(duì) 420nm 波長光的吸光度,對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算氨氮含量,檢測(cè)下限約為 0.02mg/L,適合地表水、飲用水的氨氮篩查。
三、物理法:直接測(cè)量水質(zhì)的物理特性
物理法無需化學(xué)反應(yīng),直接通過物理傳感器捕捉水質(zhì)的物理參數(shù),原理簡單且檢測(cè)速度最快,主要用于 TDS(總?cè)芙夤腆w)、溫度等參數(shù)檢測(cè)。
TDS 檢測(cè):利用 “電導(dǎo)率法"。TDS 代表水中溶解的固體物質(zhì)總量(如礦物質(zhì)、鹽分),這些物質(zhì)會(huì)使水具有導(dǎo)電性,且 TDS 值越高,電導(dǎo)率越強(qiáng)。儀器中的電極會(huì)向水樣施加微弱電流,測(cè)量水樣的電導(dǎo)率(單位 μS/cm),再通過預(yù)設(shè)的 “TDS - 電導(dǎo)率換算系數(shù)"(通常為 0.5-0.7,根據(jù)水質(zhì)類型調(diào)整),將電導(dǎo)率轉(zhuǎn)化為 TDS 值(單位 mg/L)。檢測(cè)時(shí)無需試劑,插入水樣后 10 秒內(nèi)即可讀數(shù),是家庭、戶外快速判斷水質(zhì)純凈度的常用方法。
溫度檢測(cè):多采用 “熱敏電阻傳感器"。熱敏電阻的電阻值會(huì)隨溫度變化而顯著改變(如負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻,溫度升高電阻減小),儀器通過測(cè)量熱敏電阻的電阻值變化,對(duì)照電阻 - 溫度校準(zhǔn)曲線,直接輸出水溫(單位℃)。溫度檢測(cè)不僅是獨(dú)立參數(shù),還會(huì)用于其他參數(shù)的誤差修正 —— 例如,pH 值、溶解氧的檢測(cè)結(jié)果會(huì)受溫度影響,儀器會(huì)根據(jù)實(shí)時(shí)水溫自動(dòng)補(bǔ)償,確保數(shù)據(jù)精度。
綜上,便攜式水質(zhì)檢測(cè)設(shè)備的檢測(cè)原理是多種科學(xué)技術(shù)的融合,不同原理針對(duì)不同參數(shù)特點(diǎn)設(shè)計(jì),既保證了檢測(cè)速度與便攜性,又能滿足日常監(jiān)測(cè)的精度需求。理解這些原理,不僅能幫助用戶正確操作設(shè)備(如知道 COD 檢測(cè)需加熱試劑、重金屬檢測(cè)需電極校準(zhǔn)),還能更理性地判斷檢測(cè)結(jié)果的可靠性,避免因操作不當(dāng)導(dǎo)致的數(shù)據(jù)偏差。