基于紫外-可见光谱国标Ⅰ级水净化系统的设计与实现
张恒之1, 马洁1, 贾文珅1,2,3,*, 王纪华2,3
1. 北京信息科技大学, 北京 100192
2. 北京农业质量标准与检测技术研究中心, 北京 100097
3. 农产品产地环境监测北京市重点实验室, 北京 100097
*通讯联系人 e-mail: jiawenshen@163.com

作者简介: 张恒之, 1993年生, 北京信息科技大学硕士研究生 e-mail: hengzhi_zhang@163.com

摘要

国家标准规定的Ⅰ级水是分析实验室常用的试验用水, 为快速、 准确的实现纯水水质分析, 为分析实验室设备自动化、 智能化提供科学依据, 采用全波段(200900 nm)紫外-可见光谱分析技术, 设计了基于紫外-可见光谱国标Ⅰ级水净化系统(NSGI-WPS)。 该系统以树莓派为核心控制器, 光谱探测器、 电导率传感器为采集模块, 改良的硅钼蓝分光光度法为可溶性硅测定方法, 实现了对分析实验室用水254 nm吸光度、 电导率和可溶性硅含量的同时在线检测。 在痕量硅含量的测定试验中, 为了消除噪声干扰对试验的影响, 系统采用Savitzky-Golay平滑去噪法对光谱进行预处理, 通过窗口宽度和多项式次数的不同组合形式, 获得了80组平滑后的光谱数据, 将其分别与0.004, 0.006, 0.008, 0.010和0.012 mg·L-1硅标准溶液浓度进行一元线性回归分析后, 得到单波长吸光度与硅标溶液浓度的相关光谱。 试验结果表明, 当窗口宽度为17, 多项式次数为2时, 相关光谱的特征峰宽度最宽, 特征峰区间为796824 nm, 特征峰峰值所处波长与平滑后的显色溶液吸收光谱峰值波长一致。 通过比较不同硅标准溶液的显色溶液吸收光谱分布, 发现硅标液浓度与吸收光谱呈线性正相关, 因此, 试验选取812.638 nm为最优特征波长。 为了建立可溶性硅含量与显色溶液吸光度的关系模型, 以加入的硅标准溶液浓度为横坐标 x, 812.638 nm处显色溶液的吸光度为纵坐标y, 绘制了其工作曲线, 曲线的决定系数 R2=0.999 6, 表明了模型具有较强的拟合能力。 此外, 编写的NSGI-WPS系统管理软件实现了参数的实时处理和自动控制, 对未达到分析实验室国标Ⅰ级水用水规格的纯水通过反渗透(RO)、 连续电去离子技术(EDI)、 混合床离子交换树脂和紫外光氧化等技术处理, 实现了对纯水的严格控制。 通过对比分析自来水、 Ⅲ级水、 Ⅱ级水在净化前后各参数变化, 发现净化后各参数数值下降显著, 其中, 电导率最高下降幅度可达99.94%, 各参数的相对平均偏差均小于2%。 试验结果表明, 基于紫外-可见光谱分析法的NSGI-WPS系统具有净化能力强、 准确性高、 鲁棒性好等优点, 经过检测、 分析和净化后的纯水满足分析实验室国标Ⅰ级水用水要求。 本文为紫外-可见光谱分析法在纯水净化系统中的应用做出了探索性研究。

关键词: 紫外-可见光谱; Ⅰ级水;; 净化系统; 多参数
中图分类号:S969.3 文献标志码:A
Design and Implementation of National Standard Grade Ⅰ Water Purification System Based on UV-Vis
ZHANG Heng-zhi1, MA Jie1, JIA Wen-shen1,2,3,*, WANG Ji-hua2,3
1. Beijing Information Science and Technology University, Beijing 100192, China
2. China Department of Beijing Research Center of Agricultural Standards and Testing, Beijing 100097, China
3. Beijing Municipal Key Laboratory of Agriculture Environment Monitoring, Beijing 100097, China
*Corresponding author
Abstract

The Grade Ⅰ water specified in national standards is the water commonly used in analytical laboratory. In order to analyze the quality of pure water quickly and accurately to provide scientific basis for the automation and intelligence of the equipment in analytical laboratory, this paper designed a national standard Grade Ⅰ water purification system (NSGI-WPS) based on ultraviolet-visible spectroscopy (UV-VIS) by full-band (200900 nm) UV-VIS analysis technology. The system collects modules with Raspberry Pi as the core controller and spectral detector and conductivity sensor as the sensors. As a method for the determination of soluble silicon, the improved silicon-molybdenum blue spectrophotometry realized the simultaneous on-line detection of the 254 nm absorbency, conductivity and the content of soluble silicon of the water used in analytical laboratory. In order to eliminate the impacts of noise interference on the determination test on the content of trace silicon, the system adopted Savitzky-Golay smoothing de-noising method to pretreat the spectrum. 80 groups of spectral data after smoothing were obtained via the different combinations of window width and the degree of polynomial and received unitary linear recursive analysis with the concentration of silicon standard solution 0.004, 0.006, 0.008, 0.010 and 0.012 mg·L-1 respectively, after which the correlation spectrum between single wavelength absorbency and concentration of silicon standard solution was obtained. The results showed that when the window width is 17 and the degree of polynomial is 2, the characteristic peak of the correlation spectrum is the widest; the interval of the characteristic peak is 796824 nm; and the wavelength of the characteristic peak is consistent with that of the peak of absorption spectra of chromogenic solutions after smoothing. It was found by comparing the distribution of the absorption spectrum of chromogenic solution of different standard silicon solutions that the concentration of silicon standard solution is positively correlated to absorption spectra. Therefore, 812.638 nm was selected as the optimal characteristic wavelength in the test. In order to establish the relationship model between the content of soluble silicon and the absorbency of chromogenic solution, the working curve of the model is drawn with the concentration of the silicon standard solution added as the x-coordinate and the absorbency of the chromogenic solution at 812.638 nm as the y-coordinate. The determination coefficient of the curve R2=0.999 6, indicating that the model has strong fitting ability. In addition, the system management software written for NSGI-WPS realized the real-time processing and automatic control of parameters. The pure water not up to the specifications on National Standard Grade Ⅰ Water used in analytical laboratory was strictly controlled by means of reverse osmosis (RO), continuous electrode ionization (EDI), mixed bed ion exchange resin and UV photooxidation and other techniques. By comparing and analyzing the changes of various parameters of tap water, grade Ⅲ water and grade Ⅱ water before and after purification, it was found that the values of all parameters decreased significantly after purification, among which, the maximum electrical conductivity decreased by 99.94%, and the relative average deviation of all parameters was less than 2%. The test results showed that NSGI-WPS based on UV-Vis has such advantages as strong purification capacity, high accuracy and good robustness, and the purified water after detection, analysis and purification meets the requirements on National Standard Grade I Water used in analytical laboratory. This paper made an exploratory study on the application of UV-Vis analysis in pure water purification system.

Keyword: UV-Vis; Grade Ⅰ water;; Purification system; Multiple parameter
引 言

在分析实验室试验过程中, 纯水作为化学反应的媒介, 起到不可替代的作用, 因此, 纯水的质量会直接影响到试验结果的可靠性[1]。 参照国家标准GB/T6682— 2008“ 分析实验室用水规格和试验方法” , 分析实验室用水共分为三个等级: Ⅰ 级水、 Ⅱ 级水和Ⅲ 级水。 其中, Ⅰ 级水必须同时具备以下三个条件: (1)水中电导率不超过0.01 mS· m-1(25 ℃的条件下); (2)可溶性硅(以SiO2计)不超过0.01 mg· L-1; (3)在254 nm处(1 cm光程的条件下)吸光度不超过0.001[2]。 对于满足国标分析实验室用水规格的Ⅰ 级水, 适用于多种精密分析实验[3], 如高效液相色谱(high performance liquid chromatography, HPLC), 离子色谱(ion chromatography, IC)和离子捕获-质谱(inductively coupled plasma mass spectrometry, ICP-MS)等。 因此, 作为分析实验室用水, 必须对分析实验室用水纯度进行检测并采取一定的净化措施, 使分析实验室用水纯度符合国标用水规格, 从而保证分析实验数据质量。

近些年来, 国内外学者对分析实验室用水检测技术进行了大量研究, 取得了一些成果。 例如, 在电导率检测方面, 林桢等[4]则根据范德堡原理, 构建了一套封闭恒温的电导率绝对测量系统, 该系统具有较高精度和可溯源性; 在可溶性硅含量测定方面, 马莉娜等[5]采用硅钼蓝分光光度法, 建立了一种适用于高纯水的痕量硅测定方法, 准确的检测出纯水中可溶性硅含量; 而在吸光度测量方面, Mason等[6]研究了180320 nm光谱区域的纯水紫外特性, 通过微分衰减实验, 证明了散射独立测量的需要。 然而, 从应用现状来看, 现有的实验室超纯水检测装置大多只能对单一参数进行检测, 虽然检测结果具有准确性高, 抗干扰能力强等特点, 但实验操作复杂, 可重复性差, 且价格昂贵。

基于紫外-可见光谱(ultraviolet visible, UV-Vis)的水质检测技术, 弥补了上述缺点, 具有检测快速、 操作简单、 无二次污染等优点, 被广泛应用于水质检测领域。 因此, 本文为顺应分析实验室设备自动化、 智能化的发展趋势, 采用UV-Vis技术, 设计了基于紫外-可见光谱的国标Ⅰ 级水净化系统(national standard grade I water purification system, NSGI-WPS), 实现了对分析实验室用水电导率、 254 nm处吸光度, 和可溶性硅含量的检测, 快速、 准确的对纯水进行水质分析, 并设计实现了纯水净化系统, 对未达到国标要求的纯水进行净化处理。

1 NSGI-WPS系统体系结构设计

基于NSGI-WPS系统的功能需求, 设计的NSGI-WPS系统具有如图1所示的体系结构。

图1 NSGI-WPS系统的体系结构Fig.1 Architecture of NSGI-WPS system

NSGI-WPS系统可分为三层, 分别为感知层, 决策层和水循环层。 感知层由光谱探测模块和传感器检测模块构成, 主要完成光谱数据和传感器数据采集。 为获得准确的感知层数据, 采集水样必须按照国标要求, 至少应取3L有代表性水样[7], 取样前需用待测水样反复清洗容器; 决策层是NSGI-WPS系统的核心, 用于分析感知层传入的数据, 根据串口通讯协议, 转化为方便计算的十进制数, 以便进行下一步运算和操作; 水循环层运用活性炭滤膜、 反渗透、 EDI装置、 UV光照射、 纯化柱抛光混床、 0.01 μ m滤膜等技术, 结合感知层的传感器感知技术, 由决策层进行决策控制。

2 NSGI-WPS系统硬件设计
2.1 紫外-可见光谱采集设计

紫外-可见光谱采集模块是根据紫外-可见光谱分析法设计的采集装置, 包括光谱探测器、 脉冲氙灯光源、 吸收池、 石英光纤等。 紫外-可见光谱分析法[8]是利用分子或离子内价电子跃迁所产生的紫外-可见光谱, 根据不同波长的吸收程度对物质的组成、 含量进行分析和测定的一种常见分析方法。 其中, 物质的吸收程度可用Beer-Lambert定律描述

A=lgI0I=εbc(1)

式(1)中: A为溶液吸光度, I0为入射光强度, I为透射光强度; ε 为该溶液摩尔吸光系数, 单位为L· (mol· cm)-1; b为吸收池液体厚度, 单位为cm, c为溶液浓度, 单位为mol· L-1。 图2为原理示意图。

图2 吸光度测量原理Fig.2 Principle of absorbency measurement

2.1.1 紫外-可见光谱探测器设计

本文采用Brolight生产的BIM-6002A光谱探测器作为检测装置的核心探测器部件。 探测器采用交叉非对称C-T光路结构, 光学分辨率高达0.351 nm, 最低积分时间0.5 ms, 工作波长范围为200900 nm, 符合设计需要。 光源采用滨松L13651-01脉冲氙灯光源, 波长范围为2002 000 nm, L13651-01氙灯光源具有低电磁噪声、 低功率(2 W)、 低供电(5 V)等特点, 电极定位精度为0.05 mm。

2.2 传感器采集设计

电导率传感器采用METTLER Inlab741, 5 V电压供电, 03.3 V模拟量电压输出, 测量范围0.001~500 μ S· cm-1, 测量精度0.001 μ S· cm-1, 并且具有自动温度补偿功能。 传感器采集完成后, 得到的模拟电压通过A/D转换, 将模拟信号转化为数字信号, 把数字信号输入树莓派的GPIO口, 实现传感器和控制器的实时通讯。 采集到的电导率传感器数值以曲线的形式显示在NSGI-WPS系统管理软件的传感器显示界面上。

2.3 Ⅰ 级水净化设计

目前, 国内外的纯水净化系统多采用反渗透(RO), 连续电去离子技术(EDI), 混合床离子交换树脂和紫外光氧化技术将水中离子水平降至ppt级和sub-ppt级水平[9]。 本文设计的纯水净化系统采用全自动控制, 应用以上净化处理技术, 对纯水水质进行严格控制。

首先, 原水箱用来存储待净化的原水, 并与控制进水的电磁阀相连, 经石英砂和活性炭滤芯进行前期处理, 过滤原水中的泥沙等大颗粒; 然后通过加压泵压入反渗透装置进行水纯化脱盐处理, 滤除电解质和大分子化合物[10], 得到的纯化水储存至中间水箱; 由水泵将水抽至EDI装置, 利用离子交换树脂吸附给水中的阴阳离子[11], 将这些被吸附的离子在直流电场弱电流的作用下, 透过阴阳离子交换膜而被滤除; 再将得到的纯水储存至纯化水箱中, 经过180254 nm波长UV光照射, 分解水中还未被滤除的有机化合物[12]; 再通过超纯水滤芯进行抛光混床处理, 使纯水电阻率稳定在17 MΩ · cm以上; 最后经过0.01 μ m过滤器过滤至Ⅰ 级纯水箱, Ⅰ 级纯水箱入口处置入电导率传感器, 用于检测系统净化后纯水的电导率。 如图3所示, Ⅰ 级纯水箱通过电磁阀与光谱分析水箱相连, 光谱分析水箱用隔板分成了吸收池(3 cm光程)和反应池两部分, 左侧的吸收池用来测量光谱吸光度, 右侧的反应池用来进行显色反应, 显色反应所需试剂预先装入注射器, 由主控制器控制其注射顺序和注射容量, 反应池底部的搅拌器使溶液反应充分; NSGI-WPS系统的决策层将所采集到的光谱数据和传感器数据与国标Ⅰ 级水参数规格进行比较, 若净化后Ⅰ 级纯水箱内的纯水未满足国标要求, 则开启Ⅰ 级纯水泵, 将未达标纯水再通过抛光混床树脂纯化柱、 0.01 μ m过滤器处理, 直至水质满足国标分析实验室Ⅰ 级水用水规格。

图3 国标Ⅰ 级水净化过程Fig.3 National Standard type Ⅰ water purification process

3 NSGI-WPS系统软件设计

NSGI-WPS系统管理软件使用嵌入式操作系统Linux进行开发和运行, 人机接口采用基于Qt5的图形化界面设计。 主要有参数设置、 图形显示、 数据采集、 数据处理, 数据管理, 离线控制等功能。 参数设置功能主要实现对串口波特率、 奇偶校验位等的设置。 数据采集功能实现多通道数据同步采集, 同时采集电导率和光谱数据, 并实时显示波形。 光谱图形显示功能可以对光谱波形进行预处理设置, 例如积分时间设置、 平滑度设置等, 积分时间用来设置检测器接受光子的时间长度, 平滑度用来平均相邻像素点从而消除噪声[13], 与此同时, 电导率数值以动态实时曲线的方式进行显示, 方便研究人员观察。

4 实验与结果
4.1 可溶性硅的测定

可溶性硅的测定采用了改良的硅钼蓝分光光度法, 以L-抗坏血酸作为还原剂, 在柠檬酸环境下, 将可溶性硅与钼酸铵生成的硅钼黄还原为硅钼蓝, 显色后分别测量不同浓度的可溶性硅标准溶液的吸收光谱。

图4 NSGI-WPS系统管理软件截图Fig.4 Screen images of the interface of the management software for NSGI-WPS system

使用NSGI-WPS系统的光谱探测器分别采集0.004, 0.006, 0.008, 0.010, 0.012 mg· L-1浓度硅标准溶液的显色溶液吸收光谱, 每个浓度采集7条光谱, 并将7条吸收光谱平均为1条吸收光谱, 5个浓度的平均吸收光谱如图5所示。

图5 不同浓度硅标准溶液的显色溶液平均吸收光谱Fig.5 Average absorption spectrum of chromogenic solution of different standard silicon standard solution

可以看出, 显色溶液吸收光谱含有较大的噪声, 使得测量结果不准确, 无法提取有效的特征光谱。 因此, 为了提高吸收光谱的准确性, 得到精确的光谱信息, 需要对光谱进行预处理。 NSGI-WPS系统管理软件利用Savitzky-Golay平滑去噪方法, 对吸收光谱进行平滑处理, 以便有效去除基线漂移[14]、 倾斜等噪声。 该方法将w个连续点作为一个窗口, 对窗口内的光谱数据进行最小二乘拟合, 其中多项式次数为m, 得到拟合曲线的拟合系数, 再根据拟合方程计算出该窗口中心点的平滑值, 并在全光谱范围内移动窗口, 计算平滑值。

根据上述描述, Savitzky-Golay平滑去噪方法由窗口宽度w和多项式次数m唯一确定。 选取窗口宽度w为535之间的奇数, 多项式次数m为26的整数, 共80组参数组合, 将平滑后的80组光谱数据分别与硅标溶液浓度进行一元线性回归, 得到相关光谱(如图6所示)。 通过比较后发现, 当窗口宽度w=17, 多项式次数m=2时, 得到的相关光谱的特征吸收峰宽度最宽, 信噪比最高。 从图中可以看出, 相关光谱在796824 nm区间具有较高的特征吸收峰, 而在812.638 nm处相关系数最大。 因此, 实验选取796824 nm作为显色溶液的特征光谱区间。 图7为Savitzky-Golay平滑去噪后不同浓度硅标准溶液的显色溶液吸收光谱, 随着可溶性硅标准溶液浓度的增加, 812 nm左右波长的吸收光谱呈线性增加, 显色溶液吸收光谱吸收峰波长与相关光谱特征吸收峰波长相同, 所以选定812.638 nm为测定波长, 以加入的硅标准溶液浓度为横坐标x, 812.638 nm处显色溶液的吸光度为纵坐标y, 绘制工作曲线。

图7 Savitzky-Golay平滑去噪后不同浓度硅标准溶液的显色溶液吸收光谱Fig.7 Absorption spectra of chromogenic solutions of standard silicon solutions with different concentrations after smooth denoising of Savitzy-Golay

图6 Savitzky-Golay平滑去噪后相关光谱Fig.6 Correlation spectrum after smooth denoising of Savitzy-Golay

通过提取0.004, 0.006, 0.008, 0.010, 0.012 mg· L-1浓度硅标准溶液的显色溶液特征光谱, 测定812.638 nm波长吸光度后, 得到工作曲线的线性回归方程为y=6.363 2x+0.000 2, 决定系数R2=0.999 6。 从图8可以看出, 观测值坐标基本在工作曲线上或存在极小的偏离, 决定系数说明了工作曲线具有较高的准确性。 其中, 硅标准溶液的显色溶液吸光度应减去溶液空白吸光度, 对吸光度进行校正。

图8 硅标准溶液浓度和显色溶液吸光度的关系Fig.8 The relationship between the concentration of standard silica solution and the absorbance of chromogenic solution

4.2 NSGI-WPS系统的实现

首先, 以生活用自来水为原水, 分别通过蒸馏装置和Ⅱ 级反渗透纯水机制备Ⅲ 级水和Ⅱ 级水15 L, 自来水、 Ⅲ 级水和Ⅱ 级水分别取3 L作为代表性水样。 根据分析实验室国标Ⅰ 级水用水规格, 对这三种水样进行电导率值、 254 nm吸光度、 可溶性硅等参数的测定, 反复测定7次, 计算各参数在净化前后的平均值和相对标准偏差(relative standard deviation, RSD)。 试验结果如表1所示。

表1 净化前后各参数的平均值和RSD(n=7) Table 1 Parameter contrast of test results before and after purification(n=7)

通过试验结果综合对比分析, NSGI-WPS系统净化后各参数数值, 相较于净化前有了显著下降, 254 nm吸光度在净化后变为0; 可溶性硅含量由812.638 nm处吸光度代入工作曲线后得到, 下降程度达到了90%, 而Ⅲ 级水和Ⅱ 级水虽然在净化前的可溶性硅含量并不高, 但下降程度也达到了50%80%; 另外, 电导率的下降程度最为显著, 自来水的电导率从净化前的6.788 7 mS· m-1下降到了0.004 1 mS· m-1, 下降幅度达99.94%, 净化后的RSD=1.731 7%, 在保证了较强的净化能力的同时, 也保证了较高的准确性和重现性。

5 结 论

提出了一种基于紫外-可见光谱分析技术的Ⅰ 级水净化系统, 该系统可以快速、 准确的检测出待测水样参数, 对未满足要求的水样进行净化处理, 直至得到满足国标要求的纯水。 该系统工作稳定, 与净化前相比, 净化后水质参数有较大的下降。 因此在分析实验室用水检测中有广泛的应用前景。

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