化学需氧量是以化学方法测量水质中需要被氧化的还原性物质的量。在各种水体污染物中，化学需氧量是反映生活工业废水中有机物污染程度的指标，在水样检测中是必须要测量的项目。由于大多数水质污染中有机物在紫外线范围内具有吸收的特点，所以采用紫外光谱法可对有机物进行定性、定量的有效测定。目前，关于紫外光谱法在水质化学需氧量检测应用研究较多。在国外，从1960年底就开始研究水中污染物浓度与紫外吸光度之间的关系。其中，Maccraith、Dobbs等学者针对城市污水处理厂污水的检测，验证得出A254 nm紫外吸收光度值与传统的化学检测的TOC成较好的线性关系。在国内，关于紫外光谱法在水质化学需氧量检测应用比国外低，且相应的检测技术应用尚不成熟，可见紫外光谱法在水质化学需氧量检测应用前景广阔[1]。由此，此次研究具有极为重要的理论价值与实践指导意义。
1 紫外光谱法在水质化学需氧量检测应用原理
1.1 紫外光谱法介绍
关于紫外光谱法在水质化学需氧量检测中应用经历了漫长的发展阶段，从早期的单波纹分析研究到目前的多波长分析研究。它的产生主要是由于分析运动时产生的能级跃迁[2]。在整个紫外可见光谱区域内，波长的范围为10～780nm，具体类别划分如表1所示。其中，水质检测的紫外可见光区波长范围为200～780 nm之间，主要是指近紫外光区与可见光谱区。
表1 紫外可见光谱区波长类型划分
1.2 紫外光谱法检测应用原理
对于紫外光谱法在水质化学需氧量检测中应用，最早是国外学者注意到物质对光的吸收现象，之后研究得出光的吸收程度与吸光物质浓度之间有一定的关系。由此，得出朗博-比尔定律测量原理，具体如图1所示。
图1 朗博-比尔定律测量原理图
当一束平行单色光通过某一均匀溶液时，溶液的吸光度数值按照朗博-比尔定律，即
公式计算得出数值。其中，A表示为吸光度数值，IO表示空白溶液时的光强度，I表示吸收后的光强度，g表示为摩尔吸光系数，表示为光程，c表示为该溶液的摩尔浓度。通过该原理得出溶液的吸光度与溶液的浓度、光程的乘积为正比关系。也就是多，待检溶液物质的浓度越大，则增加了物质分子的总数，相应的对光的吸收越多，对应所透过的光会越弱。在检测过程中，需要根据配置浓度不同的量程标准溶液，参照HJ/T 191-2005，可得出相应的吸光度的标准曲线。在相同操作条件下，对未知水质试样吸光度的计算，从该标准曲线中可以很快得出待测物质的浓度，进而达到检测水质有机物的目的。
2 紫外光谱法在水质化学需氧量检测系统设计
对于紫外光谱法在水质检测中应用，主要测量水体中浊度、化学需氧量等参数。关于紫外光谱法在水质化学需氧量检测中应用，目前我国有多种相关的检测仪器，主要是基于化学法或电化学法基础上测量。由于该测量方法周期长、所需化学试剂需求量大，且易发生故障与造成水质二次污染。而国外相关检测技术发展比较成熟。基于此，结合国外科技发展趋势与市场需求，展开对紫外光谱法在水质化学需氧量检测系统设计。
2.1 系统框架设计
基于以上对紫外光谱法应用原理的分析，在设计水质化学需氧量检测系统时，需要满足在线检测需求，由此系统设计框架结构如图2所示。
图2 紫外光谱法水质化学需氧量在线检测系统框架设计
从该框架中主要分为四部分，即光谱测量系统、开放流通系统、光电接受与转换系统及控制系统。其中，光谱测量系统好坏可直接影响到整个测量系统的准确性与精度。在该系统中，测水样采集到检测装置后，柑橘检测流程，光源产生的紫外可见光通过光纤等有效传输到检测装置，之后传输到光谱仪，待光电转换之后将数字光谱数据收集后，通过USB传输于高性能工业计算机，最后由设计好的相关软件处理进而得到水质的紫外可见吸收光谱[3]。此次水质化学需氧量在线检测，光源作为整个光路系统最初始的信号，光源的选择管辖到整个系统检测结构是否可靠。由此，根据试验要求选择价格低、稳定性及光源可靠性强的脉冲疝灯光源，该疝灯结构如图3所示。从整个仪器设备看，对水质化学需氧量检测无需技术人员在现场操作与维护只要将工作参数设置好之后，就可以自行实现数据的采集与分析。
图3 疝灯结结构图
2.2 系统工作流程
在整个检测仪器系统中，软件部分是核心，可实现对光谱数据的采集到输出控制等[4]。为了有效检测水样中化学需氧量，在检测过程中必要按照流程执行，具体如图4所示。在检测时，上电之后上位机监控软件发出指令，之后控制系统接收质量，疝灯发出的复合光进入到开放流通池内，被吸收的光信号转化为相应的电信号，再通过无线传输模块传输到上位机，待处理后得出水质化学需氧量。该仪器波长范围为200～700 nm之间，波长误差、重复性误差等指标符合国家规定要求[5]。由于该检测系统中有无线传输接口等设备，可将实时监测的数据传输到上级管理部门，大大提高了水样监测的速度与力度。
图4 紫外光谱法水质化学需氧量在线检测系统工作流程
3 实验检测及结果分析
3.1 邻苯标准溶液实验
据国标GB 11914—89化学需氧量的测定[6]，浓度为2.08 mol/L的邻苯二甲酸氢钾的化学需氧量理论数值为500mg/L，根据法则所配置的15种邻苯溶液为量程校正液，浓度与相应的化学需氧量数值如表2所示。
表2 15种邻苯量程校正液浓度与化学需氧量数值mg/L
在选取试剂时要求邻苯二甲酸氢钾为优级纯，需要放置在120℃的环境下干燥1 h，之后冷却备用。本次研究中使用的化学需氧量检测设备，采用去离子水作为参比水样，得到邻苯二甲酸氢钾标准溶液紫外光谱图在200～320 nm区间有明显的吸收现象，且化学需氧量越大，相应的光谱图能量越低，这证明了紫外光谱法对化学需氧量检测的可行性。根据吸光度的定义[7]，结合紫外光谱法检测应用原理，得出系统吸光度的公式:。
其中，A表示为吸光度数值，Io表示参考光强值，Id表示为背景值，I表示流通池中待测样本，即邻苯标准溶液时的光强值。由此公式极端得出邻苯溶液的吸光度谱图在紫外区有明个明显的吸收峰，分别为230 nm、281nm，但在可见光区没有紫外吸收现象，则吸光度为0。
在以上数据基础上，对邻苯标准溶液的化学需氧量数值与254 nm邻苯溶液吸光度数值进行分析，其线性关系如图5所示。其中，横坐标为量程校准液测得的254 nm邻苯溶液吸光度，纵横坐标为对应的化学需氧量数值，即COD=186.5×A254-27.53。通过该标准曲线可实现实时检测。
图5 254 nm邻苯溶液标准曲线图
3.2 邻苯标准溶液检验
根据图5标准曲线纵向方程COD=186.5×A254-27.53得出邻苯溶液标准COD数值记为A，将国标GB11914—89化学需氧量检测邻苯溶液数值记为B，对比分析两组数值，具体如表3所示。从表中可知A组与B组两者差值较小，但让存在一定的误差。为进一步验证两者是否具有相关性，采用统计学t检验，得出A组与B组两者数值差异不明显，可进一步验证了紫外可见光谱大对水质化学需氧量检测的可行性。
表3 两组邻苯溶液化学需氧量数值比较
3.3 实际水样检测及结果比较
以某工业排除的污水为水样进行检测，将去离子水作为参与溶液，得出该水样吸光度谱图在230 nm、280 nm附近可达到两个吸收峰。该段吸光度值与标准溶液的数值相比较低。可见，水样在可见光区有一定的吸收，但与紫外区相比，吸光度数值偏小，需要进一步的修正。这是由于水质可浊度等因素的影响，使用A254-A546代替段纯的A254，通过相关仪器设备的使用，最后测量得到相应的化学需氧量，实现水质的实时在线监测。
4 结语
综上所述，由于传统的水质化学需氧量检测方法周期长、所需化学试剂需求量大，且易发生故障与造成水质二次污染。所以找到合理的检测方法十分必要。本文基于紫外光谱法检测方法原理之上，设计了水质需氧量检测系统，之后通过邻苯标准溶液实验与对实际水样的检测验证，得出检测的化学需氧量数值与实际数值之间差异并不明显，可实现水质化学需氧量实时在线检测，值得应用与推广。
发布时间：2025-11-23 
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