高锰酸盐指数在线监测方法开发及应用

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高锰酸盐指数(CODMn)是评价地表水受有机物及无机还原性物质污染程度的重要指标。国家标准方法是高锰酸盐指数滴定法,然而国标方法线性范围窄,检测流程复杂,测试使用大量试剂和水样,废液处理成本高,水质在线监测行业对低消耗、简单、高量程范围的自动监测仪需求迫切。分光光度法是通过表征物质对光的吸收程度从而对被测物质进行定性、定量的分析方法。其技术成熟、使用成本低、高灵敏度、重现性好、流程简单、检测速度快等优点,是水质在线监测仪开发中普遍使用的技术手段。本论文基于分光光度法建立了适用于CODMn在线监测的分析方法,主要研究内容如下:(1)水质CODMn在线监测方法开发:以高锰酸钾KMn O4处理水样,使用KI作为还原剂,还原反应体系剩余KMn O4,分光光度法定量终产物KI3的浓度,间接实现水质CODMn的测定。通过条件优化,给出实际应用的优选条件:在反应温度为105℃、消解时间为20 min、KMn O4溶液浓度为0.0040 mol/L、H2SO4溶液浓度为1:4(V/V)的条件下,产物KI3溶液吸光度与CODMn有良好的线性关系,其中LOD为0.15 mg/L,LOQ为0.5 mg/L,方法线性范围增加到9.0 mg/L。实际水样测试误差-8.7%~2.4%,相对标准偏差在3.0%以内,能够满足水质CODMn在线监测要求。与国标方法相比,本论文方法提高了检测范围,简化了反应过程,具有良好的重现性和稳定性。(2)CODMn标准物质考核评价:以Na2C2O4、葡萄糖、质控样和间苯二酚为标准物质,以本论文方法为手段,测试准确度。对Na2C2O4和间苯二酚测试结果显示,其CODMn测量值与理论值的线性回归曲线与y=x重合,r~2>0.999,准确度符合性能要求。对葡萄糖的测试结果显示,回归曲线斜率k=1.0492,未与y=x相交,其中低浓度葡萄糖测量误差超过±10%的误差范围。对质控样的测试结果显示,回归曲线斜率k=1.1989,与y=x相交,1.0 mg/L质控样测量误差为负误差,9.0 mg/L质控样测量误差为正误差,测量误差均超过±10%的误差范围。CODMn浓度为1.0 mg/L时,质控样与葡萄糖的实际氧化效率分别为20.3%和33.8%,氧化效率随着CODMn浓度升高而逐渐增加,并分别稳定在约31%和55%。进一步地使用国标方法进行了验证,结果显示两种方法对于不同标准物质的测试结果变化趋势一致,验证了本文方法与国标方法氧化能力具有一致性。讨论了质控样、葡萄糖标准样品的定值合理性,认为CODMn标准物质为单点定值,并且由于CODMn是一个条件性指标,因此底物浓度和种类将影响CODMn测定过程中的反应产物及进程,即样品经稀释后测量将放大测量误差。通过葡萄糖CODMn值的校准以及选择合适浓度的质控样,可满足葡萄糖和质控样的多点考核需求。(3)水质CODMn在线监测方法应用:基于本论文研究方法搭建具有自动液体定量、水样消解、吸光度值检测等功能的工程样机,并进一步研究KI浓度、比色池光程以及显色温度对样机测试稳定性及准确度的影响。按照《高锰酸盐指数水质自动分析仪技术要求》(HJ/T 100-2003)并参考《化学需氧量水质在线自动监测仪技术要求及检测方法》(HJ 377-2019)等相关标准,对开发的CODMn在线监测样机进行性能考核。结果显示,工程样机的示值误差在±5%以内,重复性为-2.6%,24 h低浓度漂移和24 h高浓度漂移分别为1.0%和-0.5%,葡萄糖试验结果为1.0%,实际水样比对结果误差±10%以内。
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