重金属在线监测仪产品设计研究
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摘要： 通过研究重金属监测技术，提出电化学电位控制方法、硬件设计平台和软件设计，基于阳极溶出伏安法的监测系统方案，包括单片机设计、软件设计和工作电极设计等，实现重金属在线监测。
Abstract： Through research on heavy metal monitoring technology， the paper puts forward electrochemical potential control method， the hardware design platform and software design， and monitoring system based on anodic stripping voltammetry， including single-chip design， software design， and the working electrode design， for online monitoring of heavy metals.
关键词： 电化学；在线监测；工作电极
Key words： electrochemistry；online monitoring；work electrode
中图分类号：TB472 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）14-0035-02
1 背景
重金属主要是指汞（水银）、镉、铅、六价铬以及类金属砷等生物毒性显著的重元素，其中，六价铬、汞、砷、铅和镉已经被国家列入重点监测指标，由于重金属不能被生物降解，相反却能在食物链的生物放大作用下，成千百倍地富集，最后进入人体，同时，重金属元素由于某些原因未经处理就被排入河流、湖泊或海洋，或者进入了土壤中，使得这些河流、湖泊、海洋和土壤受到污染，它们不能被生物降解，因此，在线监测重金属污染情况是非常有必要的。
2 设计需求
本研究根据以上国内外厂家性能和环保等角度分析，采用有毒试剂循环回收利用的方法研制新型重金属监测仪器，同时根据国家相关标准，确定重金属监测仪市场需求，请看下表：
3 设计方案
3.1 产品工作原理 溶出伏安法（又称反向极谱法）是从电化学分析中的极谱法发展起来的，分为阳极溶出伏安法与阴极溶出伏安法，但阳极溶出伏安法更为重要。在电解池内放入一个悬汞电极或其他固体电极代替极谱法的滴汞电极作为研究电极，以饱和甘汞电极兼作辅助电极和参比电极。先将研究电极置于待测离子的极限盛有支持电解质和含有浓度很低的金属离子。在不断搅拌溶液下进行电解，此时扩散电流的电位上，一般负于半波电位0.2-0.3V，金属离子在电极上还原成金属并生成汞齐，这一步称为电积，经过一定时间电积富集之后，汞电极中的金属提高到必要浓度，停止搅拌，约20-30秒后把研究电极的电位向正方扫描，这时汞齐中的金属在半波电位附近又重新溶解成为离子进入溶液，这一步称为溶出，在溶出过程中记录的电流—电位曲线上出现溶出峰型，峰高或峰面积与待测离子的浓度成正比，这是定量分析的基础。峰电位与离子的性质有关，这是定性分析的基础。锌、镉、铅、铜等可以在适当的支持电解质溶液中，以汞膜电极作工作电极，以银-氯化银电极作参比电极，加以适当的预电解电位，经过一定时间的预电解富集，还原到汞膜电极上，于汞生成汞齐，然后在较短的时间内作反向溶出扫描，记录其溶出伏安曲线。根据溶出峰电位和峰高，用标准加入法定量地测定每个杂质的含量。
3.2 硬件设计要求 控制原理：仪器配有三电极系统，分别是研究电极（玻碳电极）、辅助电极（铂电极）和参比电极（银-氯化银电极），分析过程分为三个主要步骤，分别是富集、静置和溶出。电路设计结构图如下图所示：
MCU处理器：具有Flash存储器；
D/A恒电位控制：电位控制精度1mV，电位控制范围
±12V，电位能从-12V到12V扫描，扫描速度控制范围1-1000mV/S；
电流采集单元：由于需要检测的电流属于微弱信号，并且不同浓度下的电流大小不一样，所以电流采集时需要选择不同的灵敏度，灵敏度的控制可以通过精密电阻来切换，切换原理图如图2，电流通过电阻后产生电压，根据U=I*R，通过检测电压大小采集电流大小，一般情况下，0-10uA范围电流采用100K电阻，10-100uA范围电流采用10K电阻，0.1-1mA范围电流采用1K电阻，1-10mA范围电流采用100Ω电阻，电阻精度要求0.1%；
A/D转换：根据电流采集精度选用，建议采用16位；
阀体控制：至少能控制30路电磁阀，20路带24V电源，10路不带电源；
试剂报警：6路液位AD输入；
3.3 软件设计
软件功能：
通讯模式：具有232串口数据输出端口，可以通过数采仪上传数据，同时具有四路4-20mA输出端口，能同时输出4路数据；
参数设置：设定测量参数（以Zn、Cd、Pb、Cu联测为例）：富集电位（-1.3V）、静置电位（-1.2V）、终止电位（0V）、富集时间（120s）、灵敏度选择（10uA）、是否消解，如果需要设定好消解时间；寻峰范围设置：Zn（-1200—-800mV）、Cd（-800—-600mV）、Pb（-600—-300mV）、Cu（-300—0mV）；
3.4 工作电极设计 工作电极与电极线连接采用M3的铜螺纹连接，保证接触良好，玻碳采用日本进口材料，直径为5mm，与检测池的密封采用O型圈密封方式，需要注意O型圈、塑料直径、检测池工作电极孔直径之间的配合间隙，结构示意图如图4。
4 结论
通过软件设计、电路设计和电极设计，成功研制了重金属在线监测仪器，能应用于水质中重金属的在线实时监测，具有准确、快速、安全和可靠等特点，具备了良好的市场推广前景。
参考文献：
[1]高鹏.智能电化学工作站DSP软件的总体设计与研究[J].科学与研究，2007.
[2]朱日龙，胡军，易颖，潘大为，谭杰，潘海婷.阳极溶出伏安法快速测定地表水中镉[J].环境监测管理与技术，2010-08-25.
[3]蓝月存.纳米金属颗粒修饰玻碳电极测定水中三价砷的阳极溶出伏安法研究[J].华南理工大学，2012-06-01.