A necessidade química de oxigênio (COD) e a turbididade (TURB) representam o conteúdo de substâncias orgânicas redutivas e turbididades no corpo de água, respectivamente, e são importantes indicadores de monitoramento da poluição da qualidade da água.

O método de análise espectral é sensível à resposta, rápida velocidade de análise e boa repetibilidade, onde a espectrometria ultravioleta, devido ao seu princípio de detecção maduro, pode indiretamente refletir os parâmetros físicos e químicos de matérias orgânicas, suspensões e outros na água. Na detecção prática, a dispersão de turbidez pode causar graves interferências no espectro de absorção ultravioleta da COD, afetando assim a precisão da detecção espectrômica;

O acoplamento de características e a interferência de sobreposição de picos espectrais durante a detecção sincrônica de oxigênio químico (COD) e turbidez por espectrometria ultravioleta afetam seriamente a precisão da detecção. A análise de interferência de acoplamento e a detecção de conteúdo de vários poluentes em corpos de água com rapidez e precisão são importantes para o monitoramento em tempo real da qualidade da água em campo.

Princípio de teste:

O princípio do teste de qualidade da água é a análise qualitativa e quantitativa de poluentes e parâmetros de qualidade da água em amostras por meio de vários métodos físicos, químicos e biológicos para avaliar a pureza e a segurança do corpo de água.

Normalmente, o princípio da detecção espectrômica é baseado na interação da matéria com a luz. Quando a luz é irradiada sobre a matéria, as moléculas ou átomos da matéria absorvem um comprimento de onda específico da luz, gerando um espectro de absorção característico. Diferentes substâncias têm características espectrais diferentes e, portanto, vários componentes em amostras de água podem ser identificados e analisados quantitativamente através da análise espectral.

A Lei de Lampberry afirma que, quando um feixe de luz paralelo passa por um absorvente uniforme, a absorção A da solução é proporcional à concentração de absorvente c na solução e ao produto do comprimento da luz l. ou seja：

A = é·c·l

Entre eles:

A é a absorção (absorção),

ε é a absorção molar, em L·mol⁻¹· cm⁻¹，

c é a concentração da substância absorvente, em mol·L⁻¹，

L é o comprimento da luz, em cm.

Quando a distância da luz é determinada, a absorção da luz de um comprimento de onda específico depende da concentração do componente a medir correspondente.

Além da espectroscopia de absorção, existem algumas aplicações para identificar e analisar quantitativamente substâncias químicas na água por meio das propriedades de excitação ou dispersão da substância à luz, como espectroscopia de fluorescência: com base nas propriedades de certas substâncias que emitem fluorescência sob excitação da luz em comprimentos de onda específicos, o conteúdo da substância é analisado detectando a intensidade da fluorescência e comprimentos de onda.

Ideias experimentais:

Indicadores comuns de qualidade da água:

• Necessidade Química de Oxigênio (COD): representa o teor de substâncias orgânicas redutivas no corpo de água;

• Necessidade de oxigênio bioquímica (BOD): reflete o conteúdo microbiano na água;

• DOM: teor de matéria orgânica dissolvida na água;

• TOC: teor total de carbono orgânico;

• DOC: teor de carbono orgânico dissolvido;

• SAC: Coeficiente específico de absorção de luz;

• SSK: Potássio solúvel em água;

• Turbididade: o teor de suspensão no corpo de água;

• Amoníaco, fósforo total, teor total de nitrogênio;

Os diferentes parâmetros e componentes da qualidade da água no corpo da água correspondem a diferentes intervalos espectrais de absorção, por exemplo, nitratos, nitratos de absorção espectrais de 200 a 250 nm, compostos de baixa molécula, compostos aromáticos, proteínas, solventes orgânicos, etc. O intervalo espectral é de 250 a 290 nm, turbidez, o intervalo total de sólidos dissolvidos é de 380 nm, portanto, o espectrômetro ultravioleta visível para a detecção de absorção entre a faixa de onda detetável de 200 a 800 nm é usado para a detecção de absorção em vez da detecção de absorção de comprimento de onda único, que pode refletir claramente a distribuição de várias substâncias no corpo da água.

Princípio de medição: método de absorção visível ultravioleta (espectrofotomia); Espectroscopia fluorescente;

Espectrómetro: Série ATP2000 (alta relação sinal-ruído, pixel elevado, alta integração)grau)

Os detectores tradicionais usam tubos fotoelétricos multiplicadores com um mecanismo de varredura de comprimento de onda único, o volume é grande, o tempo de medição é longo e não se adapta à análise de processos transitórios. Em comparação, os microespectrómetros de fibra óptica podem capturar todo o espectro em tempos transitórios, permitindo monitoramento contínuo e em tempo real da qualidade da água on-line, o que é mais adequado para medições em campo e on-line.

O espectrómetro mede a absorção de luz através de uma faixa de luz paralela em uma determinada faixa de comprimento de onda através de uma placa de contraste com uma amostra. O espectro de absorção da amostra para essa faixa de comprimentos de onda é obtido através da comparação espectral antes e depois da absorção da amostra.

Medindo a absorção de toda a faixa UV/visível, um modelo quimiométrico é criado que permite a detecção simultânea de vários parâmetros na qualidade da água.

Coleta espectral:

O sistema de captação espectral utilizado no experimento é composto por um espectrómetro ATP2000P, uma lâmpada ATG1020 de pulso de xenão, um controlador central, um disco biserico, um atenuador de fibra óptica e um monitor.

O comprimento de onda do teste do espectrómetro varia de 180 a 1000 nm, a resolução é de 2,3 nm, a relação sinal-ruído > 500: 1.

Adotando uma placa de quartzo de 10 mm como piscina de amostras, a potência de luz de saída da fonte de luz de pulso é ajustada através de um atenuador de fibra óptica para garantir a estabilidade do espectro de absorção e evitar distorções de saturação de luz e ruído de flutuação.

Amostras experimentais:Solução padrão COD: o Centro Nacional de Análise de Metais Não Colorados e Materiais Eletrônicos fornece, com ftalato de hidrogênio de potássio como solução, concentração de massa de 500 mg / L;

Solução padrão de turbidez de hidrazina formal: fornecido por Hangzhou Qiwei Instruments Co., Ltd., 400 NTU;

Coleta de dados espectrais:

Os espectros de absorção da solução padrão de COD e turbidez para diferentes gradientes de concentração de massa foram coletados, respectivamente.

A gama espectral eficaz é de 180 a 400 nm, o tempo de integração é de 9 ms, o intervalo de amostragem é de 500 ms e o número médio de digitalizações é de 20 vezes. A média é obtida após 5 coletas de dados espectrais por amostra, e o espectrograma é mostrado abaixo.

Espectro de absorção UV de solução padrão, (a)COD; b) turbidez;

Espectro de absorção UV em solução misturada, (a) COD + turbididade interferência; b) turbidez + interferência COD;

Ao comparar as linhas espectrais de amostras de soluções padrão, as principais características de absorção de COD e turbidez estão concentradas na faixa de 180 a 400 nm.

A gama de picos característicos do COD está entre 180 e 300 nm, com o aumento da concentração de massa e a absorção espectral ultravioleta aumentando gradualmente, os dois picos de absorção característicos aumentam significativamente;

A gama de picos de absorção espectral de turbidez está entre 180 e 400 nm, e a absorção global aumenta com o aumento da turbidez.

Na amostra misturada, o aumento da interferência da turbidez faz com que a linha espectral de absorção da COD aumente para cima, o pico de absorção principal se desloca para a direita, o aumento da interferência da COD faz com que o pico de absorção da turbidez aumente significativamente para cima e seja menos afetado pela interferência no segmento de 300 a 400 nm.

Pré-processamento de dados espectrais:

Devido à grande influência do ambiente externo, das condições de medição e das características do próprio instrumento nos resultados de medição durante a medição espectrômica. Os dados brutos coletados geralmente contêm grandes quantidades de dados redundantes e co-lineares, o que afeta significativamente a precisão do modelo posterior e a eficiência do processamento de dados. Para diminuir ou eliminar esse efeito, geralmente é necessário pré-processar os dados espectrais coletados, tais como:Seleção de comprimento de onda característicae correspondentesOtimização de algoritmosDados espectrais eficazes são obtidos para melhorar a precisão e a estabilidade da detecção do modelo.

seleção de comprimento de onda característico, (a) COD; b) turbidez;

O cliente extrai comprimentos de onda característicos através do SPA, simplificando os dados espectrais, eliminando variáveis redundantes irrelevantes e reduzindo drasticamente as informações de interferência. Utilizando o algoritmo SVR para otimizar os parâmetros, o modelo de otimização foi construído com sucesso, capaz de reduzir eficazmente o acoplamento característico e a interferência de sobreposição de picos espectrais que existem simultaneamente em COD e turbidez, alcançando a previsão sincronizada precisa do conteúdo de COD e turbidez em amostras de água, e também com alta precisão de detecção para soluções de turbidez de baixa escala, alcançando efetivamente a detecção sincronizada de espectrometria ultravioleta de COD e turbidez.