|
Факультет: «Компьютерные информационные технологии и автоматика» Кафедра: электронной техники Специальность: «Научные, аналитические и экологические приборы и системы» Тема магистерской работы: «Обоснование и исследование структуры прибора для измерения концентрации растворенного кислорода в сточных водах» Научный руководитель: доц., к.т.н. Коренев Валентин Дмитриевич |
|
Реферат на тему: «Обоснование и исследование структуры прибора для измерения концентрации растворенного кислорода в сточных водах»
Введение
Проблемы экологии играют огромную роль в жизни каждого человека в отдельности и общества в целом. Важнейшей такой проблемой является загрязнение воды. Как известно, вода имеет ключевое значение в создании и поддержании жизни на Земле, играет исключительную роль в процессах обмена веществ, составляющих основу жизни.
На сегодняшний день, ужасная картина в плане воды в восточной Украине, особенно в Луганской, Донецкой, Николаевской и Одесской областях. Здесь из-за слабой системы очистки загрязненной промышленностью воды люди вынуждены пить воду, с отклонениями от нормы до 80 процентов [1].
Для того чтобы защитить поверхностные воды от загрязнения одним из необходимых условием является очистка сточных вод. Наилучшим способом защиты поверхностных вод от сточных является разработка и внедрение безводной и безотходной технологии производства, начальным этапом которой является создание оборотного водоснабжения. Для организации системы оборотного водоснабжения необходимо внедрить ряд очистных сооружений и установок, что позволяет создать замкнутый цикл использования производственных и бытовых сточных вод. При таком способе водоподготовки сточные воды все время находятся в обороте и попадание их в поверхностные водоемы полностью исключено [2].
В результате того, что состав сточных вод разнообразен существуют различные виды очистки, такие как: механическая, физическая, химическая, биологическая и др. Очистку воды можно производить как одним видом так и комплексом, в зависимости от загрязнителей.
Механическая очистка необходима для выделения из сточных вод нерастворенных минеральных и органических примесей, чаще всего она является методом предварительной очистки и предназначена для подготовки сточных вод к биологическим или физико-химическим методам очистки. Конечным результатом такой очистки происходит снижение взвешенных веществ до 90%, а органических веществ до 20% для производственных сточных вод и 60% для бытовых.
Химические и физико-химические методы очистки играют значительную роль при обработке производственных сточных вод. Они применяются как самостоятельные, так и в сочетании с механическими и биологическими методами. Химической очисткой достигается уменьшение нерастворимых примесей до 95% и растворимых до 25%.
Биологическая очистка – зачастую применяется на практике метод обработки бытовых и производственных сточных вод. Основу данного метода составляет процесс биологического окисления органических соединений, содержащихся в сточных водах. Биологическое окисление осуществляется сообществом микроорганизмов, включающим множество различных бактерий, простейших и ряд более высокоорганизованных организмов-водорослей, грибов и т.д., связанных между собой в единый комплекс сложными взаимоотношениями (метабиоза, симбиоза и антагонизма). Сточные воды очищаются в аэротенках — специальных закрытых резервуарах, по которым медленно пропускают стоки, обогащенные кислородом и смешанные с активным илом. Активный ил представляет собой совокупность гетеротрофных микроорганизмов и мелких беспозвоночных животных (плесени, дрожжей, водных грибов, коловраток и др.), а также твердого субстрата. Важно правильно подбирать температуру, рН, добавки, условия перемешивания, окислитель (кислород), чтобы в максимальной степени способствовать интенсификации гидробиоценоза, составляющего активный ил. Данный метод является наиболее эффективным и экономичным. Эффективность очистки на станциях достигает 98%. Вода на выходе сравнивается по качеству с технической водой и может использоваться для соответствующих нужд [3].
Цели и задачи
Целью данной работы является разработка и обоснование структуры прибора для непрерывного измерения концентрации растворенного кислорода в сточных водах на очистных сооружениях.
Для достижения поставленной цели, необходимо:
Актуальность темы
Растворенный кислород является основным параметром в биологической очистке сточных вод, так как концентрация кислорода определяет природу и скорость процессов в аэрационных тенках.
Для разложения углерода, нитрификации, денитрификации и биологического удаления фосфора необходимым условием является временное или пространственное разделение аэробной и бескислородной или анаэробной зон. Контроль над обеспечением характерных для этих различных зон условий является одним из наиболее важных задач мониторинга процессов на станциях очистки сточных вод. Для этого обязательно необходимо получение информации о содержании кислорода в активном иле. Таким образом, с точки зрения технологического процесса, вопрос не в том, проводить непрерывные измерения концентрации кислорода, а в том, как именно это делать.
Огромная часть энергии, которая потребляется очистным сооружением используется для аэрации активного ила. В следствии чего проблема контроля расхода и управление снижением энергопотребления является весьма важной для каждого очистного сооружение, следовательно необходимо оптимизировать поступление кислорода в аэрационный тенк. Во главе оптимизации лежит правильное и точное измерение растворенного кислорода. Поэтому непрерывное и точное измерение кислорода имеет огромное значение.
Предполагаемая научная новизна
Широкоиспользуемые на сегодняшний день датчики растворенного кислорода основанны на электрохимических методах измерения имеют ряд недостатков. Таких как: деградация анода и расход электролита в результате того, что для каждой восстановленной на катоде молекулы имеет место соответствующая окислительная реакция на аноде, а это является причиной дрейфа показаний и занижения результатов. Такие погрешности можно удерживать в определенных пределах путем регулярной калибровки датчика и замены электролита. Применение нового метода – люминесцентного дает лучшие результаты и имеет ряд достоинств. Таких как высокая чувствительность к низким концентрациям кислорода, отсутствие необходимости в калибровке, отсутствие к потоку и устойчивость к загрязнениям.
Планируемые практические результаты
Результатом магистерской работы будут исследования, связанные с выяснением зависимости измерений растворенного кислорода в сточных водах от различных неинформативных параметров, таких как температура, давление и тому подобное. Также в результате планируется получить структурную схему с подробным описанием и построить математическую модель прибора.
Обзор исследований и разработок по теме
Реферат по теме выпускной работы Пилипенко Дмитрия Вадимовича
«Обоснование и исследование структуры электронной системы контроля растворенного кислорода аэротенка очистных сооружений»
МЕТТЛЕР ТОЛЕДО – крупнейший в мире производитель весового оборудования: лабораторных и торговых весов, платформенных весов и систем динамического взвешивания, автомобильных и вагонных весов, аналитических и контрольных приборов для лабораторий и промышленности: титраторы, плотномеры, рефрактометры, pH-метры, анализаторы влагосодержания, приборы термоанализа, лабораторные реакторы, промышленные аналитические системы, измерители габаритов груза. Кроме того, компания производит промышленные металлодетекторы и оборудование для выявления неметаллических включений.
ВЗОР. Область деятельности предприятия – разработка и производство приборов аналитического контроля водных сред в тепловой, атомной энергетике, экологии и других отраслях. Производственная программа включает 19 моделей приборов в различных исполнениях, включая портативные и стационарные, одно- и многоканальные, со степенью защиты от IP30 до IP65:
ООО «Антех» предприятие, ориентированное на разработку и производство современных аналитических приборов. За время своей деятельности предприятие приобрело большой научно-технический, производственный потенциал. Создана структура, обеспечивающая постоянный контроль качества продукции на всех этапах – от разработки до продажи. Предприятие производит портативные, лабораторные и промышленные стационарные pH-метры, иономеры и кислородомеры используемые во многих отраслях народного хозяйства, в том числе промышленные приборы для контроля активности ионов водорода и натрия в системах водоподготовки и водопаровых трактах ТЭЦ и АЭС. Запатентован метод и разработана установка УПР-1 для приготовления контрольных растворов и поверки анализаторов кислорода. Сегодня ООО «Антех» является одним из ведущих производителей в области аналитического приборостроения. Мы предлагаем аналитические приборы, по своему качеству стоящие на уровне мировых аналогов. Лучшее подтверждение этого статуса – это наши покупатели. Ими являются крупнейшие компании России – ГАК «Оборонпромкомплекс», НПП «Буревестник», ГРЦ Атомного судостроения, ОАО «Невинномысский Азот», концерн «Росэнергопром», предприятия РАО «ЕЭС России», компании и предприятия в Республике Беларусь и Украине – концерн «Белэнерго», «Белмедтехника», ОАО «Белэнергоремналадка», ГП «Укрэнергокомплект», ОАО «Укрэнергопром» и многие другие.
ООО «Антех» постоянно принимает участие в международных специализированных выставках, неоднократно награждалось дипломами и медалями, подтверждающими высокий уровень выпускаемой продукции. Приборы постоянно модернизируются, что позволяет расширять их сервисные функции, повышать качество и конкурентоспособность с целью сохранения рынка сбыта в странах СНГ и за рубежом.
Корпорация HACH-Lange объединила крупнейших мировых производителей аналитических систем для анализа качества воды: HACH (США), Dr. Lange (Германия), Polymetron (Франция), American Sigma (США), LACHAT (США), Hydrolab (США), Radiomert analytical (Дания).НАСН-Lange предлагает готовые решения для полевого, лабораторного и промышленного анализа.
Совершенные портативные и лабораторные приборы с запрограммированными методиками анализа в сочетании с готовыми к употреблению, дозированными реактивами сокращают время анализа и сводят вероятность ошибки измерений к минимуму. Промышленные анализаторы НАСН-Lange предназначены для непрерывной работы, имеют огромный ресурс, просты в использовании, отличаются низким расходом реагентов и требуют минимального обслуживания. Простые и испытанные методики НАСН-Lange заслужили широкое признание по всему миру как у опытных аналитиков, так и у непрофессиональных пользователей. Перечисленные достоинства – веское основание заплатить более чем разумную цену за гарантированную точность и надежность измерений, равно как за удовольствие от работы с продукцией НАСН-Lange на протяжении многих лет. Неуклонно растет число потребителей продукции НАСН-Lange в России и странах СНГ. Наиболее популярные модели оборудования НАСН-Lange внесены в государственный реестр средств измерений РФ. Инструкции к приборам и методики анализа переведены на русский язык. ООО ЭкоИнструмент – официальное представительство фирмы фирмы HACH Lange в России (Москва, Нижний Новгород, Екатеринбург), в Укранине (Киев) и на территории СНГ. Также представлены входящие в концерн компании American SIGMA и B?HLER (расходомеры, пробоотборники), GLI и Polymetron (промышленные анализаторы и контроллеры для сточных вод, водоподготовки и энергетики), LACHAT (ионная хроматография и проточно-инжекционные анализаторы) и RADIOMETER ANALYTICAL (электрохимические приборы и титраторы).
ООО «Техногазкомплект» предлагает широкий спектр контрольно-измерительных приборов и средств автоматизации предприятий электротехнического, машиностроительного, химического и топливно-энергетического комплекса.
Компания HANNA INSTRUMENT разрабатывает и производит инструменты, качественные, высоко эффективные, простые в использовании и недорогие. HANNA INSTRUMENT – Германия, была основана в 1986 году. Ключом к успеху является тесное сотрудничество с клиентами и предложение ассортимента продукции, который адаптирован к их потребностям.
В настоящее время широкое распространение и применение получили датчики растворенного кислорода, основанные на электрохимических методах измерения (полярографическом, амперометрическом и др.) [4]. Такие датчики нуждаются в постоянном обслуживании (очистке, калибровке, замены мембраны и электролита, полировки анода) [5]. При этом можно удерживать значения показаний в определенных пределах. При использовании датчиков, основанных на электрохимических методах, достоверность зависит от качества выполнения работ по обслуживанию датчика.
Новый метод измерения концентрации растворенного кислорода – люминесцентный. Процесс люминесценции включает в себя переход молекул на возбужденный электронный уровень, колебательную релаксацию в возбужденном состоянии, переход на основной электронный уровень либо с испусканием света (собственно люминесцентное излучение), либо безызлучательно и колебательной релаксации в основном состоянии [6].
Данный метод имеете ряд преимуществ по сравнению с электрохимическими методами. При измерении концентрации растворенного кислорода происходит измерение времени затухания люминесценции. Люминесцирующий материал, который наносится непосредственно на крышку датчика в случае его повреждения или износа может повлиять лишь на интенсивность испускаемого излучения, которое ни коим образом не влияет на время затухания данного материала. При измерениях молекулы кислорода вступают в контакт с люминесцирующим материалом (люминофором), не поглощая их. Для датчика подбирается люминофор таким образом, чтобы он был устойчив к сероводороду и к другим химическим соединениям, что дает возможность использовать датчик в агрессивных средах. Данный метод обладает высокой чувствительностью (отношение изменения времени затухания люминесценции к изменению концентрации) к низким концентрациям [7].
Одним из наиболее чувствительных и селективных методов определения малых концентраций веществ можно считать люминесцентный (флуоресцентный) метод анализа. Суть его в простейшем виде заключается в следующем. При поглощении кванта света электрон переходит из основного состояния в возбужденное. Возвращаясь в исходное состояние, он может потерять часть полученной энергии в виде тепловых колебаний и оказаться при этом в промежуточном состоянии. Переход электрона из промежуточного состояния в основное сопровождается выделением кванта света с большей длиной волны. Специальные оптические приборы фиксируют полученный таким образом спектр люминесценции, и эти данные можно использовать для анализа. Способностью к люминесценции обладают далеко не все элементы и соединения, что обусловливает исключительно высокую избирательность люминесцентного метода; его точность и чувствительность тоже достаточно высоки [8].
В качестве люминесцирующего материала могут быть применены полимерные композиции на основе полиароматических красителей, например, пирена или декациклена, а также на основе флуоресцирующих комплексов рутения (Ru(bpy)3, Ru(phen)3, так же можно применять фосфоресцирующие красители порфириновой природы Pt- и Pd-комплексы порфиринов [9].
Для измерения концентрации растворенного кислорода используется тушение, связанное со случайными столкновениями между флуорофором и тушителем (кислородом), называется динамическим, или тушением при столкновениях.
Для тушения требуется контакт между молекулами флуорофора и тушителя (кислорода). В случае динамического тушения тушитель (кислород) должен диффундировать к флуорофору в течение времени нахождения в возбужденном состоянии. В результате контакта флуорофор возвращается в основное состояние без излучения фотона.
Динамическое тушение флуоресценции описывается уравнением Штерна-Фольмера [10]:
где F0 и F – интенсивности флуоресценции в отсутствие и в присутствии тушителя соответственно; kq – бимолекулярная константа скорости тушения; τ0 – время затухания флуоресценции в отсутствие тушителя; [Q] – концентрация тушителя; kдин=kq·τ0 – штерн-фольмеровская константа тушения.
Структурная схема прибора для измерения концентрации растворенного кислорода может иметь следующий вид:
Рисунок 1 – Структурная схема прибора для измерения концентрации растворенного кислорода
Люминесцирующая мембрана имеет диффузионный контакт со сточной водой. Оптический канал: светодиод, мембрана, фотодиод также оснащен оптическими фильтрами для эффективной дискриминации возбуждающего света и фосфоресценции. Светодиод обеспечивает возбуждение люминесценции композиции в области поглощения красителя, фотодиод - регистрацию фосфоресценции, испускаемой красителем, в соответствующей спектральной области. Электрический сигнал с фотодиода проходит схему предусиления и усиления и при необходимости преобразуется из аналогового в цифровой. Схемы модуляции, работающие в согласованном режиме с основной частотой порядка 1 кГц, необходимы для измерения рабочего и опорного сигналов. Рабочий сигнал с фотодиода измеряется спустя определенное время после затухания светодиода (время задержки), которое сравнимо с длительностью люминесценции красителя: диапазон 10-100 микросекунд. При работе в режиме измерения времен жизни рабочий сигнал измеряется при нескольких значениях времени задержки. Опорный сигнал измеряется при времени задержки значительно больше длительности люминесценции: порядка 300-1000 микросекунд. Время интегрирования единичного сигнала (ворота счета) сравнимо с временем затухания красителя и составляет порядка 100 микросекунд. Время накопления сигнала эквивалентно времени 100-1000 вспышек источника света. Схемы обработки и вывода информации с учетом величины опорного сигнала рассчитывают интегральные специфические сигналы (в единицах интенсивности люминесценции или времен жизни) и соответствующие им содержание кислорода в анализируемой среде.
Рисунок 2 – Анимация принцип работы датчика кислорода (количество кадров – 7; количество циклов повторения – всегда; объём – 150кБ
В процессе измерения синий светодиод испускает импульс света, который частично поглощается слоем люминофора. Электроны в молекулах люминофора переходят на более высокий энергетический уровень (возбужденное состояние). В течение нескольких микросекунд электроны возвращаются в исходное состояние через несколько промежуточных энергетических уровней, испуская разницу в энергиях в виде более длинноволнового (красного) излучения.
Если в этот момент молекулы кислорода находятся в контакте с люминофором,
Оба аспекта влияния кислорода можно отнести к явлению, обозначаемому термином «гашение люминесценции». Их влияние показано на рисунке 3: импульс света, посылаемый синим СИД в момент времени t=0 попадает на слой люминофора, который впоследствии испускает красное излучение. Максимальная интенсивность (Imax) и время затухания красного излучения зависят от окружающей концентрации кислорода (время затухания определяется как время между началом возбуждения и падением уровня красного излучения до величины 1/e от максимальной интенсивности).
Рисунок 3 - Кривые интенсивности возбуждающего синего излучения и красного излучения люминесценции
Для определения концентрации кислорода анализируется время затухания люминесценции [7].
Выводы
Дальнейшие исследования будут направлены на температурную коррекцию датчика, а также на исследование влияния неинформативных величин и построение математической модели прибора для измерения растворенного кислорода в сточных водах.
Литература
Загрязнение и очистка воды в Украине [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.filtryplus.com.ua/articles/zagryaznenie_vody.html
Способы очистки сточных вод от загрязнения - защита гидросферы [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.ecology-portal.ru/publ/12-1-0-389.html
Биологическая очистка сточных вод | Методы очистки сточных вод [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://waterclean.com.ua/biologicheskaya-ochistka-stochnyih-vod.html
СИСТЕМАТИКА, ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ДАТЧИКОВ [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://jre.cplire.ru/iso/mar09/3/text.html
Волоконно-оптические зонды в сравнении с электродами [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.oemoptic.ru/sensorsvselectrodes.php
Люминесцентный метод анализа [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.eurolab.ru/lyuminescentnye_metody
LDO - люминесцентный метод измерения растворенного кислорода в воде, оптический датчик кислорода [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.ecoinstrument.com.ua/index.php?option=com_content&view=article&id=80:serviceldo&catid=41:supplementinfo&Itemid=81
Люминесцентный (флуоресцентный) метод анализа [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.chemweek.ru/Mikrokontsentratsii_elementov_v_prirode_i_tehnike/ Lyuminestsentnyy_fluorestsentnyy_metod_analiza.htm
Папковский Д.Б.; Пономарев Г.В.; Курочкин И.Н.; Чернов С.Ф. Металлокомпелексы порфирин-кетонов, чувствительный элемент для определения кислорода в жидкой или газовой среде и способ определения кислорода. Патент РФ № 5055439/04, 1996
Принцип работы оптических сенсоров кислорода - флуоресцентный метод измерения кислорода [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.oemoptic.ru/sensorsworkprinciple.php