溶氧电极新型搅拌装置的设计与实验

宋元明,杨丽红,杨高强,袁旭军

(1.上海理工大学 机械工程学院,上海　200093;2.上海科源电子科技有限公司,上海　201101)



溶氧电极新型搅拌装置的设计与实验

宋元明1,杨丽红1,杨高强2,袁旭军2

(1.上海理工大学 机械工程学院,上海200093;2.上海科源电子科技有限公司,上海201101)

摘要膜式溶氧电极作为测量溶液中含氧量的一种重要测量工具,但因其电化学性质受到局限而需要搅拌,针对人工搅拌的不足,提出了将提高测量稳定性的一种由于BOD5动测量的新型溶氧电极搅拌装置,装置采用离心式机械搅拌。通过实验验证,该种搅拌方式有助于稳定测量出培养瓶内溶液的溶氧量。

关键词BOD5 分析;隔膜电极法;搅拌装置

生化需氧量(Biochemical Oxygen Demand,BOD)是指在规定条件下,好氧微生物氧化分解单位体积水中有机物所消耗的游离态氧的数量,通常以5天作为测定标准时间,其测定的结果为5日生化需氧量,用BOD5表示[1]。BOD5是水中有机物等需氧污染物含量的一个综合指标,其值越高说明水中污染物越多,污染越严重[2]。目前测定水体溶解氧常用隔膜电极法,即用溶解氧电极测定[3]。

隔膜式溶氧电极作为测量溶液中含氧量的一种重要测量工具,但因其电化学性质而受到局限[4]。在测量过程中由于电极发生氧化还原反应,电极对氧有消耗,使得探头表面的氧浓度会降低,测量结果向降低方向漂移,因此测量过程中要对测量水体进行搅拌,使水体产生流动,溶氧未被消耗水体迅速流动到探头表面,达到动态平衡状态,此时测得的溶氧量才能反映水体中真实的溶氧量。目前有学者研究温度对溶氧电极的影响[5-6],对溶氧电极搅拌的研究很少。实验表明,溶氧测量时搅拌对溶氧测量有明显的影响。目前溶氧电极在测量时需要人工手动搅动水体使水体流动[7],针对人工搅拌的不足,提出一种基于BOD5自动化分析仪的新型溶氧电极搅拌装置。此装置在机械式搅拌器的结构上改进采用柔性连接,产生离心运动搅拌,使得搅拌面积更大,介质流动更均匀,实验表明这种搅拌方式有助于稳定测得水体中溶氧量。

1溶氧测定搅拌方式

隔膜电极由一小室构成,室内有两个金属电极并充有电解质,用选择性薄膜将小室封闭住。实际上水和可溶解物质离子不能透过这层膜,但氧和一定数量的其他气体及亲水性物质可透过这层薄膜。将这种电极浸入水中进行溶解氧测定[8]。因原电池作用或外加电压使电极间产生电位差。这种电位差,使金属离子在阳极进入溶液,而透过膜的氧在阴极还原。由此所产生的电流直接与通过膜和电解质液层的氧的传递速度成正比,因而该电流与给定温度下水样中氧的分压成正比。

图1　溶氧电极结构

在测量过程中由于电极渗透膜附件发生氧化还原反应,使得渗透膜表面氧的含量降低,测量结果向降低方向漂移,因此测量过程中要对测量水体进行搅拌,使水体产生流动,溶氧未被消耗水体迅速流动到探头表面,达到动态平衡状态,此时测得的溶氧量才能反映水体中真实的溶氧量。在BOD测量中所用到的搅拌有手动搅拌和机械搅拌。

目前市场上溶氧电极没有自动搅拌装置,只能在测量时由实验人员手动在溶氧瓶内搅动电极,使渗透膜表面的溶液产生流动,这种搅拌方式耗力、效率差,由于实验人员对读数时间的把握不同导致测量结果一致性差,且人工搅拌时容易产生气泡,影响测量结果。因此采用人工搅拌的溶氧电极无法满足大批量水质检测的要求。

机械式搅拌主要包括3部分:电机,搅拌轴和搅拌叶片。电机是动力部分,固定在支架上,搅拌轴与电机相连,当接通电源后,电机带动搅拌轴进行搅拌,搅拌的效率主要取决于叶片的结构。搅拌器的旋转带动流体做切向圆周运动,与此同时也因桨叶的不同而形成轴向或径向流动。溶氧电极新型搅拌装置在机械式搅拌的基础上,搅拌轴端部采用柔性连接叶片,叶片采用偏心叶片,在搅拌时由于离心力,叶片甩开轴心搅拌面积更多。

2方案设计

溶氧电极搅拌装置要求搅拌溶液均匀化,渗透膜附近消耗的氧可以及时补充,搅拌速度可调。新型溶氧电极搅拌装置采用机械式搅拌方式,将搅拌结构和溶氧电极做成一体,搅拌机构由直流电机、联轴器、搅拌轴、弹簧、叶片等构成。叶片在静止时位于溶氧电极渗透膜下方。

在溶氧电极上加入离心式搅拌器,搅拌轴与叶片连接采用了弹性连接,当电机带动搅拌轴旋转时,由于离心力的作用叶片偏离轴心螺旋式搅拌,保证搅拌的效果,搅拌时速度保证搅拌过程中不产生气泡。图2所示为搅拌器基本结构与改进后的结构方案图。

图2　基本结构与改进后结构方案

搅拌轴的旋转及叶片偏心产生了离心力,产生一个径向力f=mV2/R,f使搅拌轴端部弹簧产生弯曲。叶片在旋转时瓶内中心区域液体旋转形成低压,带动其他瓶内液体流动,产生流动的连续性和复杂的流型,达到理想的搅拌效果,具体结构如图3所示。

1叶片;2弹簧;3搅拌轴;4溶氧电极;5直流电机固定座;6直流电机;7保护盖图3　机械结构

3实验与分析

搅拌能使瓶内不同物理相充分混合,维持瓶内物理与化学环境的一致性。溶氧电极离心搅拌器的主要指标用于测量溶氧量表现在测量结果稳定不漂移,搅拌流场内均匀,溶氧电极消耗的氧能够及时补充。实验需要数据采集,用计算机进行控制,控制程序用LabVIEW程序编制。需要信号检测电路,将电极与水中溶氧反应所产生的微电流信号经过处理使其转变成便于识别的电压信号。

3.1实验装置与介质

实验装置:溶氧电极,自制的离心式搅拌器。介质:饱和曝气水(充氧泵曝气1 h),无氧水(加入充足的无水亚硫酸钠)。实验条件:20±1 ℃。

图4　溶氧搅拌实验台

3.2实验方法

首先用曝气泵在曝气1 h,使得水体中的溶氧处于饱和状态,水装入溶氧瓶内,插入电极,测出电极在饱和溶氧水中开启搅拌、无搅拌时溶氧电压值,使用LabVIEW显示数据,每隔5 s上传一次数据,记录数据并测出无氧水中电极溶氧电压值[9]。

3.3实验结果

(1)无搅拌饱和溶氧水测量实验。在无搅拌情况下溶氧电压随时间的变化如图5所示,随着反应的进行,无搅拌时溶氧值会不断减少,无法反映水中溶氧的真实值,这是由于电极对水中的氧消耗,使测量值不断下降。

图5　无搅拌饱和水溶氧电压曲线

在无搅拌时5 min内溶氧电压值由最高2 942 mV减小为2 342 mV,与下面的实验对比,证明了溶氧电极法测溶氧值时搅拌的必要性。

(2)搅拌饱和溶氧水测量实验。电极上电,在瓶中加入饱和曝气水,放入电极,开启搅拌,测量10 min。每5 s上传一次数据,测得实验数据如图6所示。

图6　搅拌饱和溶氧水溶氧电压曲线

开启搅拌后10 min内溶氧电压的平均值为2 877.6 mV,最大值2 929 mV,最小值2 831 mV,与没有搅拌的实验结果相比较,开启搅拌后测得数据较为稳定,证明这种搅拌方式可以提高溶氧测定的稳定性。

(3)无氧水测量实验。在曝气后饱和溶氧水中加入充足亚硫酸钠(Na2SO3),水中的溶氧迅速变为零,插入电极,开启搅拌,测量10 min,测得实验数据如图7所示。

图7　无氧水溶氧电压曲线

如图7所示,在向饱和水中加入充分的亚硫酸钠之后溶氧电压迅速下降,最后溶氧电压稳定在约230 mV,从饱和溶氧水到无氧水下降证明的电极响应需要一定的时间。

4结束语

当不进行搅拌或搅拌速率过慢时,电极消耗的氧不能及时补充导致溶氧下降。在合适的搅拌速度与搅拌范围时,电极探头附近消耗的氧气能够及时补充,电极探头附件水中含氧量达到动态平衡状态,电极测得的溶氧才能反应水中溶氧的真实值。通过实验证明了搅拌的必要性,设计了溶氧电极离心式搅拌装置,通过实验对比,该搅拌装置能够减少测量时溶氧值的漂移,保证的测量的稳定性,使测量结果更接近水体中真实的溶氧值。在无氧水测量的实验中,证明了溶氧电极响应时间短,反应快。这种一体式溶解氧电极搅拌装置可用于BOD5自动化测量仪器,其成本低、适应性好,可避免人工测量中人为因素的影响,使得测量更加准确。

参考文献

[1]王建龙,章一心.生物传感器BOD快速测定仪的研究进展[J].环境科学学报,2007,27(7):1066-1082.

[2]Wang J L,Zhang Y X.Research advances in biosensor for rapid measurement of biochemical oxygen demand (BOD)[J].Acts Scientiae Circumatantiae,2007,27(7):1066-1082.

[3]陶淑芸.生化需氧量(BOD)测定方法浅析[J].人民长江,2012,43(12):81-84.

[4]王永,司炜,孙德敏,等.膜式溶氧电极在线测量数学模型的建立与应用[J].自动化仪表,2003,24(4):8-11.

[5]张广辉,邵惠鹤.溶氧传感器的温度特性研究及其补偿[J].传感技术学报,2006,19(2):323-327.

[6]张国城.溶解氧测定仪温度补偿原理及其检定方法[J].中国计量,2010(11):86-88.

[7]张丽萍.便携式溶解氧仪法测定水中溶解氧相关问题探讨[J].环境科学导刊,2014,33(s1):86-87.

[8]刘彬.溶解氧传感器微电极的制作及测试[D].杭州:浙江理工大学,2012.

[9]袁金华,王有乐.清水充氧实验中饱和溶解氧值确定方法的探讨[J].水资源保护,2008,24(2):79-81.

Design of and Experiment on a New Stirring Device with Dissolved Oxygen Electrode

SONG Yuanming1,YANG Lihong1,YANG Gaoqiang2,YUAN Xujun2

(1.School of Mechanical Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China;2.Shanghai Cohere Electronics Technology Co.,Ltd,Shanghai 201101,China)

AbstractThe membrane dissolved oxygen electrode is an important tool for measuring oxygen content in solution,but there is limitation because of its chemical properties as the dissolved oxygen electrode measurement of oxygen consumption usually requires artificial stirring.A new dissolved oxygen electrode stirring device using BOD5 automatic measurement is put forward to increase the stability by using the centrifugal type mechanical stirring.Experiments show that the proposed stirring device offers stable measurement of the dissolved oxygen content in the culture bottle.

KeywordsBOD5 analyzer;membrane electrode method;stirring device

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.05.011

收稿日期:2015-09-28

作者简介:宋元明(1991—),男,硕士研究生。研究方向:机械制造及自动化。

中图分类号TN304;TH122

文献标识码A

文章编号1007-7820(2016)05-039-04