一种基于X射线荧光技术的污水重金属在线监测设备的制作方法

本发明涉及重金属废水在线监测领域，尤其涉及一种基于X射线荧光技术的污水重金属在线监测设备。

背景技术：

近年来，国内连续发生了多起重特大重金属污染事件。2012年1月，广西龙江河发生镉污染事件，严重威胁柳州市144万人的饮用水安全。随着《重金属污染综合防治“十二五”规划》的实施，我国重金属检测与监测仪器市场需求将大增。水体是重金属污染的重要载体，许多电力、电池、冶金等行业的企业废水中都含有重金属，是环境监测的重要关注点之一。从环境污染方面，重金属是指汞、镉、铅以及“类金属”-砷等生物毒性显著的重金属。对人体毒害最大的有5种：铅、汞、砷、镉。这些重金属在水中不能被分解，人饮用后毒性放大，与水中的其他毒素结合生成毒性更大的有机物。

基于以上原因，国家对工厂排污水中的重金属排放标准要求越来越严格，对重金属废水的在线监测设备的精度要求的也是越来越严格。但是目前在重金属废水的在线监测领域市场占有率最高的依然是传统的化学比色法，此方法存在以下缺陷：

1)在检测之前加入了反应药剂和显色药剂、掩蔽药剂等，通过加入的各种药剂使待测水样显色，根据显色深浅的不同来折算成水中重金属的含量，属于间接监测，而且加入的各种药剂会随着废液排除，对环境造成二次污染；2)因为其检测原理的局限性，检测结果会受到被测水中的颗粒物、色度及其他元素等因素的影响，往往需要一定的预处理步骤进行过滤式取样，这样数据的准确性和代表性得不到保障；3)由于需要对每一种加入的反应药剂进行精确定量，往往会因为某些药剂的定量不准而造成检测误差，检测数据的稳定性得不到保障；4)由于每次采样量少，采样间隔时间长，检测数据可能没有代表性和实时性。

目前国家对工厂排污水的要求越来越严格，但是目前市场占有率最高的传统的化学比色法在检测的同时因为加入了各种反应试剂而对环境造成二次污染，而且因为其原理的局限性检测结果会到被测水中的颗粒物色度及其他元素等因素的影响，往往需要一定的预处理步骤并且需要对每一种加入的反应药剂进行精确定量，数据的准确性得不到保障，采样量少数据可能没有代表性和实时性。

中国发明专利，公开号：CN103105407A，公开号：2013.05.15，公开了一种测定液体样品中重金属的含量的方法，包括以下步骤：利用高分子膜对所述液体样品进行过滤，所述高分子膜对于所述重金属是不透的，以便使得所述液体样品中的重金属被截留在所述高分子膜上，并且获得附着重金属的高分子膜；利用X射线荧光光谱仪对所述附着重金属的高分子膜进行检测，以便获得X射线荧光光谱数据；以及基于所述X射线荧光光谱数据，确定所述液体样品中重金属的含量。利用该方法能够有效地对液体样品中的重金属进行测定。其不足之处在于：该专利不能直接检测废水中重金属含量，在检测之前需要在高分子膜上富集，结构复杂，而且需要在高分子膜无堵塞及其他异常的情况下使用，对待检水质要求严格，存在不可靠因素。

技术实现要素：

1.发明要解决的技术问题

针对现有技术的化学比色法在检测水中重金属含量所测得的数据缺乏准确性和代表性的问题，本发明提供了一种基于X射线荧光技术的污水重金属在线监测设备。它具有不间断实时采样、无需加入其他药剂，直接检测，结构简单易于维护等优点。

2.技术方案

为解决上述问题，本发明提供的技术方案为：

一种基于X射线荧光技术的污水重金属在线监测设备，包括预处理单元、进样单元、检测单元和控制单元，水样依次流经预处理单元、进样单元、检测单元，这三个单元中各元件的动作均由控制单元来控制。

设备在正常工作状态下，X射线管经过5万伏高压激发出一次荧光，一次荧光经调整光路汇聚到被测样品检测窗，被测样品检测窗内样水中各元素被激发出二次荧光，二次荧光经调整光路汇聚到检测单元的探测器。检测单元将探测器所检测到的信号进过分析后转化为待测元素的浓度值传送给控制单元将其显示在触摸屏上。本设备可以直接实现实时在线准确监测，检测时水样的取样量大，数据有代表性，无需额外添加药剂，不会对环境产生二次污染，设备结构简单可靠，无需复杂的预处理。

优选地，预处理单元包括预处理管路和样水缓存池，预处理管路的进水管路、出水管路和溢流管路上均设有一个调压阀，进水管路和出水管路连通后，样水所经过的管道上依次设有压力表和过滤器，溢流管路与过滤器的出口管道连通。

预处理单元中包含与进水管路相连的采样泵、由PVC管路和接头所组成的进出水管路和溢流管路，另外在管路中还装有可以调节压力的调压阀、可以实时显示压力的压力表和可以将被测样水进行粗过滤的管道过滤器。

优选地，经过过滤器过滤的样水流入到样水缓存池内，样水缓存池内设有待测水样取样口和液位开关，样水缓存池侧面底部的出水管上设有排液阀。

样水缓存池用于存储一定量的待测样水，每次做样前，控制单元启动采样泵，抽取待测样水样，待测污水样品经管道过滤器和预处理管路的调压阀调压后进入样水缓存池，样水缓存池内装有液位开关，当缓存池内液面到达液位开关的高位时，会出发一个电信号给控制单元，控制单元接收到高微信号的信息后会停止采样泵的工作。然后开始检测流程。

预处理存储单元包括调压阀，压力表，管道过滤器、溢流管路、样水缓存箱、液位开关。液位开关和采样泵的启停由控制单元控制。

优选地，进样单元包括分析仪、检测池、蠕动泵和多通道阀，从样水缓存池侧面底部设有排液阀的出水管上流出的待测样水流经多通道阀，经过管道上的蠕动泵作用，泵入到检测池内，分析仪对检测池的待测样水进行分析。

优选地，进样单元的多通道阀包含六个独立的开关阀，分别控制六种水样的流通，这六种水样分别是待测水样、标准液1、标准液2、质控样1、质控样2和去离子水。

标准液主要用于标定和校准，质控样主要用于核查设备的准确性，去离子水主要用于清洗检测流路。

优选地，检测单元包括X射线管、被测样品、X射线聚焦光学元件和X射线探测器，被测样水检测窗内放置有被测样品，X射线管发出的X射线照射在被测样品上，X射线经过X射线聚焦光学元件被X射线探测器接收。

X射线管经过5万伏高压激发出一次荧光，一次荧光经调整光路汇聚到被测样品检测窗，被测样品检测窗内样水中各元素被激发出二次荧光，二次荧光经X射线聚焦光学元件调整光路汇聚到检测单元的X射线探测器。

其检测原理：X射线是一种波长较短的电磁辐射通常指能量范围在0.1-100KeV的光子。用高能电子照射样品时，入射电子被样品元素中的电子减速，产生宽带连续X射线谱。如果入射光线为X射线，样品中元素内层电子受其激发可能产生特征X射线，为二次X射线或X射线荧光(XRF)。通过分析样品中不同元素产生的荧光X射线的波长(或能量)和强度，可获得样品中元素的组成与含量信息，达到定性和定量分析的目的。

优选地，检测单元位于检测池内，控制单元控制蠕动泵定速正转将待测样水源源不断得均匀的送至检测单元。保证检测单元的被测样水检测窗中始终充满被测样水。

优选地，X射线源经处理后汇聚到检测单元的被测样水检测窗，激发被测样水检测窗内的待测水样中的各种元素发出其特征荧光，这些荧光经过处理汇聚到X射线探测器上。X射线探测器将所接收的荧光信号转化成电信号，传送给控制单元。

优选地，控制单元将X射线探测器提供的电信号根据设定的公式转化为所需监测元素的浓度值，并显示在触摸屏上。

优选地，控制单元启动X射线发生装置，将电压逐渐升到直流5万伏并进行预热。以便产生X射线。

每次检测开始时，系统控制单元启动X射线管，将电压逐渐升到直流5万伏保持并进行预热，然后控制单元启动预处理单元的采样泵抽取待测水样到样水缓存池，当液面到达液位开关的高位时，控制单元接收到液位开关的高位电信号，关闭采样泵打开进样单元的蠕动泵和去离子水阀抽取去离子水，对进样管路进行清洗，三分钟后关闭去离子水阀，启动待测样水阀，抽取样水缓存池内的待测样水，然后开始检测流程，检测单元开始检测并将检测到的信号传输给控制单元，检测单元与控制单元通过导线连接，传输的是脉冲信号；一段时间后，控制单元根据对脉冲信号的计算处理，得出浓度值，将数值传输给用户界面并显示，并将信号传输给无线通讯单元，然后无线通讯单元将数值通过无线通讯的方式传输至网络平台，供他人联网查看。分析单元与用户界面以及无线通讯单元之间采用RS/232的方式通讯，无线通讯单元与网络平台采用GPRS的方式进行通讯。

3.有益效果

(1)本发明包括进样单元和检测单元，还包括预处理单元和控制单元，待测污水样品依次流经预处理单元、进样单元、检测单元和控制单元，控制单元分别与预处理单元、进样单元、检测单元中的各元件连接，具有不间断实时采样、无需加入其他药剂，直接检测，结构简单易于维护等有点，实现了更加精确检测废水中重金属的含量；

(2)本发明预处理单元中包含与进水管路相连的采样泵、由PVC管路和接头所组成的进出水管路和溢流管路，另外在管路中还装有可以调节压力的调压阀、可以实时显示压力的压力表和可以将被测样水进行粗过滤的管道过滤器；

(3)本发明的进样单元的多通道阀包含六个独立的开关阀，分别控制六种水样的流通，这六种水样分别是待测水样、标准液1、标准液2、质控样1、质控样2和去离子水；标准液主要用于标定和校准，质控样主要用于核查设备的准确性，去离子水主要用于清洗检测流路；

(4)本发明入射光线为X射线，样品中元素内层电子受其激发可能产生特征X射线，为二次X射线或X射线荧光(XRF)；通过分析样品中不同元素产生的荧光X射线的波长(或能量)和强度，可获得样品中元素的组成与含量信息，达到定性和定量分析的目的；

(5)本发明检测单元位于检测池内，控制单元控制蠕动泵定速正转将待测样水源源不断得均匀的送至检测单元；保证检测单元的被测样水检测窗中始终充满被测样水，以便检测；

(6)本发明控制单元根据对脉冲信号的计算处理，得出浓度值，将数值传输给用户界面并显示，并将信号传输给无线通讯单元，然后无线通讯单元将数值通过无线通讯的方式传输至网络平台，供他人联网查看；

(7)本发明的控制单元启动X射线发生装置，将电压逐渐升到直流5万伏保持并进行预热，以便产生X射线。

附图说明

图1为与处理单元示意图；

图2为进样单元示意图；

图3为检测单元示意图；

图4为本发明的整机结构示意图。

图中标号说明：

101、调压阀；102、压力表、103、过滤器；104、待测样水取样口；105、液位开关；106、排液阀；201、分析仪；202、检测池；203、蠕动泵；204、多通道阀；301、X射线探测器；302、X射线聚焦光学元件；303、X射线管；304、被测样品；305、被测样水检测窗。

具体实施方式

为进一步解释本发明的内容，下面结合实施例对本发明作详细描述。

实施例1

结合图1-4，一种基于X射线荧光技术的污水重金属在线监测设备，包括预处理单元、进样单元、检测单元和控制单元，水样依次流经预处理单元、进样单元、检测单元，这三个单元中各元件的动作均由控制单元来控制。

设备在正常工作状态下，X射线管经过5万伏高压激发出一次荧光，一次荧光经调整光路汇聚到被测样品检测窗，被测样品检测窗内样水中各元素被激发出二次荧光，二次荧光经调整光路汇聚到检测单元的探测器。检测单元将探测器所检测到的信号进过分析后转化为待测元素的浓度值传送给控制单元将其显示在触摸屏上。本设备可以直接实现实时在线准确监测，检测时水样的取样量大，数据有代表性，无需额外添加药剂，不会对环境产生二次污染，设备结构简单可靠，无需复杂的预处理。

实施例2

本实施例的一种基于X射线荧光技术的污水重金属在线监测设备，与实施例1类似，不同之处在于，预处理单元包括预处理管路和样水缓存池，预处理管路的进水管路、出水管路和溢流管路上均设有一个调压阀101，进水管路和出水管路连通后，样水所经过的管道上依次设有压力表102和过滤器103，溢流管路与过滤器的出口管道连通。

预处理单元中包含与进水管路相连的采样泵、由PVC管路和接头所组成的进出水管路和溢流管路，另外在管路中还装有可以调节压力的调压阀101、可以实时显示压力的压力表102和可以将被测样水进行粗过滤的管道过滤器103。

实施例3

本实施例的一种基于X射线荧光技术的污水重金属在线监测设备，与实施例1类似，不同之处在于，经过过滤器过滤的样水流入到样水缓存池内，样水缓存池内设有待测水样取样口104和液位开关105，样水缓存池侧面底部的出水管上设有排液阀106。

样水缓存池用于存储一定量的待测样水，每次做样前，控制单元启动采样泵，抽取待测样水样，待测污水样品经管道过滤器103和预处理管路的调压阀101调压后进入样水缓存池，样水缓存池内装有液位开关105，当缓存池内液面到达液位开关105的高位时，会出发一个电信号给控制单元，控制单元接收到高微信号的信息后会停止采样泵的工作。然后开始检测流程。

预处理存储单元包括调压阀101，压力表102，管道过滤器103、溢流管路、样水缓存箱、液位开关105。液位开关105和采样泵的启停由控制单元控制。

实施例4

本实施例的一种基于X射线荧光技术的污水重金属在线监测设备，与实施例1类似，不同之处在于，进样单元包括分析仪201、检测池202、蠕动泵203和多通道阀204，从样水缓存池侧面底部设有排液阀106的出水管上流出的待测样水流经多通道阀204，经过管道上的蠕动泵203作用，泵入到检测池202内，分析仪201对检测池202的待测样水进行分析。

实施例5

本实施例的一种基于X射线荧光技术的污水重金属在线监测设备，与实施例1类似，不同之处在于，进样单元的多通道阀204包含六个独立的开关阀，分别控制六种水样的流通，这六种水样分别是待测水样、标准液1、标准液2、质控样1、质控样2和去离子水。

标准液主要用于标定和校准，质控样主要用于核查设备的准确性，去离子水主要用于清洗检测流路。

实施例6

本实施例的一种基于X射线荧光技术的污水重金属在线监测设备，与实施例1类似，不同之处在于，检测单元包括X射线管303、被测样品304、X射线聚焦光学元件302和X射线探测器301，被测样水检测窗305内放置有被测样品304，X射线管303发出的X射线照射在被测样品304上，X射线经过X射线聚焦光学元件302被X射线探测器301接收。

其检测原理：X射线是一种波长较短的电磁辐射通常指能量范围在0.1-100KeV的光子。用高能电子照射样品时，入射电子被样品元素中的电子减速，产生宽带连续X射线谱。如果入射光线为X射线，样品中元素内层电子受其激发可能产生特征X射线，为二次X射线或X射线荧光(XRF)。通过分析样品中不同元素产生的荧光X射线的波长(或能量)和强度，可获得样品中元素的组成与含量信息，达到定性和定量分析的目的。

实施例7

本实施例的一种基于X射线荧光技术的污水重金属在线监测设备，与实施例1类似，不同之处在于，检测单元位于检测池202内，控制单元控制蠕动泵203定速正转将待测样水源源不断得均匀的送至检测单元。保证检测单元的被测样水检测窗中始终充满被测样水。

实施例8

本实施例的一种基于X射线荧光技术的污水重金属在线监测设备，与实施例1类似，不同之处在于，X射线源经处理后汇聚到检测单元的被测样水检测窗305，激发被测样水检测窗305内的待测水样中的各种元素发出其特征荧光，这些荧光经过处理汇聚到X射线探测器301上。X射线探测器301将所接收的荧光信号转化成电信号，传送给控制单元。

实施例9

本实施例的一种基于X射线荧光技术的污水重金属在线监测设备，与实施例1类似，不同之处在于，控制单元将X射线探测器301提供的电信号根据设定的公式转化为所需监测元素的浓度值，并显示在触摸屏上。

实施例10

本实施例的一种基于X射线荧光技术的污水重金属在线监测设备，与实施例1类似，不同之处在于，控制单元启动X射线发生装置，将电压逐渐升到直流5万伏保持住，并进行预热。以便产生X射线。

实施例11

本实施例的一种基于X射线荧光技术的污水重金属在线监测设备，与实施例1-10中任一个技术方案相同，该设备的工作流程分为以下几步：

1.待测样水的定压抽取和储存：待测污水样品经采样泵和预处理管路调压后进入样水缓存池内，样水缓存池用于储存一定量的待测液体，样水缓存池内装有液位开关105，当缓存箱内液面到达液位开关105的高位时，会出发一个高位电信号给控制单元，控制单元接收到液位开关105的高位电信号的信息后会停止采样泵的工作。然后开始检测流程。

2.样水的检测过程：多通道阀204中的待测样水阀打开，蠕动泵203定速正转工作将待测样水源源不断得均匀的送至检测单元，保证检测单元的被测样水检测窗305中始终充满被测样水，连续采样时间设置为50分钟，采样总量大约3.5升。

3.X射线源经处理后汇聚到检测单元的被测样水检测窗305，激发被测样水检测窗305内的待测水样中的各种元素发出其特征荧光，这些荧光经过处理汇聚到X射线探测器301上。X射线探测器301将所接收的荧光信号转化成电信号，传送给控制单元。

4.控制单元将X射线探测器301提供的电信号根据设定的公式转化为所需监测元素的浓度值，并显示在触摸屏上。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的步骤并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的步骤方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。