[发明专利]一种以单个UV-LED为光源的紫外荧光三信号水质传感器及应用

说明书

技术领域

本发明涉及环境监测和水处理领域，具体涉及一种以单个UV-LED为光源的紫外荧光三信号水质传感器及应用。

背景技术

溶解性有机物的组成和性质，对强化混凝、膜过滤、高级氧化、吸附与离子交换等工艺的处理效果均具有重要影响。溶解性有机物，特别是蛋白类和腐殖质类物质，是氯化消毒工艺中消毒副产物的重要前驱体，因此在水处理过程中，溶解性有机物是重要的监测对象。

现有的水处理工艺，通常以设定的参数进行程序化地运行。由于水质存在波动，各种水处理工艺的运行参数难以根据实际情况及时做出调整，存在药剂、能源和材料的过度消耗或不足的问题。近年来，物联网、云计算和工业4.0等概念正在改变着人们的生活和生产方式，而传感器是实现这些概念的重要前端环节之一。现有的水处理工艺迫切需要一种灵敏、快速、高效、经济、简易的在线有机物监测装置，为现有水处理工艺和装备地自动化控制通过传感器提供负反馈信号。

目前对水体中溶解性有机物进行监测分析的常用方法与指标主要包括：化学需氧量(chemicaloxygendemand，COD)、总有机碳(totalorganiccarbon，TOC)、紫外光谱、荧光光谱。与COD和TOC方法相比，光谱法无需化学试剂，且快速、灵敏、方便，更适合为水处理系统的自动化控制提供在线负反馈信号。

目前一些特定波长的紫外吸收值，如254nm(简称UV254)，已列入美国环境保护局水与废水检测标准方法(EPASM5910B)，作为反映水体中有机物相对浓度和芳香性的替代性指标而被广泛运用。之所以选用254nm波长，是因为早期紫外光谱仪采用低压汞灯为光源，其中一条主射线在254nm附近。目前采用紫外光谱法的溶解性有机物在线监测产品和专利主要采用UV254吸光度指标(比如专利文献——一种投入式紫外吸收在线分析仪，申请号：201110106617.8)，其光源普遍采用寿命较长的脉冲氙灯，但仍存在体积大、能耗高、需要分光和散热构造等问题。

相对于氙灯，深紫外LED具有单色性好、体积小、能耗低和发光效率高等优点。目前商业化比较成熟的深紫外LED有265±5nm，280±5nm和310±5nm等系列波段。基于现有理论与技术，随着LED波长越低，其芯片需要掺杂更多的铝元素，成品率、发光效率和使用寿命也随之降低，同时产热量急剧升高。选用254nm附近的LED作为光源同样会存在效率、寿命、散热和价格问题。

由于水体中蛋白类和腐殖质类物质所固有的荧光特性，近年来三维荧光光谱(excitationemissionmatrix，EEM)在对各类水体中溶解性有机物的表征方面得到广泛运用。根据三维荧光光谱，合理选择荧光光谱指标，即激发波长与发射波长参数，是实现荧光法在线应用的关键。关于三维荧光光谱中荧光峰的解释，传统观点错误地认为不同激发/发射波长的荧光峰来自于不同的物质。我们前期的研究表明激发波长不同而发射波长相同的荧光峰反映相同的物质，因此对于发射波长相同的荧光峰只需要选择一个激发波长即可。通常情况下，根据发射波长的位置，可以区分蛋白类物质和腐殖质类物质。我们前期的发明中，提出了一种以LED发光二极管为光源的紫外荧光双信号水质监测装置及其应用方法(申请号201410502662.9)，但为实现探测蛋白类和腐殖质类荧光，需要采用两个不同的LED作为光源，而光源的不统一，往往会造成检测的不必要的误差。

发明内容

1.要解决的技术问题

针对现有技术中存在的针对水质检测中紫外吸收分析设备往往体积较大而不方便携带、成本高和多光源存在不必要误差的问题，本发明提供了一种以单个UV-LED为光源的紫外荧光三信号水质传感器。它综合利用紫外的普适性和荧光法的选择性和灵敏性，可以实现对水体中溶解性有机物总体浓度变化的监测，同时可以反映蛋白类或腐殖质类等荧光组分浓度的变化，为水处理提供一种灵敏、快速、高效、经济、简易但信息丰富的在线监测装置。

2.技术方案