在线水质分析仪器：发展趋势及前景

根据国际水资源协会的报告,目前全球水资源遇到的七大挑战中,有两项直接与水质相关,一是全球范围内的水质不断下降,二是饮用水的安全问题。全球范围内对环境保护、污水处理、水资源循环利用、饮用水安全保障等领域的关注已经到了无以复加的程度。在线水质分析技术,以其自动化、连续性的特点,在这些领域的应用越来越受重视,这也进一步推动了在线水质分析仪的发展。

从分析技术层面和应用层面,在线水质分析仪的发展主要有以下6个趋势:

(1)更多经典的仪器分析技术将逐渐应用于水质在线仪器

分析技术是制约一台分析仪器分析参数、浓度范围、分析速度、准确性等的最重要因素。在线水质分析仪器从诞生以来,广泛应用的在线水质分析仪使用的分析技术,依然集中在电化学法和紫外-可见吸收光谱法。而还有很多成熟的仪器分析方法,比如原子吸收光谱、原子发射光谱、拉曼光谱、色谱等,从在线仪器化的技术和成本考量,还没有广泛应用。相信随着材料科学的发展,以及在线水质监测需求的进一步扩大,这些分析技术会逐步应用于在线水质分析仪器。比如X射线荧光技术,通常用于固体、液体中常量和微量元素(通常是重金属),但随着技术的突破,单色波长色散X射线荧光技术已经开始应用于水溶液中痕量甚至超痕量元素的分析,制造出基于X射线荧光技术的在线水中重金属分析仪。

(2)微生物分析方法开始进入在线水质分析领域

随着科学技术的发展,在线水质分析技术已经部分攻克了常规理化指标、无机阴离子、重金属、营养盐、有机物综合指标等的检测,现在主要需要攻克的技术难题还有有机污染物和微生物等的检测。微生物,尤其是病原微生物,由于其直接影响人体安全,因此在饮用水、制药、食品饮料等行业,有着非常急迫的需求。而常规检测方法耗时长,无法及时反映水体的生物安全性。目前,对于总细菌、总大肠菌群、粪大肠杆菌等微生物指标,已经有公司开始基于传统的酶底物法进行在线培养并检测,不过分析周期依然很长。一些新的技术正在尝试应用于微生物的在线检测,比如流式细胞术、激光诱导荧光光谱、ATP 荧光技术等,相信很快会有成熟的技术应用于水中微生物的在线检测。

(3)无试剂化的呼声越来越大

当前在线水质分析仪的主要应用领域是环境监测,比如地表水、地下水、海水等自然水体的水质监测,以及污水处理及排放的水质监测。但是目前在线水质分析仪采用的分析技术,大部分都需要用到化学试剂,其中不乏有毒有害试剂。比如在国内使用广泛的采用重铬酸钾消解比色法的在线COD 分析仪,在分析过程中会使用硫酸、重铬酸钾、硫酸汞等试剂。因此,用环境友好的分析方法替代传统的在线分析技术势必成为一种趋势。(www.xing528.com)

(4)海洋环境在线监测将成为热点

继地表水环境监测和污水排放监测后,海洋有可能成为在线水质分析仪在环境监测中的下一个热点应用领域。近年来重大的海洋污染事故时有发生,各国海洋生态环境均面临巨大的压力。提高海洋水质监测能力,为管理方提供基础数据和决策依据成了当前刻不容缓的任务。目前海洋环境监测除了少数国家建有海上浮标在线监测海水水质,包括我们国家在内的大部分国家还是以采用人工采样实验室分析为主。然而,常规的监测分析方法不适用于海水,因为检测海水的传感器/分析仪需要有很强的耐腐蚀能力,并且海洋上无法提供稳定的电源。因此必须采用低功耗的技术,这些都是海洋在线水质监测的技术难题。

(5)在线水质传感器进入民用领域

传统的在线水质分析仪表仪有三大应用领域:流程工业、水工业和环境监测。高昂的价格、专业的运维,以及远低于应用于工业自动化的回报,是在线水质分析仪器进入民用领域的主要障碍。不过这个情况正在慢慢改变。一方面随着材料技术和制造业技术的进步,水质传感器的成本正在迅速降低;另一方面人们逐渐意识到在生活中应用了在线水质分析仪表可以给健康生活带来帮助,因此民用在线水质传感器的需求会越来越大。在家用纯水机、洗衣机、冰箱等,都有一定的应用前景。

(6)用于预测及预警的在线水质分析仪得到迅速发展

水质监测和研究的目的,可以归纳为4个层面:一是掌握水中不同组分(污染物)的浓度水平;二是解析组分特征;三是评价水质安全;四是预测水质转化。目前在线水质分析仪的应用,主要还停留在前两个层面。但掌握了水中某些关键组分或主要污染物的浓度水平和组分特征,往往也不能判断水质是否安全。近年来一些急性毒性测定技术开始应用于水质综合性安全的评价,如发光细菌法、鱼类法。美国环保署还评测过一款专用基于水质指纹技术的饮用水安全评价技术,并在有限范围内开始应用。

从当前掌握的水质组分、浓度特征,预测未来一段时间水质转化趋势,指导人们在当前就做出预防措施以防止可能的水质恶化,这是人们对水质研究的第四层面目的。要实现这一目的,需要有大数据和水质模型算法的支撑。在线水质分析仪器,由于其实时、连续测定的特点,可以提供大量连续的数据,为大数据的应用提供基础;合理的在线监测点位设置,又可以为水质模型提供依据。因此在线水质分析仪的应用,可以帮助我们实现更多以预测和预警为目的的水质监测应用。