快速硝氮在線監測儀的技術原理及其應用

一、        檢測硝氮中的意義和作用

硝酸鹽和亞硝酸鹽在水系統、污水和食物中很常見。在水生生態系統中，它們以低濃度存在對生物的生長和發育是有益的。當濃度超過安全水平時，這些化合物會帶來各種健康風險。由于它們對環境和生物具有高度毒性，有必要確定并監測其在水、污水和食物中的含量。

水生系統中少量存在的硝酸鹽能促進水生植物和生物的生長。硝酸鹽的過量積累（僅次于磷酸鹽），超過水生生態系統中養分的安全限值，會導致植被失控生長，從而促進富營養化。隨后，氧氣儲備被耗盡，水生生物死亡，水生環境發生不可逆轉的變化。硝酸鹽廣泛用于礦物肥料和食品防腐劑，通常進入水體、土壤和廢水。它們會從土壤中滲出，因此可能污染地下水和地表水。根據世衛組織的建議，假定飲用水中硝酸鹽的最大允許水平不應超過 44 毫克/千克。當人體內硝酸鹽含量超過這一水平時，會引發嚴重的健康問題，尤其是消化系統方面的問題。在低 pH 條件下，這些化合物可以與二級和三級胺反應，產生致癌化合物，如 N-亞硝基化合物（?zdestan, üren 2010；Bryan et al. 2012）。研究表明，高水平的膳食硝酸鹽會引起高鐵血紅蛋白血癥，即嬰兒藍癥，這對小兒童尤其有威脅（Gladwin et al. 2009；Cassidy, duGGan 2015）。硝酸鹽能夠不可逆地將血紅蛋白氧化成高鐵血紅蛋白，從而阻礙氧氣運輸機制，導致死亡。這些化合物被認為是導致腎臟疾病高風險的可能因素（MirMiran et al. 2016）。控制水和食品中硝酸鹽水平正成為一個優先問題，因此對樣品中的硝酸鹽進行測定是需要的。包括分光光度法（Miranda 2001）、化學發光法（He et al. 2007）、熒光光度法（Huang et al. 2000）、色譜法（Campanella et al. 2017）、電化學分析（Liangyun Yu et al. 2015）和流動注射法（Baomin Liu et al. 2016）。

二、        檢測硝氮的幾種技術原理

硝氮檢測的方法包括分光光度法、熒光光度法、色譜法、電化學分析和流動注射法

1.       紫外分光光度法

此技術用于篩選有機物含量低的樣品，即未被污染的天然水和飲用水供應。NO3 的校準曲線在 11 mg N/L 以內遵循比爾定律。在 220 nm 測量紫外吸收可快速測定 NO3 。由于溶解性有機物也可能在 220 nm 吸收，而 NO3 在 275 nm 不吸收，因此可在 275 nm 進行第二次測量以校正 NO3 數值。該經驗性校正的程度與有機物的性質和濃度有關，并可能因水體不同而有所差異。因此，如果需要對有機物吸光進行顯著校正，不推薦使用此方法，盡管它在監測具有恒定類型有機物的水體中的 NO3 水平時可能有用。可通過添加法結合另一方法分析原始 NO3 含量來建立有機物吸光的校正因子。樣品過濾旨在去除可能來自懸浮顆粒的干擾。用 1N HCl 酸化是為了防止氫氧化物或碳酸鹽濃度高達 1000 mg CaCO3/L 時的干擾。氯化物對測定沒有影響。

2.       流動注射法

樣品中的硝酸鹽通過讓樣品通過銅化鎘柱被定量還原為亞硝酸鹽。然后，通過對亞硝酸鹽進行重氮化（使用磺胺酰胺），隨后與N-(1-萘基)偶合，測定生成的亞硝酸鹽及樣品中原有的亞硝酸鹽總量。生成的水溶性染料呈品紅色；在540 nm處的吸光度與樣品中的硝酸鹽加亞硝酸鹽含量成正比。該總量也稱為總氧化氮（TON）。單獨測定亞硝酸鹽可以通過移除鎘柱、重新校準方法并重復樣品分析來實現。對于一組樣品，也可以同時運行TON和亞硝酸鹽的流動注射分析（FIA）方法。在這種情況下，可將亞硝酸鹽方法測得的濃度從TON方法測得的相應濃度中減去，以得到樣品的硝酸鹽濃度。另請參見第4500-NO2節和第4130節，流動注射分析（FIA）。

3.       電化學法

NO3 離子電極是一種選擇性傳感器，它在一層薄的、多孔的、惰性膜上產生電位，該膜固定了一種不與水混溶的液體離子交換劑。電極對約 10? 到 101 M（0.14 到 1400 毫克 NO3-N/L）范圍內的 NO3 離子活性作出響應。檢測下限由液體離子交換劑雖小但有限的溶解度決定。

三、 基于離子選擇電極法的硝氮檢測

在硝氮檢測的幾種技術原理中，基于ISE方法的硝氮檢測傳感器具有檢測下限低、靈敏度高、體積小和功耗低的優點，相比于其他檢測方法更適合做硝氮傳感器。因此杭州安瀾傳感的AL4080采用ISE方法為技術路線。

溶液中的硝氮（NO3-N）的濃度是一般就是NO3-離子的濃度。根據能斯特定律

四、 杭州安瀾創安的AL4080硝氮水質傳感器的優點

基于多參數離子選擇電極，應用硝酸鹽、氯離子、pH和溫度以及參比電極共同完成硝氮的測量。矩陣校準算法，可消除水樣中其他離子的交叉干擾，并自動修正溫度對硝氮測量值的影響。幾個參數同時測量，應用矩陣校準，可同時消除水樣中其他離子的交叉干擾，并自動修正pH和溫度影響。可原位測量，使用中無需試劑、無需預處理、響應速度快、功耗低。外殼采用耐腐蝕不銹鋼材料，防水等級IP68。適用于地表水、水處理、水產養殖、工業過程等行業的氨氮在線測量。

產品采用一體式電極座，防水等級IP68，耐腐蝕殼體，具有RS485通訊接口，標準MODBUS協議，便于集成和組網和組網。附送WQS-SUTIE上位機調測軟件，可對產品進行參數設置、校準、測量和故障診斷等功能。

•一體式電極，多參數相互進行矩陣修正，測量準確度高；

•        原位測量，無需試劑和預處理，維護工作量低；

•     響應時間＜60秒，實時反映硝氮濃度變化；

•        傳感器膜頭可更換，降低使用成本；

•        內置故障自診斷功能，保證數據準確；

•        出廠預校準，內置校準系數，可隨時恢復出廠校準參數；

•        傳感器接口具有錯接和反接保護功能；

五、 AL4080硝氮水質傳感器的應用領域

1.       污水處理行業

傳感器被重點部署在污水廠的曝氣池和脫氮工藝段，通過實時監測硝氮濃度，可以精確控制曝氣強度和碳源投加量，既能保證出水達標，又能顯著降低電耗和藥劑成本

2.       供水行業

在湖泊、水庫、地下水等飲用水源地，傳感器用于24小時連續監測硝酸鹽含量。一旦上游發生農業徑流污染或工業偷排，可立即預警，保障自來水廠取水安全

3.       食品加工

雖然主要形式為在線傳感器，但ISE原理也被用于實驗室檢測。研究證實其能有效檢測香腸、培根等肉制品中的亞硝酸鹽殘留，幫助確保成品中的添加劑含量低于200 mg/L的國標限值，預防有害物質生成

4.       環境保護

地表水污染排查，用于河流、湖泊的現場快速檢測，幫助環保人員迅速鎖定“問題"河段，評估水體富營養化風險。農業面源污染監測：通過監測降雨形成的徑流水和農田退水中的硝氮濃度，可以測算農田化肥流失量，為農業面源污染治理提供關鍵數據支撐

5.       農業領域

在農業上，該技術是實現數字化、精準化種植的核心工具之一。精準農業（土壤監測）：相比于傳統的取樣實驗室檢測，ISE傳感器能夠埋在土壤中實時監測硝態氮的動態變化。這能指導農民在作物最需要的時候按需施肥，既能提高肥效，又能減少多余硝酸鹽淋失到地下水中。現代園藝（無土栽培）：在水培、溫室等現代化種植中，營養液的管理至關重要。ISE傳感器被集成到循環系統中，用于實時調控A、B肥的配比，確保植物在整個生長期都能獲得恰到好處的氮源

6.       水產養殖

在循環水養殖系統中，魚類代謝會產生氨氮，氨氮在硝化作用下轉化為亞硝酸鹽和硝酸鹽。雖然硝酸鹽毒性相對較低，但濃度過高仍會影響魚類生長將ISE傳感器集成到養殖池的循環水管道中，實時反饋硝氮濃度的變化。

六、 AL4080硝氮水質傳感器的校準