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极谱法 H2S 微传感器

水中H2S和总硫化物检测


H2S微传感器 是一款设计用来对水中H2S / 硫化物进行原位检测的极谱法传感器。传感器可直接应用在湖泊、河口、河流、海洋水体中,同样也可以在排污管、废水和沉积物溶液的测量中使用。

基本原理

由于水中溶解的H2S分压与传感器中不同,因此可通过膜渗透作用进行分离。滤膜仅允许气体通过,因此溶液、离子和固体均无法到达传感器内部。传感器内部包含:带有氧化还原催化剂的缓冲溶液(= 氧化还原介体)和3个电极。在电极上施加极化电压用来确定氧化还原介体中氧化和还原组分的浓度比例。

当H2S通过滤膜,首先会与缓冲液发生化学反应,而后反应产物会在工作电极端被氧化。由于极化电压的存在,系统此时会自动调整浓度比例至原始状态。这样,系统产生的电流则与所测样品中溶解H2S相关。

与离子电极测量硫化物的离子强度不同,极谱法传感器测量的直接是H2S的浓度。此外,极谱法传感器中的电流会导致分析样品的一个急速减少,因此反应时间也非常短。相反,离子电极法并不适合浓度变化较大的测量,因为其需要较长时间样品稀释而后才可在固态电极上得到一个稳定电压。

由于H2S的解离与pH有很大相关性,微传感器适用的pH范围是0 – 8.5。如果样品pH大于8.5,则水体中H2S浓度可忽略(<总硫化物的2%),则传感器使用受限。总硫化物(= 溶解态H2S+ HS-+ 硫化物)的浓度可通过pH相关的酸碱组分关系(下图)进行简单计算得出。


图1 pH相关的酸碱组分图

技术参数

Technical Parameters


测量原理:极谱法,膜覆盖传感器
预热时长:5 – 15 分钟
无需搅拌、冲洗
极小的样品消耗
浓度范围:- type I: 0.05 – 10 mg/L H2S
                - type II: 0.5 – 50 mg/L H2S
                - type III: 0.01 – 3 mg/L H2S
其他需定制
准确度:测量值的2%
温度范围:0 – 30 ℃
pH范围:0 – 8.5
反应时间:t90% 小于200 ms
平均寿命:5 – 9 个月(据H2S浓度和溶液类型)
压力稳定性:10 bar
信号等同物:SO2 (pH < 4): 100 ppm SO2 = 1 ppm H2S
检测溶液盐度可达40 g/L
以下情况存在则无信号:
      CO2(最大25.38%),甲烷(最大5.78%),氢气(最大0.544%),氨(最大1000 ppm(v)),一氧化碳(最大92 ppm(v)),CS2(最大5%),有机溶剂(最大20%),乙酸(最大92 ppm(V)),二甲基硫醚,HCN


极谱法 H2S 微传感器

技术优势

Technical Advantage


微传感器技术的优势:

极谱法H2S的制造选用了特殊的几何图形从而做成了真正的微型传感器。电极直径小于25 μm,半透膜非常薄,H2S扩散至工作电极的距离极其短,电极上的分析物消耗可忽略不计,以上几点最终实现了测量反应时间(t90%)小于200 ms。分析物消耗效应也可忽略不计,因此搅拌和冲洗滤膜也无必要。另外,传感器端尺寸外延,可在测量时防止内部组件破坏,这对在沉积物溶液或生物膜测量时尤为重要。


极谱法H2S微传感器与其他测量方法的比较:

除离子电极法外,极谱法微传感器是唯一可对H2S进行原位测量且无需采样的方法。此外,亚甲蓝光度法作为光谱分析法也常用在H2S的检测中,但并不适用于原位分析。

亚甲蓝光度法适用的溶液浓度范围为0.06 – 1 mg/L,范围较小。另外,此方法并不适合测量浑浊水体,且标准偏差在5 – 10%则认为是不可接受的。有时,几组同样使用亚甲蓝光度法的对照实验所得出的结果也很令人不满意。多数情况下,一些实验过程中很难避免的错误会导致严重的结果偏差。事实上,测定过程中需要添加强酸,这将导致pH值下降和一部分重金属硫化物的分解,这将导致所测得的总硫化物浓度偏高。因为在分析溶解态硫化物和H2S潜在危险的时候,重金属硫化物是不需要考虑在内的,因此亚甲蓝法在测定总硫化物浓度方面是存在严重问题的。新发展的分光光度法也同样无法解决这个问题,因为采样、添加强酸和稀释等步骤在实验中是一直存在的。当测量污水时,此方法还有另一个缺点,即洗涤剂和硫氧化物(如Na2S2O3)会对分析结果产生潜在影响。

离子电极法(ISE)同样存在诸多缺点。测量信号取决于离子强度而非离子浓度。使用离子电极法,适用pH值范围在11 – 14,在pH值小于11时,溶解态硫化物浓度占总硫化物浓度小于1%,且随着pH值减小而急速降低。除此之外,参比电极隔膜处也可能产生扩散势。运用能斯特方程时,1 mV扩散势将导致8%的偏差。由OH-和H+高频迁移产生的酸碱溶液扩散势可达10 mV,因此可能导致严重结果错误。此外,离子从高浓度到低浓度需要相当长的时间,因为与极谱法相比,伏安电极并不消耗分析物来实现快速响应。因此,只有较长时间和仔细地使用低浓度样品反洗才可以保证稳定的电势。另外,在硫化物溶液中激活电极耗时较长。

使用极谱法为传感器时,以上所述缺点均可避免。首先,pH值适用范围为0 – 8.5,因此不仅可以直接在湖泊、河流和海洋中直接测量,也同样可以适应高酸度的褐煤湖泊。其次,得益于其微小的设计,传感器的样品消耗量是非常小的,且无需冲洗滤膜和搅拌溶液。另外,无需像ISE电极一样针对硫化物溶液进行调节。极谱法为传感器的响应时间可比肩任何商用离子电极。检出限在3 µg/L,分辨率可达2 µg/L。而ISE电极浓度范围约在50 – 100 µg/L。

表1. 亚甲蓝法和极谱法微电极比较
项目; 亚甲蓝法 极谱法微电极
测量物质 溶解H2S,溶解硫化物和硫化氢离子;可能掺杂重金属硫化物(添加强酸导致) 溶解H2S;根据pH可计算 总硫化物(H2S+HS-+S2-
测量样品 清澈无色溶液、无漂浮固体 清澈、浑浊、有色、和污浊样品,高盐度样品
准确度 ± 5 - 10% ± 1%
浓度范围 0.1 - 1 mg/L,其他浓度范围仅可通过稀释完成测量 type I: 0.05 – 10 mg/L H2S
type II: 0.5 – 50 mg/L H2S
type III: 0.01 – 3 mg/L H2S
检出限 0.04 - 0.06 mg/L 0.002 mg/L
分辨率 据测量范围,0.1 - 1 mg/L:50 µg/L 据传感器类型,最低1 µg/L
实际信号分辨率 最小溶液量20 - 50 mL分辨率稳定 高分辨率,最小1µL
信号等同物和问题 有色溶液、固体、浑浊溶液、高盐度溶液、洗涤剂、硫代硫酸盐 SO2 (pH < 4): 100 ppm SO2 = 1 ppm H2S
化学品消耗 N,N-Dimethyl-p-phenediammin(DMPD,剧毒!),FeCl3用于氧化,通常卤化Cd或卤化Zn用于转化样品 无化学品消耗
测量1个样品 耗时据测量步骤,在不考虑准备试剂和做标线时间情况下,通常在20 - 120 min (反应和完全显色) 数秒内完成测量
测量准备时间 约15 min 约5 min (电极极化)
是否需要采样
是否可在线测量

传感器类型

Sensor Type


1. 实验室、简单水体应用


实验室、简单水体应用

此传感器被设计用来在实验室和简单水体中测量使用,测量时必须联合测量设备(MS 08)一同使用。传感器包括:钛保护罩,防水连接头(带线缆),IP68,可替换传感器芯,可拆卸保护架。传感器分类:type I(0.05 – 10 mg/L H2S)、type II(0.5 – 50 mg/L H2S)、type III(0.01 – 3 mg/L H2S),其他测量范围需要定制。可替换传感器芯容易拉出和安装,但请注意,在更换时切勿使任何液体接触连接口。




2. 浅水水体应用


浅水水体应用

此传感器被设计用来与CTD系统联用,测量深度可达水下100 m。因此,像其他传感器一样,它配备一个通用传感器接口BH-4-MP。其他包括:钛保护罩,可替换传感器芯。传感器分类:type I(0.05 – 10 mg/L H2S)、type II(0.5 – 50 mg/L H2S)、type III(0.01 – 3 mg/L H2S),其他测量范围需要定制。可替换传感器芯容易拉出和安装,但请注意,在更换时切勿使任何液体接触连接口。

 

传感器配置

sensor configuration


1. 实验室应用:
传感器
+ 测量设备(线缆)
+ pH传感器 + 温度传感器

2. 简单水体应用(最大1 m):
a)传感器
+ 测量设备(线缆)
+ pH传感器 + 温度传感器
b)H2S测量系统,包括:H2S传感器(浅水版),pH、压力(深度)、温度传感器
+ 多核海洋线缆
+ 笔记本或PC
+ 软件

3. 在线原位应用(深度达100 m):
a)H2S测量系统,包括:H2S传感器(浅水版),pH、压力(深度)、温度传感器
+ 多核海洋线缆
+ 笔记本或PC
+ 软件
b)将H2S浅水版传感器连接至已有的测量系统上,系统需配备pH、温度、压力传感器

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