水质阳极伏安法重金属检测仪设计

郑 英,王迷迷,李香菊,张立珍

（东南大学成贤学院，江苏南京,210088）

水质阳极伏安法重金属检测仪设计

郑 英,王迷迷,李香菊,张立珍

（东南大学成贤学院，江苏南京,210088）

本文设计一种采用阳极伏安法对水环境重金属进行检测的仪器。本文分析了伏安法检测原理，设计了硬件电路，软件编程并制作样机。通过该仪器能够检测水环境中的铜、铅、镉、锌等多种重金属的浓度，并对测量数据进行存储和打印。通过对多种重金属进行测试验证，该系统具有灵敏度好、效率高、信息存储量大，友好的人机界面等特点，具有良好的重金属检测功能。

伏安法；重金属检测；样机测试

0 引言

随着人们生活水平的提高，人们越来越重视水的质量。近年来，各种水环境中重金属污染问题日趋加剧已成为不争的事实。江河湖库底质的污染率高达80.1%，太湖是我国第三大淡水湖，2005年的采样分析结果表明，与海洋国家沉积物标准（GB18668-2002）、土壤环境质量国家标准(GB15618-1995)和生态危害临界值（TEL）相比，太湖表层底泥中出现了重金属的复合污染，污染物主要为Cu、Cd、Ni、Zn。饮用水的水质越来越引起人们的关注。

1 伏安法重金属检测系统的工作原理

伏安法重金属检测的原理是阳极溶出伏安法(ASV)。该方法将富集电位加至工作电极，当电极电位超过析出电位，溶液中待测金属离子(Mn+) 还原为金属附着于工作电极表面，如式（2-1）所示：

电位施加时间越长，还原出来富集于电极表面（还原过程亦被称为“电沉积”过程）的金属量越多。当足够的金属富集于工作电极表面时，以一定速率由负到正反扫描，金属将在电极上溶出（氧化过程）如图2-1所示，

对于给定的电解质溶液和电极，每种金属都有特定的发生式（2-2）氧化反应的电位：

该过程释放电子形成电流，测量该电流，电流与电压的关系图即为“伏安图”，根据峰电流或峰面积与待测金属的浓度成正比，计算得出待测样所含金属浓度。不同金属的峰值电流或峰面积如图2-2所示

阳极溶出伏安法的操作主要分三步：富集，静止和扫描（溶出）。首先，溶液中的被测物质在一定电位下被电解富集到工作电极上，静止一会，使被富集的物质在工作电极上分部均匀，以提高分析结果的再现性，然后反向扫描电位，使被测物质快速溶出而获得较大的溶出电流峰。溶出电流峰高在一定的溶度范围内于被测物质的溶度成正比，出现溶出电流峰的电位与被测物质的性质有关。

图1 富集金属还原溶出的金属曲线图2 Zn、Cd、Pb的峰值电流或峰面积

2 水质重金属检测系统的构成

便携式水质重金属检测系统构成如图3-1所示，该系统由手持式测试主机、电极探测装置、蓝牙打印机和PC上位机机软件（可选）组成，其中探测装置包含电极系统和电极台。该检测仪以手持式控制主机为核心，以探测装置为分析测量场所，以附件（包括蓝牙打印机、移液器、电极清洗包、电解液、标准液和电镀液等）为辅助，并可通过USB接口与PC机控制软件进行联机，实现联机测试、数据管理和谱图算法分析等功能。

图3 水质重金属检测系统构成

3 系统软件设计

首先配置空白样，采用阳极溶出伏安法，测定扫描电压下的出峰电压，其次，同样方法，配置标准样，知道标准样的溶度的情况下，测定其峰值电压，再配置一份待测液，根据标准样出峰电压时的扫描电压，系统找出待测液在此扫描电压下的出峰电压。即可推测出待测液的溶度。

图4 伏安法重金属检测仪软件流程图

4 伏安法重金属检测仪样机

重金属检测仪由主机、电极探测装置和检测电极构成。

主机如图5所示，面板上有电源开关按键、清洗按键、确认按键和显示屏。在主机的下面有主机接口，如图6所示，包括电源接口、USB接口和电极探测接口。

图5 仪器主机正面

图6 主机接口

图七是检测探头包括搅拌杆和电极。图8是检测电机

图7 探测头

图8 检测电极

5 小结

本系统通过伏安法对自来水中重金属进行检测，给出了伏安法测量原理，伏安法重金属检测系统设计以及便携式伏安法自来水重金属检测的样机。通过可视界面可以读出重金属的含量。经过实际实验验证，本系统检测准确，测量时间短，能够满足自来水重金属检测指标要求。

[1] 刘德生.环境监测[M]. 化学工业出版社，2001.

[2] 李毅，王银瓶，吝涛等.船载海洋环境重金属检测的电子舌研究[J].传感技术学报，2007，20（001）：32-37

Design of heavy metal detector for anodic stripping voltammetry

Zheng Ying,Wang Mimi,Li Xiangju,Zhang Lizhen
（Southeast University Chengxian College,Jiangsu Nanjing,210088）

This paper designs an instrument for the detection of heavy metals in water by anodic voltammetry.In this paper,we analyze the principle of the detection,design the hardware circuit,the software programming and the prototype.The instrument can detect the concentration of copper,lead,cadmium, zinc and other heavy metals in the water environment,and the measurement data is stored and printed.The system has the advantages of good sensitivity,high efficiency,high efficiency,high information storage capacity, friendly man-machine interface and so on.

voltammetry;heavy metal detection;prototype testing