[發明專利]一種在線測定水中顆粒物孔隙復雜程度的方法

有效

• 申請號: 202010425346.1
• 申請日: 2020-05-19
• 公開（公告）號: CN111537420B
• 公開（公告）日: 2023-04-07
• 發明（設計）人: 王毅力;張達鑫;李俊儀;樊曉陽;高詩卉;李恩銳;韓志博
• 申請（專利權）人: 北京林業大學
• 主分類號: G01N15/08
• 分類號: G01N15/08;G01N27/02;G01N27/26
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本發明公開了一種在線測定水中顆粒物孔隙復雜程度的方法，屬于環境保護技術領域，旨在解決現有方法難以滿足實際在線控制需求等問題。本發明利用連接有電導電極的電化學阻抗儀對顆粒物懸濁液進行實時頻率掃描，以掃描過程中阻抗反饋信號形成的顆粒物譜維數dsubgt;s/subgt;表征顆粒物孔隙復雜程度，假設掃描過程中電子在孔隙中是隨機行走的，同一個電子在同一個位置上出現的概率與顆粒物阻抗反饋信號的譜維數dsubgt;s/subgt;直接關聯。dsubgt;s/subgt;越大，意味著電子出現在孔隙同一位置的概率越小，對應著孔隙結構越復雜。本發明在測試時無需對樣品進行特殊處理，僅將電極探頭插入待測顆粒懸浮液進行頻率掃描，且設備維護相對簡單，更能滿足水中顆粒物實時分析控制的需求。

所屬技術領域

本發明涉及的是一種在線測定水中顆粒物孔隙復雜程度的方法，屬于環境保護技術領域。

背景技術

水中顆粒物(如活性污泥等)孔隙的復雜程度對顆粒物的吸附、過濾等過程有著顯著影響，也關系到水中污染物的遷移和轉化。因此，實時確定水中顆粒物的孔隙復雜程度對這些過程的控制有著重要意義。目前表征水中顆粒孔隙的方法主要有比表面積測定法，顯微圖像法及電子計算機斷層(CT)掃描法等。其中比表面積測定法是通過將氣體(如氮氣)或非浸潤液體(如汞)壓入顆粒物的孔隙中，以觀測孔結構，獲取比表面積、孔徑分布等特征參數。顯微圖像法及CT掃描法則是通過成像來反映孔結構的特征參數。然而，這些方法在測定中樣品的制備過程較為復雜，難以實現在線測試，且測試過程所涉及的儀器較為昂貴，限制了其在實際工業中的應用。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷，本發明提供了一種在線測定水中顆粒物孔隙復雜程度的方法，其目的是繞過現有方法的不足，利用連接有探頭的電學設備對水中顆粒物進行實時頻率掃描獲取阻抗反饋信號，并計算掃描過程中顆粒物阻抗反饋信號的譜維數d_s，以此表征顆粒物的孔隙復雜程度。

本發明可通過如下技術途徑實現：

包括，用連接有電導電極的商業電化學阻抗儀對顆粒物懸濁液進行實時頻率掃描，并假設掃描過程中電子在顆粒物的孔隙中是隨機行走的，同一個電子在同一個位置上出現的概率與顆粒物阻抗反饋信號的譜維數d_s直接關聯。d_s越大，意味著電子在孔隙中運動軌跡越無序，運動路徑越復雜，出現在孔隙同一位置的概率越小，對應著顆粒物的孔隙結構越復雜。

進一步地，d_s的確定包括如下步驟：

(1)在測試時無需對樣品進行特殊處理，僅將電極探頭插入待測顆粒懸浮液進行頻率掃描以獲取懸浮液的阻抗實部、虛部及復阻抗模量，對復阻抗模量進行校正，并計算出校正后復阻抗模量突變的臨界頻率；

(2)以臨界頻率及其所對應的校正后的復阻抗模量為起始端點，對頻率-校正后的復阻抗模量曲線做傅里葉變換，得到變換后的時間域及阻抗信號的振幅；

(3)對所得時間域-阻抗信號振幅曲線做逆傅里葉變換，得到頻率域及阻抗信號振幅的平方；

(4)根據頻率與阻抗信號振幅平方的無標度模型計算出顆粒物的譜維數。

特別是，子步驟(1)中所述顆粒物懸濁液樣品的濃度范圍為1mg/L-100g/L，測定時溫度保持恒定，電化學阻抗儀施加的正弦電壓范圍為1-1000mV，掃描頻率范圍為0.1Hz-10MHz。所述復阻抗模量的校正方法為，校正后的復阻抗模量等于每個掃描頻率下對應的復阻抗模量減去最高頻率下的復阻抗模量。所述臨界頻率為校正后的復阻抗模量的對數值由近似恒定轉變為隨頻率的對數值增加而下降的相關頻率點，其計算式為：