화학적 산소요구량(COD)과 탁도(TURB)는 각각 수체 내 환원성 유기물과 현탁물의 함량을 나타내는 수질오염의 중요한 모니터링 지표다.

스펙트럼 분석 방법은 응답이 민감하고 분석 속도가 빠르며 중복성이 좋은데, 그 중 자외선 스펙트럼법은 그 검측 원리가 성숙되어 수중 유기물, 부유물 등 이화 파라미터를 간접적으로 반영할 수 있어 많은 관심을 받고 응용된다.실제 검측에서 탁도 산란은 COD의 자외선 흡수 스펙트럼에 심각한 간섭을 초래하여 스펙트럼법 검측 정밀도에 영향을 줄 수 있다;

자외선 스펙트럼법에 대해 화학적 산소요구량 (COD) 과 탁도를 동시에 측정할 때 특징적 결합 및 스펙트럼 피크 중첩 간섭이 존재하며, 나아가 측정 정밀도에 심각한 영향을 미치는 문제가 있다.수체 중의 다양한 오염물의 결합 간섭 해석 및 함량 검측을 신속하고 정확하게 실현하는 것은 야외 수질의 실시간 검측에 중요한 의의를 가진다.

검사 원리:

수질검사의 원리는 다양한 물리적, 화학적, 생물학적 방법으로 물샘플의 오염물과 수질 파라미터를 정성과 정량 분석하여 수체의 순도와 안전성을 평가하는 것이다.

일반적으로 스펙트럼 검사의 원리는 물질과 빛의 상호 작용에 기반합니다.빛이 물질에 비치면 물질 속의 분자나 원자는 특정 파장의 빛을 흡수하여 특징적인 흡수 스펙트럼을 생성한다.서로 다른 물질은 서로 다른 스펙트럼 특징을 가지고 있기 때문에 스펙트럼을 분석하여 물 표본의 각종 성분을 식별하고 정량적으로 분석할 수 있다.

랑버빌의 법칙은 평행광 한 다발이 균일한 흡광물질을 통과할 때 용액의 흡광도 A는 용액 중의 흡광물질의 농도 c와 광정 길이 l의 승적과 정비례한다고 지적한다.즉：

A=ε·c·l

여기서:

A는 흡광도(Absorbance),

ε는 몰의 흡광계수(Molar Absorptivity)로 단위는 L·mol이다.⁻¹·cm⁻¹，

c는 흡광물질의 농도로 단위는 mol·L이다⁻¹，

l 은 광 길이이며 단위는 cm입니다.

광선이 일정할 때 특정 파장의 빛의 흡수는 측정할 성분의 농도에 따라 결정된다.

흡수 스펙트럼 외에도 일부 응용은 물질의 빛에 대한 자극 또는 산란 특성을 통해 물속의 화학 물질을 식별하고 정량 분석한다. 예를 들어 형광 스펙트럼법: 특정 물질이 특정 파장의 빛에 의해 형광을 발산하는 특성을 바탕으로 형광 강도와 파장을 측정하여 물질의 함량을 분석한다.

실험적 사고방식:

공통 수질 지표:

• 화학적 산소요구량(COD): 수체 중 환원성 유기물 함량을 나타낸다.

• 생화학적 산소요구량 (BOD): 수체의 미생물 함량을 반영한다.

• DOM: 수체에 용해된 유기물 함량;

• TOC: 총 유기탄소 함량;

• DOC: 용해 유기탄소 함량;

• SAC: 특정 흡광 계수

• SSK: 수용성 칼륨;

• 탁도: 수체 중 현탁물 함량;

• 암모니아 질소, 총인, 총질소 함량;

수체의 수질 매개 변수와 성분에 따른 흡수 스펙트럼 구간이 다르다. 예를 들어 질산염, 아질산염의 흡수 스펙트럼 구간은 200~250nm, 저분자 화합물, 방향족 화합물, 단백질, 유기용제 등의 스펙트럼 구간은 250~290nm, 탁도, 총 용해 고체 구간은 380nm이기 때문에 탐지 가능한 주파수 범위가 200~800nm 사이의 자색 스펙트럼으로 측정이 가능한 다양한 흡수 스펙트럼을 대체한다.

측정원리: 자외선-가시흡수법(분광광도법);형광 스펙트럼법;

분광기 모델: ATP2000 시리즈(고신호, 고화소, 통합형도)

전통적인 검측기는 광전 배율 증폭관과 단파장 스캐닝 메커니즘을 결합하여 부피가 크고 측정 시간이 길며 순간적 과정 분석에 적응할 수 없다.상대적으로 초소형 광섬유 분광기는 순식간에 전체 스펙트럼을 채집할 수 있어 연속적이고 실시간 수질 온라인 모니터링을 실현할 수 있어 야외와 온라인 측정에 더욱 적합하다.

분광기가 흡광도를 측정하는 방법은 어떤 파장 범위의 평행광을 샘플이 담긴 비색 그릇을 통해 투과된 빔을 측정하는 것이다.샘플 흡수 전후의 스펙트럼 대비를 통해 샘플이 이 파장 범위에 대한 흡수 스펙트럼을 얻을 수 있다.

전체 자외선/가시 범위의 흡수를 측정하여 화학 계량 모델을 구축하여 수질 중의 다양한 파라미터 함량을 동시에 측정할 수 있다.

스펙트럼 수집:

실험에 사용된 스펙트럼 수집 시스템은 ATP2000P 분광기, ATG1020 펄스 제논 램프, 중앙 제어기, 비색 그릇, 광섬유 감쇠기 및 모니터 등으로 구성되어 있다.

분광기 측정 파장 범위는 180~1000nm, 해상도는 2.3nm, 노이즈 비율은 >500:1이다.

10mm 석영비색그릇을 견본풀로 하고 광섬유감쇠기를 통해 펄스광원의 출력광출력을 조절하여 흡수스펙트럼의 안정성을 보장하고 광포화실진과 파동소음을 피면한다.

실험 샘플:COD 표준용액: 국가유색금속 및 전자재료분석시험센터에서 제공하며 프탈레이트수소칼륨을 용질로 하고 품질농도는 500mg/L이다.

포르마히드라진 탁도 표준 용액: 항저우치웨이기기유한공사 제공, 400 NTU;

스펙트럼 데이터 수집:

각각 다른 질량 농도 경도의 COD와 탁도 표준 용액 흡수 스펙트럼을 채취한다.

유효 스펙트럼 범위는 180~400nm, 적분 시간은 9ms, 샘플링 간격은 500ms, 평균 스캔 횟수는 20회다.각 샘플은 스펙트럼 데이터를 5회 수집한 후 평균치를 취하며, 스펙트럼 그래프는 아래와 같다.

표준 용액 자외선 흡수 스펙트럼,(a)COD;(b) 탁도,

혼합용액 자외선 흡수 스펙트럼, (a)COD+탁도 간섭;(b) 탁도 + COD 간섭;

각 표준 용액 샘플 스펙트럼 스펙트럼 선을 비교해보면 COD와 탁도의 주요 흡수 특징이 180~400nm 범위에 집중되어 있음을 알 수 있다.

1.COD 특징봉 범위는 180~300nm 사이인데 질량 농도가 증가함에 따라 자외선 스펙트럼 흡광도가 점점 커지고 두 특징의 흡수봉이 뚜렷하게 위로 올라간다.

2. 탁도 스펙트럼 흡수 특징봉 범위는 180~400nm 사이이며 탁도가 커지면 흡광도가 전체적으로 커진다.

3.혼합 샘플에서 탁도 간섭 증강으로 COD 흡수 스펙트럼 선이 위로 올라가고, 주 흡수 봉이 오른쪽으로 이동하며, COD 간섭 증강으로 탁도 흡수 봉이 위로 뚜렷하게 상승하여 300~400nm 구간에서 간섭의 영향을 덜 받는다.

스펙트럼 데이터 사전 처리:

스펙트럼법 측정 과정에서 외부 환경, 측정 조건과 기기 자체의 특징은 측정 결과에 비교적 큰 영향을 미친다.수집한 원시 데이터는 일반적으로 대량의 중복 및 공선형 데이터를 포함하여 후기 모델 정밀도와 데이터 처리 효율에 현저한 영향을 미친다.영향을 줄이거나 제거하려면 일반적으로 수집된 스펙트럼 데이터를 사전 처리합니다.피쳐 파장 선택그리고 그에 상응하다알고리즘 최적화이를 통해 효과적인 스펙트럼 데이터를 얻어 모델 검측 정확도와 안정성을 향상시킨다.

피쳐 파장 선택, (a) COD;(b) 탁도,

고객은 SPA를 통해 특성 파장을 추출하여 스펙트럼 데이터를 단순화하고 불필요한 변수를 제거하여 간섭 정보를 크게 줄였습니다.SVR 알고리즘을 통해 파라미터 최적화를 진행하여 최적화 모델을 성공적으로 구축하여 COD와 탁도가 동시에 존재하는 특징 결합 및 스펙트럼 피크 중첩 간섭을 효과적으로 낮출 수 있고, 물 샘플의 COD 함량과 탁도의 정확한 동시 예측을 실현할 수 있으며, 저량정 탁도 용액에 대해서도 마찬가지로 비교적 높은 검측 정밀도를 가지고 있어 COD와 탁도 자외선 스펙트럼법의 동시 검측을 효과적으로 실현할 수 있다.