גידול צריך לבדיקות איכות מים בזמן אמת

הגישה למים נקיים היא אחד האתגרים הגלובליים הדוחקים ביותר של המאה ה-21. Contaminants כגון מתכות כבדות, חומרי הדברה, תרופות ומיקרוביאליות נכנסים לאספקת מים משחרור תעשייתי, מפלט חקלאי, ותשתיות ההזדקנות.שיטות ניתוח מעבדה מסורתיות, בעוד מדויק, דורש שעות או ימים להחזיר תוצאות, מה שמוביל לסיכון בריאותי תוך זמן רב יותר, לא היה ניתן היה לעקוב אחר חיישנים אלקטרוכימיים, כאשר הם יכולים לספק טיפול מתמשך, כאשר הם יכולים לספק חיישנים מתקדמים יותר, כאשר הם יכולים לספק חיישנים מתקדמים, כאשר הם יכולים לספק חיישנים מתקדמים, כאשר הם יכולים לספק חיישנים אלקטרו-כימיים, כאשר הם יכולים לספק חיישנים מתקדמים יותר, כאשר הם יכולים לספק חיישנים מתקדמים, כאשר הם יכולים לספק מקיפים, כאשר הם יכולים לספק חיישנים מתקדמים, כאשר הם יכולים לספק חיישנים מתקדמים, כאשר הם יכולים לספק חיישנים מתקדמים, כאשר הם יכולים לספק חיישנים מתקדמים, כאשר הם יכולים לספק חיישנים מתקדמים, כאשר הם יכולים לספק חיישנים מתקדמים, כאשר הם יכולים לספק חיישנים מתקדמים, כאשר הם יכולים לספק חיישנים מתקדמים, כאשר הם יכולים לספק טיפול תרופתיים, כאשר הם יכולים לספק חיישנים מתקדמים יותר, כאשר הם יכולים לספק חיישנים מתקדמים, כאשר הם יכולים לספק מקיפים, כאשר

מכשירים אלה הופכים אירוע כימי לאות חשמלי, ומאפשרים למפעילים לראות שינויים באיכות המים כמעט מיד. כי הם יכולים להיות קטנים, זולים, וכוח נמוך, חיישנים אלקטרו-כימיים משולבים יותר ויותר ברשתות חיישן מבוזרות שצופים במאגרי מים שלמים. מאמר זה חוקר את העקרונות שמאחורי חיישנים אלקטרו-כימיים, כיצד הם מזהים מדבקים ספציפיים, את היתרונות שלהם ביחס לשיטות אחרות, והחידושים שדוחפים את הטכנולוגיה קדימה.

מה הם חיישנים אלקטרו-כימיים?

חיישנים אלקטרו-כימיים הם מכשירים אנליטיים המדורגים את הפלט החשמלי שנוצר כאשר יעד אנאליט אינטראקציה עם משטח אלקטרודה שונה מבחינה כימית, האינטראקציה יכולה לכלול חמצון, הפחתה, מודעות או מורכבות, שכל אחד מהם משנה את זרם, מתח או אימפולסיבית, כגון דבק אלקטרו-אפופטי, בדרך כלל משפר שלושה מרכיבים עיקריים: FLT:0a עובד אלקטרודה 1DFalphir, שבו התגובה מתרחשת בדרך כלל עם אלקטרו-F2de אלקטרו-FD2de אלקטרו-FD2de:

חיישני אלקטרוכימי נופלים לקטגוריות רחבות המבוססות על פרמטר חשמלי שנמדד.Amperometricחיישנים לזהות שינויים בהווה פוטנציאל קבוע החל; חיישנים רבי עוצמה מודדים את השינוי תחת תנאים הנוכחיים של אפס; חיישנים התנהגותיים לעקוב אחר שינויים ב מוליכות פתרון; וחיישנים תנודתיים גורפים טווח מתח כדי להשיג פרופיל נוכחי אופייני.

עבור ניטור איכות מים, החיישנים אלקטרוכימיים הנפוצים ביותר מכוונים מתכות כבדות (lead, קדמיום, כספית, ארסן), חומרים מזינים (nitrate, phosectizable אורגני תרכובות (phenols, ביקוש חמצן ביוכימי), וכלור חופשי המשמש בחיטוי.מחקר מרחיב את הצבעים כדי לכלול מיקרופלסטיקה, הורמונים, ואלומיניום.

כיצד חיישן אלקטרו-כימי מתבודד מים?

תהליך הגילוי מתחיל כאשר דגימת מים זורמים מעל או נוגעים לאלקטרודה העובדת של החיישן. Anchemical אלקטרו-זרם חל פוטנציאל מבוקר או זרם, המניע תגובה של Redox ספציפית למולקולה היעד.לדוגמה, כאשר החיישנים נתקלים במושגים מובילים (Pb2+), פוטנציאל שלילי יכול להפחית אותם להוביל מתכת, לייצר זרם קטורד אמין.

(הופנה מהדף ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

האות המדוייק מעובד על ידי מעגל חזק קטן, לעתים קרובות משולב עם מיקרובקר המסנן רעש, מחשב ריכוז, ומעביר נתונים אלחוטית.חיישנים מודרניים יכולים לפעול על סוללות או כוח סולארי, מה שהופך אותם מתאימים לתחנות ניטור מרחוק.פעולה רציפה, עם זאת, דורש ניהול זהיר של אלקטרודה - שכבה של חומר אורגני או מלחים מחוסנים יכול לחסום אתרים פעילים - ולוח זמנים כדי לשמור על דיוק.

היתרונות של חיישן אלקטרו-כימי עבור ניטור בזמן אמת

אימוץ חיישני אלקטרו-כימיים ברשתות איכות המים מונע על ידי מספר יתרונות ברורים שמטפלים במגבלות של שיטות קונבנציונליות.

תגובה מיידית

בניגוד לבדיקות מעבדה הדורשות איסוף דגימות, תחבורה וניתוח אצווה, חיישני אלקטרוכימיים מספקים תוצאות בתוך שניות עד דקות. יכולת זו בזמן אמת חיונית כאשר אירועי זיהום הם לסירוגין, כגון הדופק של שפך תעשייתי או מקרי.אזהרה מוקדמת מאפשרת לצמחים טיפול להסתגל dosing כימי או להסיט מים מזוהמים לפני שהוא מגיע לציבור.

זמינות ו-Ease of Deployment

ניתן לשכן חיישנים אלקטרוכימיים בתוך צינורות, טוב, או מזל"ט.צריכת החשמל הנמוכה שלהם וצרכים רזים מינימליים פירושה שהם יכולים לפעול ללא השגחה במשך שבועות.ניידות זו מאפשרת ניטור במקור, ברשתות הפצה, ובנקודת שימוש - מידע כי דגימה מרכזית לא יכול ללכוד.

עלויות-אווירה

מנתח מעבדה יחיד ספסל עשוי לעלות עשרות אלפי דולרים, וכל ניתוח מדגם מוסיף עבודה ועלויות ניתנות להסכמה. חיישנים אלקטרוכימיים מוטבעים באמצעות לוח מעגלים מודפס מבוסס ושיטות הדפסה מסך, יחידת הנהיגה עולה לעשרות דולרים.למרות שיש להם חיי חיישנים סופיים ודורשים החלפת תקופתיים, העלות הכוללת של הבעלות היא לעתים קרובות סדר נמוך יותר מאשר שליחת דגימות למעבדה, במיוחד עבור ניטור גבוה.

רגישות בריכוז נמוך

רבים ממזהמים מים מזיקים ברמות של עקבות.ה-FLT:0 (WHO) בעולם בריאות (WHO)BuildFLT:1 מגדיר ערכים מנחים עבור להוביל 10 מיקרוגרם / L, ארסן ב 10 μg / L, ו גולגולת ב 3 מיקרוגרם / L. טכניקות אלקטרוכימיות כגון פסדפוס מטושטשת לזהות באופן שגרתי את המתכות האלה מתחת למגבלות זיהוי שימושיות, כגון מזהמים, כגון מזהמים.

Ease of Use

חיישנים אלקטרוכימיים שדה נועדו למפעילים ללא הכשרה מתקדמת לכימיה.המשתמש מוסיף את החיישן, קורא את הערך המוצג, ויכול לפעול.פרוטוקולים אוטומטיים של קיליברציה ושיטות מתועשות במפעל מפשטות את הפעולה, צמצום השגיאה האנושית.יש חיישנים מסוימים יכולים להיות מחוברים לאפליקציות סמארטפונים עבור מאגרי נתונים ואזהרות מרוחקות.

סוגים של חיישנים אלקטרו-כימיים ויישומים שלהם

הבנת סוגי החיישן העיקריים מסייעת להתאים את הטכנולוגיה ליעד ניטור.

חיישנים אמפרומטיים

חיישנים אלה מודדים את הזרם שנוצר כאשר אנאליט הוא מחמצן או מופחת פוטנציאל קבוע יישומי.הם משמשים נרחב עבור כלור חינם וממס ניטור חמצן בטיפול במים.הזרם הוא פרופורציונלי ישירות לריכוז על פני טווח ליניארי רחב.התפתחויות האחרונות כוללות חיישנים אמפרומטריים מבוססי אנזים עבור גלוקוז ו BOD (ביקוש חמצן בביוכימי).

חיישן Potentiometric

מכשירים פוטו-חומריים, כולל אלקטרודות אלקטרודות יון-סלקטיביות (ISEs), מודדים את ההבדל הפוטנציאלי בין אלקטרודה העובד לבין אלקטרודה התייחסות מתחת ל-0 הזרם.האות עוקבות אחר משוואה הנורמה, נותן תגובה לוגיסטית לפעילות ion.ISEs זמינים מסחרית עבור פלואוריד, ניטראט, אשלגן ו- pH. הם חזקים ולא צורכים כוח במהלך מדידה אידיאלית לטווח ארוך.

חיישנים מוליכים

חיישני התנהגותיים עוקבים אחר השינוי בהתנהגות חשמלית של הפתרון שנגרם על ידי מינים ionic המיוצרים או נצרך על ידי תגובה.הם פשוטים וזולים אך פחות ספציפיים אלא אם כן נעשה שימוש עם מזכר או שכבת אנזומטית. יישומים כוללים זיהוי של מוצקים מתמוססים מוחלט (TDS) ו ניטור ההתקדמות של תגובות אנזאומטיות.

חיישנים וולטימיים

שיטות וולטמטריות, כגון תנומטים מחזוריים ונפיחות תנומטים, לספק שפע של מידע על זהות וריכוז אנאליים. כי הם מתעדים נוכחית כפונקציה של פוטנציאל יישומי, הם יכולים לזהות מספר רב של contaminants בו זמנית על ידי הפוטנציאלים האופייניים שלהם. pupping wttamry הוא תקן הזהב עבור איתור מתכות במים.

יישומים אמיתיים של חיישן מים אלקטרו-כימיים

הטכנולוגיה עברה מעבר למעבדה וכעת היא ממוקמת במסגרות מגוונות.

מערכות הפצה למים

כלי מים להתקין חיישנים אלקטרו-כימיים במערכות מפתח כדי לפקח על כלור ה- pH, ומתכות כבדות.חיישנים אלה מזינים במערכות בקרה פיקוחיות ורכישת נתונים (SCADA) אשר באופן אוטומטי להתאים את המינון לחיטוי.לדוגמה, הסוכנות להגנת הסביבה של FLT:0U.S. Environmental Protection Agency (EPA)FLT:1 תומך בפרויקטים של טייסים באמצעות חיישנים אלקטרו-כימיקליים לאזהרה מוקדמת של התפלגות מערכות תפוצה של תפוצה ב-Corross, יכולות לזהות אירועים אלה, או למערכות של מערכות נתונים של צינורות אחוריים.

מים תעשייתיים ופסולת

תעשיות שמשחררות מתכות כבדות או אבקות אורגניות נדרשות לפקח על פענוח תחת חוק המים הנקי (ארה"ב) או תקנות שוות ערך במקומות אחרים. חיישני אלקטרוכימיים מספקים קריאה רציפה, התראה למפעילים כאשר שלב הטיפול נכשל.בצמחים עירוניים, לעקוב אחר אמוניה, ניטר, ואוזפוספט כדי להתאים את ההסרה התזונתית והפחתת עלויות כימיות.

חקלאות וחקלאות

החל מתחומים דשנים נושא חנקן ו זרחן לתוך נתיבי מים, גורם algalפריחה.חיישנים פרוסים אריחים ניקוז, זרמים, והתעלות מאפשר לחקלאים מידע בזמן אמת כדי להתאים את היישום של דשן.בחקלאות מימית, ממיס חמצן וחיישנים למנוע תמותה; חיישנים אלקטרוכימיים זולים לעשות ניטור רציף עבור חוות קטנות יותר.

פיקוח סביבתי באזורים מרוחקים

גופי מים על פני השטח, בארות מים קרקעיים ואפילו מזרקות מים לשתייה במדינות מתפתחות ניתן לצייד עם צמתים חשמליים המופעלים על ידי השמש אלקטרו-כימיים (DNS) מועברים באמצעות רשתות סלולריות או לוויין למסד נתונים מרכזי.ארגונים כמו FLT:0UNICEFFLT:1 ו-FLT:2 Water.orgFLT 3 , ניסויים במערכות אלה כדי להבטיח אספקת מים בטוחה לאחר אסונות טבע או פליטים, היכן שאין מחסור במחנות מעבדה.

חידושים אחרונים דוחפים את שדה קדימה

מספר כיוונים מחקר מרחיבים את מה שחיישנים אלקטרו-כימיים יכולים להשיג.

ננו-חומרים לביצועים משופרים

Graphene, צינורות פחמן, חלקיקים זהב, ו פולימרים מוליכים באופן דרמטי להגדיל את שטח פני השטח אלקטרואקטיבי ופעילות קטליטית.לדוגמה, FLT:0duced גרפן oxide-מת אלקטרודות בגודל קומפקטי 1 הוכיחה גם את גבולות גילוי תת-nanomolar עבור כספית ולהוביל.

מיקרו-נו-פולס

צמצום האלקטרודה עד מיקרומטר או חלקיקים משנה את התנהגות דיפוזיה, המוביל לתנודות נוכחיות גבוהות יותר וזמני תגובה מהירים יותר. ⁇ מיקרואלקטרוניקה ניתן למרקם גמישים, המאפשרים חיישנים שניתן ללבוש או תואמים לפקח על איכות המים בצנרת או אפילו בתוך הגוף האנושי (ליישומים רפואיים) הם גם דורשים נפחים קטנים יותר - יתרון קריטי כאשר דגימה מוגבלת.

שילוב עם רשתות חיישן אלחוטיות ו-IoT

חיישנים אלקטרו-כימיים עם רדיוים בעלי כוח נמוך ומיקרו-בקרים יוצרים אינטרנט של דברים (IoT) צמתים ששולחים נתונים לענן.רשתות אלה יכולות לכסות את כל שפיכות המים, ומספקים תמונה זמנית של זרמי זיהום.מכונות לומדות מנתחות דפוסים היסטוריים כדי לחזות הפרות פוטנציאליות ופעולות מניעה.

חיישנים מבוססים ו-Array- Based Sensors

במקום חיישן יחיד, מערך של אלקטרודות המשונים עם אפשרויות שונות יכול לנתח מספר רב של אריות בטיפת מים אחת.תבנית האות המשולבת מנתחת באמצעות ניתוח רכיב ראשי או רשתות עצביות כדי לסווג איכות מים.מערכות "e-tongue" אלה משווקים עבור איכות מים שגרתית.

אתגרים ומחקר מתמשך

למרות ההבטחה, כמה מכשולים מגבילים את האימוץ הנרחב.

אלקטרודה פולינג וכל החיים

חומר אורגני, גידול ביופיל, ורמת הדחיסה לא אורגנית של פני השטח אלקטרודה לאורך זמן, ירידה ברגישות ודיוק. חוקרים מפתחים אלקטרודות מנקה עצמית המשתמשות בתנודתית קולית, אלקטרוכימית, או ציפוי פוטו-קטליטי TiO2. גישה נוספת היא להשתמש משטח אלקטרודה מתחדש, כגון סרט דו-חמצני ללא כספית שיכול להיות רענון אלקטרוכימי.

בחירה והתערבות

מים טבעיים מכילים מינים רבים שיכולים לייצר אותות כוזבים.לדוגמה, כלורידיים להפריע לשיאים מתכת כבד, וחומצות אורגניות המתרחשים בטבע יכול להסוות אותות חומרי הדברה. עיבוד נתונים chemometric מתקדם, שיטות תת-קרקעיות כפולות אלקטרוניות, ו permselective membranes (למשל, Nafion) לעזור לפתור אותות חופפים.

קלבנס ד"רפסט ודמוקרטיה

תגובת חושי משתנה לאורך זמן בשל ההזדקנות אלקטרודה, שינויי טמפרטורה וריאציות של פתרון כימיה. החלמה רגילה עם סטנדרטים נדרשת, אבל מערכות משיכה אוטומטית להוסיף מורכבות ועלות. גישות חדשניות כוללות שימוש בסטנדרטים פנימיים או חיישנים התייחסות המפצה על סחף בזמן אמת.מודלים למידת מכונה המאומנים על נתונים היסטוריים יכולים גם לתקן עבור סחף בסיס, צמצום הצורך עבור תכופים על קלבינציה.

תקנים ו קבלה רגולטורית

גופים רגולטוריים דורשים לעתים קרובות שיטות אימות עם דיוק ידוע ודיוק לפני אישור חיישנים עבור ניטור ציות. חיישנים אלקטרוכימיים חייבים לעבור בדיקות קפדניות נגד שיטות ההתייחסות.פעולות שיתופיות כגון FLT:0ISO 15923 סדרה עבור איכות מים חיישנים איכות מים 1 מתחילים סטנדרטיזציה אלקטרוכימי, אשר יקל מסלולים.

מסקנה: הדרך קדימה ל ניטור מים בזמן אמת

חיישני אלקטרוכימיים התבגרו לטכנולוגיה מעשית העומדת בצורך דחוף בנתונים איכותיים, באתר, ביכולתם לזהות מגוון רחב של contaminants בריכוזים נמוכים, בשילוב עם עלות נמוכה וקלות של פריסה, מציבים אותם כאבן הפינה של ניהול מים מודרני.בזמן אתגרים כמו סחבת ולהישאר, קצב החדשנות ב-IoT, שילוב, נתונים וניתוחים הוא על פני רצף זה.

ממשלות, שירותים וחוקרים משקיעים ברשתות חיישן שיכולות לספק אזהרות מוקדמות, לייעל תהליכים של טיפול ולהגן על בריאות הציבור.העשור הבא כנראה יראה חיישנים אלקטרו-כימיים נפוצים במערכות מים כמו מדחום או מד לחץ.עבור קהילות ברחבי העולם עדיין חסרות גישה למים בטוחים לשתייה, טכנולוגיה זו מציעה נתיב מדרגי לכיוון ניטור רציף, ובסופו של דבר, תוצאות בריאות טובות יותר.