DE112014005625T9

DE112014005625T9 - Spektralphotometrische Sensoren und Verfahren zur Verwendung Dieser

Info

Publication number: DE112014005625T9
Application number: DE112014005625.1T
Authority: DE
Inventors: David Macdonald Bonnick; Michael Brooks
Original assignee: Evoqua Water Technologies Ltd
Current assignee: Evoqua Water Technologies Ltd
Priority date: 2013-12-12
Filing date: 2014-12-09
Publication date: 2017-05-04
Anticipated expiration: 2034-12-10
Also published as: DE112014005625T5; CA2929744C; SG10201803858PA; US20160313239A1; WO2015086592A1; GB201611730D0; US10241035B2; CA2929744A1; GB2535964A; GB2535964B; DE112014005625B4; GB201322026D0

Abstract

Offenbart werden spektralphotometrische Sensoren zum Messen der Konzentration verschiedener Lösungen. Offenbart werden ebenfalls Verfahren zum Steuern der Einführung von Desinfektionsmitteln unter Verwendung derartiger Sensoren zur Wasseraufbereitung. Die Hypochloritstärke wird in mindestens einigen Ausführungsformen überwacht.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der UK-Patentanmeldung mit der Seriennr. 1322026,4 , eingereicht am 12. Dezember 2013 mit dem Titel „HYPOCHLORITE STRENGTH MONITOR“, deren gesamte Offenbarung hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit hierein für alle Zwecke inkorporiert ist.
GEBIET DER OFFENBARUNG
Aspekte beziehen sich im Allgemeinen auf die Wasseraufbereitung und insbesondere auf Vorrichtungen, Systeme und Verfahren zum Messen und Steuern der Einführung von Desinfektionsmitteln.
HINTERGRUND
Es ist von Vorteil, die Stärke von zu Desinfektionszwecken verwendeten Hypochloritlösungen zu überwachen. Handelsübliches Hypochlorit verschlechtert sich im Laufe der Zeit in Abhängigkeit von der Temperatur und des Vorhandenseins von gewissen Verunreinigungen. Es wird gewöhnlich vor der Dosierung auch verdünnt und es ist von Vorteil, wenn die Stärke der verdünnten Lösung bekannt ist. Die Stärke von vor Ort elektrolytisch erzeugtem Hypochlorit kann auch variieren und zwecks Verfahrensoptimierung ist es nützlich, wenn die Konzentration bekannt ist.
Viele Verbindungen absorbieren ultraviolettes (UV) oder sichtbares (Vis) Licht. Das Diagramm 500 von 5 zeigt ein Strahlbündel monochromatischer Strahlung 510 mit Strahlungsleistung P₀, die auf eine Probenlösung 520 gerichtet ist. Es erfolgt eine Absorption und das die Probe 530 verlassende Strahlenbündel weist eine reduzierte Strahlungsleistung P auf.
Die Lichtdurchlässigkeit kann gemäß den folgenden Gleichungen berechnet werden: Lichtdurchlässigkeit, T = P/P₀; und % Lichtdurchlässigkeit, %T = 100 T.
Das Absorptionsvermögen kann gemäß den folgenden Gleichungen berechnet werden: Absorptionsvermögen, A = log10 P₀/P; A = log10 1/T; A = log10 100/%T; und A = 2 – log10 %T.
Die Beziehung zwischen Absorptionsvermögen und Lichtdurchlässigkeit ist in 6 dargestellt. Wenn das gesamte Licht ohne jegliche Absorption durch die Lösung verläuft, dann beträgt die Absorption null und der Prozentsatz für die Lichtdurchlässigkeit beträgt 100 %. Wenn das gesamte Licht absorbiert wird, dann beträgt die Lichtdurchlässigkeit null und die Absorption ist unbegrenzt.
ÜBERSICHT
Gemäß einem oder mehreren Aspekten kann ein spektralphotometrischer Hypochloritsensor Folgendes beinhalten: eine erste Quelle von monochromatischer Strahlung, die zur Erzeugung eines emittierten Lichts konfiguriert ist, eine Probenkammer, die konfiguriert und positioniert ist, um das emittierte Licht zu empfangen und eine Hypochlorit beinhaltende Probe zu enthalten, durch die das emittierte Licht zur Erzeugung eines teilweise absorbierten Lichts läuft, einen Detektor, der konfiguriert und positioniert ist, um das teilweise absorbierte Licht zu empfangen und als Reaktion auf das Empfangen des teilweise absorbierten Lichts ein Eingabesignal zu generieren; und einen Prozessor, der konfiguriert ist, um das Eingabesignal vom Detektor zu empfangen, das Eingabesignal mit einer Hypochloritkonzentration der Probe zu korrelieren und ein Ausgabesignal, das auf die Hypochloritkonzentration der Probe hinweist, zu generieren.
Gemäß einem oder mehreren Aspekten kann ein Wasseraufbereitungssystem Folgendes umfassen: eine Quelle von Hypochlorit beinhaltendem Desinfektionsmittel, eine Quelle von aufzubereitendem Wasser, den oben beschriebenen spektralphotometrischen Hypochloritsensor, der konfiguriert ist, um eine Hypochloritkonzentration des Desinfektionsmittels zu detektieren, wobei die Probenkammer unterhalb der Quelle von Desinfektionsmittel positioniert ist und konfiguriert ist, um einen Teil des Desinfektionsmittels als Probe zu empfangen, und ein Ventil, das zwischen der Quelle von Desinfektionsmittel und der Quelle von aufzubereitendem Wasser positioniert ist, wobei das Ventil auf das Ausgabesignal reagiert und zur Regulierung der Einführung des Desinfektionsmittels in den Zufluss von Abwasser konfiguriert ist, um aufbereitetes Wasser zu erzeugen.
Gemäß einem oder mehreren Aspekten kann ein System zur Überwachung der Hypochloritstärke Folgendes beinhalten: einen vor Ort Hypochloritgenerator, beinhaltend eine elektrolytische Zelle und den oben beschriebenen spektralphotometrischen Hypochloritsensor, der konstruiert und angeordnet ist, um eine Hypochloritkonzentration eines Produktstroms an einem Ausgang des vor Ort Hypochloritgenerators zu messen.
Gemäß einem oder mehreren Aspekten kann ein Verfahren zum Regulieren der Desinfektion von aufzubereitendem Wasser Folgendes beinhalten: Emittieren eines elektromagnetischen Strahlbündels mit einer ersten Strahlungsleistung durch eine Desinfektionsmittelprobe zur Erzeugung eines teilweise absorbierten elektromagnetischen Strahlbündels, Berechnen einer Konzentration des Desinfektionsmittels, bezogen, mindestens zum Teil, auf die erste Strahlungsleistung und die zweite Strahlungsleistung, und Einstellen eines Ventils, das zur Regulierung der Einführung des Desinfektionsmittels in das aufzubereitende Wasser konfiguriert ist, bezogen, mindestens zum Teil, auf die berechnete Desinfektionsmittelkonzentration.
Gemäß einem oder mehreren Aspekten kann ein Verfahren zum Aufbereiten von Wasser Folgendes beinhalten: Herstellen einer Fluidverbindung zwischen einer Quelle von einem Desinfektionsmittel, beinhaltend bis zu etwa 15 Gew.-% Hypochlorit, und dem Wasser und Regulieren der Desinfektion des Wassers gemäß dem oben beschriebenen Verfahren.
Gemäß einem oder mehreren Aspekten kann ein Verfahren zur Vereinfachung der Wasseraufbereitung Folgendes beinhalten: Bereitstellen des oben beschriebenen spektralphotometrischen Hypochloritsensors an einem Wasseraufbereitungsort, beinhaltend eine Quelle von Hypochlorit in Fluidverbindung mit aufzubereitendem Wasser.
Noch weitere Aspekte, Ausführungsformen und Vorteile dieser beispielhaften Aspekte und Ausführungsformen werden nachstehend detailliert erörtert. Jegliche hierin offenbarte Ausführungsform kann mit jeder beliebigen anderen Ausführungsform in einer beliebigen mit mindestens einem von den Gegenständen, Zielen und Bedürfnissen, die hierin offenbart sind, konsistenten Weise kombiniert werden, und Bezüge auf „eine Ausführungsform“, „manche Ausführungsformen“, „eine alternative Ausführungsform“, „verschiedene Ausführungsformen“, „eine Ausführungsform“ oder dergleichen schließen sich nicht zwangsläufig aus und sollen angeben, dass ein gewisses Merkmal, eine gewisse Struktur oder eine gewisse Eigenschaft, das/die zusammen mit der Ausführungsform beschrieben wird, in mindestens einer Ausführungsform umfasst sein kann. Das Vorkommen derartiger Begriffe hierin bezieht sich nicht zwangsläufig jedes Mal auf dieselbe Ausführungsform. Die begleitenden Zeichnungen sind zur Bereitstellung der Veranschaulichung und des weiteren Verständnisses der verschiedenen Aspekte und Ausführungsformen beigefügt, und sie sind in dieser Patentschrift eingeschlossen und stellen einen Teil davon dar. Die Zeichnungen, zusammen mit dem Rest der Patentschrift, dienen dazu, Prinzipien und Abläufe der beschriebenen und beanspruchten Aspekte und Ausführungsformen zu erläutern.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Verschiedene Aspekte mindestens einer Ausführungsform sind unten mit Bezug auf die begleitenden Figuren erörtert, die nicht unbedingt maßstabsgerecht gezeichnet sind. Die Figuren sind zur Bereitstellung von Veranschaulichung und weiterem Verständnis der verschiedenen Aspekte und Ausführungsformen beigefügt, und sie sind in dieser Patentschrift eingeschlossen und stellen einen Teil davon dar, sollen aber keine Definition der Grenzen der Erfindung sein. Wenn auf technische Merkmale in den Figuren, der detaillierten Beschreibung oder einem beliebigen Anspruch Bezugszeichen folgen, sind die Bezugszeichen allein aus dem Grund eingeschlossen, um die Verständlichkeit der Figuren und der Beschreibung zu erhöhen. In den Figuren ist jede identische oder nahezu identische Komponente, die in verschiedenen Figuren dargestellt ist, durch eine gleiche Zahl dargestellt. Der Klarheit halber ist möglicherweise nicht in jeder Zeichnung jede Komponente bezeichnet. In den Figuren gilt:
1 stellt eine schematische Darstellung eines spektralphotometrischen Sensors gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen dar;
2 stellt eine schematische Darstellung eines spektralphotometrischen Sensors gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen dar;
3 stellt eine schematische Darstellung eines spektralphotometrischen Sensordetails gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen dar;
4 stellt eine schematische Darstellung eines spektralphotometrischen Sensordetails gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen dar;
5 stellt ein Diagramm dar, das die Prinzipien von Absorptionsvermögen und Lichtdurchlässigkeit illustriert;
6 stellt ein Diagramm dar, das die Beziehung zwischen Absorptionsvermögens- und Lichtdurchlässigkeitswerten illustriert;
7–8 stellen Daten dar, welche die Absorption von Hypochlorit mit der Wellenlänge von emittiertem Licht gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen in Beziehung setzen;
9 stellt Daten dar, welche die Absorption von Hypochlorit bei 390 nm mit dem Molverhältnis von Hypochlorit in Beziehung setzen;
10 stellt Daten dar, welche die Verstärkerausgabe mit der Hypochloritkonzentration gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen in Beziehung setzen;
11 stellt Daten dar, welche die berechnete Hypochloritkonzentration mit der bekannten Hypochloritkonzentration gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen in Beziehung setzen;
12 stellt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Systems dar, welches einen spektralphotometrischen Sensor einschließt; und
13 stellt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Systems dar, welches einen spektralphotometrischen Sensor einschließt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen können spektralphotomerische Vorrichtungen, Verfahren und Systeme Nicht-Peak-UV/Vis-Absorptionsvermögen verwenden, um die Desinfektionskonzentration, beispielsweise Hypochloritkonzentration, in wässrigen Lösungen zu bestimmen. Dies ermöglicht die Verwendung einer Lichtquelle von einem preiswerten UV-Gerät, wie etwa einer stabilen Leuchtdiode (LED), und erlaubt das Messen von hohen Konzentrationen, beispielsweise von 0,1 bis 15 Gewichtsprozent, was sonst die übertragene Strahlung bei Peak-Absorptionsvermögenswellenlängen vollständig absorbieren würde.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen wird ein Inline-Hypochloritsensor zur kontinuierlichen Messung von Hypochloritstärke basierend auf Spektralphotometrie bereitgestellt. Der Sensor beinhaltet eine Quelle von monochromatischer Strahlung, die auch als ein Emitter bezeichnet wird. Eine LED kann die Strahlung oder das Licht emittieren. Alternativ kann der Emitter ein Laser oder eine andere geeignete Quelle sein. Das Licht kann auf einer Nicht-Peak-Absorptionsvermögenswellenlänge des in der Messung befindlichen Desinfektionsmittels emittiert werden. Für einen Fachmann beträgt die Peak-Absorptionsvermögenswellenlänge für Hypochlorit hauptsächlich etwa 290 nm, oder liegt allgemeiner in einem Bereich zwischen 280 nm und 300 nm. Eine Nicht-Peak-Wellenlänge würde daher als eine Wellenlänge außerhalb des Bereichs von 280 nm bis 300 nm angesehen werden. Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen kann zum Beispiel ein monochromatischer Strahl eine Wellenlänge im Bereich von etwa 350 nm bis etwa 410 nm aufweisen. Gemäß einer oder mehreren spezifischen Ausführungsformen kann die Wellenlänge im Bereich von etwa 380 nm bis etwa 395 nm liegen. Die Verwendung einer Wellenlänge, bei der die Absorption durch Hypochlorit relativ niedriger ist, erlaubt im Vergleich zu einer breiten Palette an Konzentrationen das Vornehmen von Messungen auf sowohl genaue als auch kostengünstige Weise. Eine erhaltene Korrelation von 0,9878 zwischen der bekannten und der gemessenen Hypochloritkonzentration, wie unten in Beispiel eins beschrieben, veranschaulicht die neuartige Entdeckung, dass sich das Lambert-Beersche Gesetz auf Nicht-Peak-Wellenlängen anwenden lässt.
Diese Offenbarung beschränkt sich nicht auf die Messung von Hypochlorit in Lösung. Es können andere Chemikalien, einschließlich verschiedener Chlorspezies, beispielsweise Chlordioxid, überwacht werden. Eine angemessene Wellenlänge würde auf der Grundlage der Verbindung von Interesse bestimmt werden.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen ist ein Gerät bereitgestellt, das eine UV-LED mit einer angemessen spezifizierten Wellenlänge, eine Messzelle und zwei Photodiodendetektoren, die Licht in eine Spannung oder Strom umwandeln können, beinhaltet, wie in 1 gezeigt.
Bei dem in 1 gezeigten Sensor 100 kann eine Verhältnismessung vorgenommen werden, um die Änderungen der Ausgangsleistung des Emitters 120 auszugleichen. Diese Anordnung umfasst zwei Lichtwege 125 und 127 und zwei Detektoren 140. Ein log-Verhältnisverstärker 160 kann für eine lineare Ausgabe von den zwei Detektoren 140 – Signalen verwendet werden.
Eine Leistungsquelle 110 liefert Strom an eine ultraviolette oder sichtbare LED 120. Das Licht wird gespalten und verläuft nach unten entlang Wegen 125 und 127. Der erste Weg 125 wird durch eine Probe 130 gerichtet, in der ein Teil des Lichts von der Photodiode 140 absorbiert und gemessen wird. Die Signalspannung von der Photodiode kann dann an einen Verstärker 160 geschickt werden und von dort aus an einen Analog-Digital-Wandler 170. Das umgewandelte Signal wird dann an den Prozessor 180 geschickt, bei dem entweder die Spannung oder ein berechneter Konzentrationswert auf einer Ausgabeanzeige 185 angezeigt werden kann. Benutzer-Input kann durch die Tastatur 190 erbracht werden. Signale von dem Prozessor 180 an andere Komponenten des Sensors können nach der Digital-Analog-Umwandlung 175 geschickt werden.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen wird eine alternative Ausführungsform bereitgestellt, die einen einzelnen selbstüberwachenden Emitter 400 verwendet, wie in 4 gezeigt. Ein einzelner selbstüberwachender Emitter ist in einem Sensor 200 eingeschlossen, wie in 2 gezeigt. In der Anordnung von 4 wird ein kleiner Bruchteil des Ausgangslichts 455 von dem LED-Emitter 450 zu einer Detektordiode 440 abgelenkt und ein rückgekoppelter Verstärker 460, der ein Antriebssignal 420 empfängt, wird zur Beibehaltung einer konstanten optischen Ausgabe verwendet. Die mechanische Anordnung ist vereinfacht, da nur eine einzelne Eingabe in einen log-Verstärker erforderlich ist, damit sich eine mit der Konzentration lineare Ausgabe, wie in 2 gezeigt, ergibt.
2 verbildlicht einen Sensor 200, der den selbstüberwachenden Emitter einschließt. Eine durch einen Verstärker 260 verstärkte Referenzspannung 215 liefert mit einer konstanten Ausgabe Strom an die LED 250. Das Licht von dem Emitter 250 wird dann aufgespalten, wobei ein Bruchteil des Lichts an eine Photodiode 240 abgelenkt wird, die dann dem Verstärker 265 ein Spannungssignal schickt. Das verbleibende Licht verläuft durch die Probe 230 und wird von einer anderen Photodiode 240 gemessen. Ein Spannungssignal von der Photodiode 240, das für das Absorptionsvermögen der Probe 230 repräsentativ ist, kann an einen log-Verhältnisverstärker 255 gesendet werden und von dort aus an einen Analog-Digital-Wandler 270 gesendet werden. Das umgewandelte Signal wird dann an den Prozessor 280 gesendet, bei dem entweder die Spannung oder ein berechneter Konzentrationswert auf einer Ausgabeanzeige 285 angezeigt werden kann. Benutzer-Input kann durch die Tastatur 290 erfolgen. Signale von dem Prozessor 280 an andere Komponenten des Sensors 200 können nach der Digital-Analog-Umwandlung 275 geschickt werden.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen wird ein Lichtwellenleiter 325 in dem Sensor 300 eingesetzt, um das Licht von dem Emitter 320 zu der Probe 330 und zurück zu dem Detektor 340 zu leiten. Diese Anordnung ist in 3 gezeigt. Dies ermöglicht, dass die Messelektronik 399 an einer anderen Stelle als die der in der Messung befindlichen Probe 330 angeordnet werden kann. Diese Anordnung kann von Vorteil sein, falls in dem Probenbereich eine explosive Atmosphäre vorhanden sein könnte, da sich in der Nähe der Probe keine elektrischen Anschlüsse oder Zündquellen befinden.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen kann der Sensor so konfiguriert sein, dass er in der Hand gehalten werden kann. In dieser Ausführungsform wird eine Desinfektionsmittelprobe gesammelt und in eine Vorrichtung gegeben, in der sie gemessen wird. Alternativ dazu kann der Hand-Sensor mit einer Probe von zu testender Lösung zusammengebracht werden. Dieses Hand-System beinhaltet im Allgemeinen dieselben Komponenten wie in den obigen Ausführungsformen beschrieben, nur, dass es konfiguriert und angeordnet ist, um in eine Hand-Vorrichtung zu passen.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen könnte das Gerät mehreren LEDs verwenden, die unterschiedliche Wellenlängen oder Spektren beinhalten, um die Mischungen von Substanzen zu bestimmen oder die Konzentrationen von Substanzen in einer Matrix, zum Beispiel verbleibendes Chlor in Trinkwasser, zu bestimmen.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen kann der oben erläuterte spektralphotometrische Sensor in ein Wasseraufbereitungssystem eingeschlossen sein. Eine Desinfektionsquelle kann Hypochlorit beinhalten. Das Hypochlorit kann vor Ort gelagert oder erzeugt werden. Das Desinfektionsmittel wird zur Aufbereitung eines Wasserstroms verwendet. Das Kennen der Hypochloritkonzentration ist bei der richtigen Dosierung des Wasserstroms hilfreich. Zu diesem Zweck kann der spektralphotometrische Sensor positioniert werden, um eine Hypochloritprobe zu messen, um vor der Einführung des Desinfektionsmittels in den Aufbereitungsstrom dessen Konzentration zu bestimmen. Als Alternative dazu können die offenbarten Sensoren die Konzentration des Desinfektionsmittels in einem dosierten Strom überwachen. Eine oder mehrere Prozessflussraten können als Reaktion auf die detektierte Konzentration angepasst werden.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen kann ein Ventil oder eine ähnliche Struktur zwischen der Quelle von Desinfektionsmittel und dem aufzubereitenden Wasser positioniert werden. Das Ventil kann verwendet werden, um die Einführung von Desinfektionsmittel in das Wasser als Reaktion auf die Ablesung des Sensors zu regulieren. Der Sensor kann beispielsweise ein Ausgangssignal erzeugen, das auf die Konzentration zum Ventil hinweist. Das Ventil kann sich als Reaktion auf das Signal von dem Ventil um eine gewünschte Menge öffnen oder schließen. Das Ventil kann von Hand oder automatisch bedient werden. Die Konzentration des Desinfektionsmittels kann vor oder nach der Einführung in aufzubereitendes Wasser überwacht werden.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Hypochloritüberwachungsgerät in Kombination mit einem vor Ort Elektrochlorinierungs-Hypochlorit-Generierungssystem zur Steuerung und Überwachung des Prozesses, wie in 12 und 13 gezeigt, verwendet werden. Bei einem vor Ort Elektrochlorinierungs-Hypochlorit-Generierungssystem wird eine wässrige Natriumchloridlösung in einer Elektrolysezelle in Natriumhypochlorit umgewandelt. Dies ist besser als das Lagern von großen Behältern mit Hypochloritlösung, die sich mit der Zeit verschlechtern kann. Es ist auch sicherer als das Befördern und Lagern von Chlorgas.
Wie in 12 gezeigt, kann die Stärke der erzeugten Hypochloritlösung, die aus einer Austrittsöffnung des Generators 810 austritt, durch den offenbarten Sensor 820 überwacht werden. Das System kann weiterhin eine Quelle von Verdünnungswasser 830 umfassen. Das Verdünnungswasser 830 kann mit der erzeugten Hypochloritlösung 870 gemischt werden, um einen verdünnten Produktstrom 880 bereitzustellen. Gemäß mindestens einer Ausführungsform kann der Sensor 820 so positioniert werden, dass er einen unverdünnten Produktstrom vor dem Mischen mit dem Verdünnungswasser misst. Als Alternative dazu kann der Sensor 920, wie in 13 gezeigt, so positioniert werden, dass er einen verdünnten Produktstrom 980 misst, nachdem die erzeugte Hypochloritlösung 970 mit dem Verdünnungswasser 930 gemischt worden ist. In beiden Ausführungsformen kann die gemessene Konzentration von dem Sensor 820 oder 920 als Rückführung und zusammen mit beispielsweise einem Steuersystem 860 oder 960 und/oder einem Ventil 840 oder 950 zur Regulierung entweder der Menge an Verdünnungswasser, das eingeführt wird, um den verdünnten Produktstrom zu bilden, oder der Menge an verdünntem Produktstrom, der in einen aufzubereitenden Strom 850 oder 950 eingeführt wird, verwendet werden.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen wird ein Verfahren zum Messen der Konzentration von Hypochlorit offenbart. Dieses Verfahren beinhaltet das Zugeben einer Hypochloritlösung zu einer Messzelle, das Lenken eines Strahlbündels monochromatischer Strahlung durch die Messzelle, welche die Hypochloritlösung enthält, zu einem Photodiodendetektor, das Messen der Spannung von dem Photodiodendetektor und das Korrelieren der Spannung von dem Photodiodendetektor zu der Hypochloritkonzentration der Hypochloritlösung in der Messzelle. Das Strahlbündel kann von einer Lichtemitterdiode emittiert werden. Das Licht kann auf einer Wellenlänge von etwa 350 nm bis 410 nm emittiert werden. Das Licht kann auf einer Wellenlänge von etwa 380 nm bis 395 nm emittiert werden. Die Desinfektionsmittelkonzentration kann eine Hypochloritkonzentration im Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 15 Gew.-% sein.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen kann Wasser aufbereitet werden, indem eine Quelle von einem Desinfektionsmittel, wie etwa Hypochlorit, mit einer Konzentration von bis zu 15 Gew.-% Hypochlorit, mit dem aufzubereitenden Wasser in Verbindung gebracht wird und die Desinfektion des Wassers reguliert wird.
Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen kann ein Verfahren zur Vereinfachung der Wasseraufbereitung das Bereitstellen des offenbarten Hypochloritsensors an einem Wasseraufbereitungsort, beinhaltend eine Quelle von Hypochlorit in Fluidverbindung mit aufzubereitendem Wasser, beinhalten. Das Verfahren kann weiterhin das Bereitstellen eines vor Ort Hypochloritgenerators oberhalb des Sensors als die Quelle von Hypochlorit beinhalten.
In einigen Ausführungsformen kann das Hypochlorit als ein Reaktant verwendet werden, wie für die Produktion von Chlordioxid. Die offenbarten Sensoren können verwendet werden, um die Reaktantkonzentration zu überwachen, welche zur verbesserten Steuerung und Effizienz in eine Reaktionskammer gespeist wird.
Die Funktion und die Vorteile dieser und anderer Ausführungsformen sind aus den folgenden, nicht einschränkenden Beispielen besser zu verstehen. Die Beispiele sollen lediglich der Darstellung dienen und sind nicht als den Bereich der hier erörterten Ausführungsformen einschränkend anzusehen.
BEISPIEL 1
Es wurde ein Experiment durchgeführt, um zu bestätigen, dass sich Hypochlorit selbst auf Nicht-Peak-Wellenlängen gemäß dem Lambert-Beerschen Gesetz verhält. Die wissenschaftliche Basis hinter dieser Offenbarung ist das Lambert-Beersche Gesetz, das vorschlägt, dass das Absorptionsvermögen einer Lösung aus einer aktiven Substanz linear zu der Konzentration der Substanz ist. Genauer: A = ε × b × c wobei A das Absorptionsvermögen ist (keine Einheiten, da A = log10 (I_o/I)), ε die molare Absorptionsfähigkeit mit Einheiten von L mol^–1 cm^–1 ist, b die Weglänge der Probe ist, c die Konzentration der Verbindung in Lösung, ausgedrückt in mol L^–1, ist.
Diese Untersuchung konzentriert sich auf die von dem Absorptionsvermögens-Peak entfernten Wellenlängen, wobei das Absorptionsvermögen wesentlich geringer ist, und daher können hohe Konzentrationen genauer gemessen werden.
Proben mit einer bekannten Hypochloritkonzentration wurden unter Verwendung eines iodometrischen Titrationsverfahrens präpariert. 50 ml destilliertes Wasser, gefolgt von 5 g Essigsäure und einer Tablette Kaliumiodid (1 g) wurden in einen Kolben gegeben. Das gewählte Probenvolumen betrug 5 ml (V) und wurde in die Mischung gegossen und gerührt, um eine einheitliche Lösung zu ergeben. Standardmäßiges Natriumthiosulfat wurde aus einer Bürette zugegeben, bis die braune Farbe von dem befreiten Iod ausgelaufen war und die Lösung kristallklar war. Das Volumen von Thiosulfat, das für das Auslaufen verwendet wurde, wurde aufgezeichnet (T). Die folgende allgemeine Gleichung wurde verwendet, um die Hypochloritstärke zu berechnen [5]: mg/l als Cl₂/L = (T × 3,545 × 1000)/V
Als Nächstes wurden die Proben mit verschiedenen bekannten Hypochloritkonzentrationen einer spektroskopischen Analyse unterzogen, indem UV-Strahlbündel mit variierenden Wellenlängen durch die Proben geleitet wurden. Das Absorption-Wellenlänge-Diagramm, das erzeugt wurde, ist in 7 gezeigt. Die Hypochloritkonzentration für jede der dargestellten Absorptionskurven ist in der Legende zu 7 gezeigt; beispielsweise stellt 70/100 eine Hypochloritkonzentration von 70 % für diese Probe dar. Wie in 7 gezeigt, tritt das Peak-Absorptionsvermögen von Hypochlorit für alle Konzentrationen auf einer Wellenlänge von ungefähr 290 nm auf.
Das Experiment hatte später jedoch identifiziert, dass selbst auf Wellenlängen, die weit von derjenigen des Peak-Absorptionsvermögens liegen, das Lambert-Beersche Gesetz für das Hypochlorit trotzdem noch galt. 8 zeigt ein Absorption-Wellenlänge-Diagramm für Natriumhypochlorit auf Nicht-Peak-Wellenlängen. Die Absorption von Hypochlorit auf diesen Wellenlängen ist ungefähr in einer geringeren Größenordnung als auf einer Peak-Absorptionswellenlänge.
9 zeigt die Beziehung zwischen Absorption und Hypochloritkonzentration auf einer Wellenlänge von 390 nm, wobei aufgezeigt wird, dass das Lambert-Beersche Gesetz selbst auf einer Wellenlänge weit von Peak-Absorptionsvermögen gilt.
BEISPIEL 2
Ein Emitter-Detektor-System wurde zum genauen Messen von Hypochloritkonzentrationen konstruiert. Eine schematische Darstellung des entwickelten Systems ist in 1 gezeigt.
Die Testgeräte umfassten eine Stromquelle zur Versorgung der UV-LED mit Strom. Eine einfache, kostengünstige mechanische Lösung wurde für die Aufspaltung des Strahlbündels ausgewählt. Dies beinhaltete einen kundenspezifischen PVC-Block, der zwei verschiedene Lichtwege schaffte, wobei einer durch die gemessene Probe führte und einer Referenzzwecken diente. Zwei Photodioden wurden am Ende jedes Weges platziert. Der Strom durch diese Detektoren würde gemäß dem Lambert-Beerschen Gesetz die Grundmessung für die Berechnung des Absorptionsvermögens sein. Der Sensor wurde unter verschiedenen Hypochloritkonzentrationen getestet. Um dies zu erreichen, wurden mehreren iodometrischen Titrationsverfahren und geeigneten Verdünnungen gefolgt, um den wünschenswerten Bereich der Hypochloritstärke (0–1 %) abzudecken, wobei die in Beispiel 1 oben beschriebenen Schritte befolgt wurden. Es wurde eine Wellenlänge von 395 nm verwendet.
Ein optionaler logarithmischer Verstärker wurde eingeschlossen, um das logarithmische Verhältnis zu erzeugen, das für eine genaue Messung des Absorptionsvermögens behilflich war. Ein Mikroprozessor wurde verwendet, um die Daten auf eine LCD-Anzeige zu übertragen, welche die gemessene Hypochloritstärke in ihrer endgültigen Form darstellte, wie in 1 gezeigt.
Die Ergebnisse sind in 10 dargestellt. Nach der Integration des Mikroprozessors und des LCD-Bildschirms wurde das Experiment nochmals wiederholt und die endgültigen Ergebnisse, wie durch den LCD-Bildschirm erfasst, sind in 11 gezeigt.
Die Ausgangsspannung des logarithmischen Verstärkers war praktisch linear zu der Konzentration der Hypochloritstärke (Korrelation von 0,9977), was bestätigt, dass das Lambert-Beersche Gesetz auf dieser Wellenlänge immer noch relevant war. Als Letztes brachte die Zugabe des Analog-Digital-Wandlers und der Anzeige den Prototyp näher zu einer kommerziellen Version, wobei eine Korrelation von 0,9878 zwischen den bekannten und den gemessenen Hypochloritkonzentrationen erzielt wurde. Diese Untersuchung veranschaulichte die erfolgreiche Verwendung eines spektralphotometrischen Sensors zur Messung der Hypochloritstärke. 10 und 11 illustrieren, dass der vorgeschlagene Sensor eine genaue Messung der Hypochloritkonzentration bereitstellt.
Nachdem somit verschiedene Aspekte mindestens einer Ausführungsform dieser Offenbarung beschrieben worden sind, versteht es sich, dass dem Fachmann leicht verschiedene Änderungen, Abwandlungen und Verbesserungen einfallen werden. Es ist beabsichtigt, dass derartige Änderungen, Abwandlungen und Verbesserungen Teil dieser Offenbarung sind und innerhalb des Wesens und des Bereichs der Offenbarung liegen. Demgemäß sind die vorstehende Beschreibung und die Zeichnungen lediglich beispielhaft. Obwohl viele der hier präsentierten Beispiele spezifische Kombinationen von Verfahrensvorgängen oder Systemelementen involvieren, versteht es sich insbesondere, dass diese Vorgänge und diese Elemente auf andere Weisen kombiniert werden können, um dieselben Ziele zu erreichen.
Der Fachmann sollte überdies einsehen, dass die hier beschriebenen Parameter und Konfigurationen beispielhaft sind und dass tatsächliche Parameter und/oder Konfigurationen von der spezifischen Anwendung abhängen werden, in der die Systeme und Techniken der Erfindung verwendet werden. Der Fachmann sollte auch Äquivalente zu den spezifischen Ausführungsformen der Erfindung erkennen oder in der Lage sein, diese zu bestimmen, ohne mehr als routinemäßiges Experimentieren anzuwenden. Daher versteht es sich, dass die hier beschriebenen Ausführungsformen lediglich als Beispiel gegeben sind und dass die Erfindung innerhalb des Bereichs beliebiger angehängter Ansprüche und ihrer Äquivalente anderweitig als spezifisch beschrieben umgesetzt werden kann.
Die hier verwendete Ausdrucksweise und Terminologie dient der Beschreibung und sollte nicht als einschränkend angesehen werden. In seiner Verwendung hier bezeichnet der Begriff „Vielzahl“ zwei oder mehr Einheiten oder Komponenten. Die Begriffe „beinhalten“, „umfassen“, „tragen“, „aufweisen“, „enthalten“ und „involvieren“, ob in der geschriebenen Beschreibung oder den Ansprüchen und dergleichen, sind offene Begriffe, d. h. sie bedeuten „einschließlich, aber nicht darauf beschränkt“. Somit soll die Verwendung derartiger Begriffe die danach aufgeführten Einheiten und Äquivalente davon sowie zusätzliche Einheiten einschließen. Nur die Verbindungsausdrücke „bestehend aus“ und „bestehend im Wesentlichen aus“ sind geschlossene bzw. halb geschlossene Verbindungsausdrücke in Bezug auf jegliche beliebige Ansprüche. Die Verwendung von Ordnungsbegriffen wie etwa „erster“, „zweiter“, „dritter“ und dergleichen in den Ansprüchen zum Modifizieren eines Anspruchelements gibt an sich keine/n Priorität, Vorrang oder Reihenfolge eines Anspruchelements über ein anderes oder die zeitliche Reihenfolge, in der Vorgänge eines Verfahrens ausgeführt werden, an, sondern sie werden lediglich als Kennzeichen zur Unterscheidung eines Anspruchelements mit einem gewissen Namen von einem anderen Element mit dem gleichen Namen (abgesehen von der Verwendung des Ordnungsbegriffs) zur Unterscheidung der Anspruchelemente verwendet.
Während beispielhafte Ausführungsformen der Offenbarung offenbart worden sind, können viele Abwandlungen, Hinzufügungen und Auslassungen daran vorgenommen werden, ohne von dem Wesen und Bereich der Offenbarung und ihrer Äquivalente, wie in den folgenden Ansprüchen dargelegt, abzuweichen.

Claims

Ein spektralphotometrischer Hypochloritsensor, beinhaltend: eine erste Quelle von monochromatischer Strahlung, die zur Erzeugung eines emittierten Lichts konfiguriert ist; eine Probenkammer, die konfiguriert und positioniert ist, um das emittierte Licht zu empfangen und eine Hypochlorit beinhaltende Probe zu enthalten, durch die das emittierte Licht zur Erzeugung eines teilweise absorbierten Lichts läuft; einen Detektor, der konfiguriert und positioniert ist, um das teilweise absorbierte Licht zu empfangen und als Reaktion auf das Empfangen des teilweise absorbierten Lichts ein Eingabesignal zu generieren; und einen Prozessor, der konfiguriert ist, um das Eingabesignal vom Detektor zu empfangen, das Eingabesignal mit einer Hypochloritkonzentration der Probe zu korrelieren und ein Ausgabesignal, das auf die Hypochloritkonzentration der Probe hinweist, zu generieren.
Sensor gemäß Anspruch 1, wobei die erste Quelle von monochromatischer Strahlung eine erste Leuchtdiode (LED) beinhaltet.
Sensor gemäß Anspruch 2, weiterhin beinhaltend einen ersten Lichtwellenleiter, der konfiguriert ist, um das von der ersten LED emittierte Licht zu empfangen und das emittierte Licht auf die Probenkammer zu übertragen, und einen zweiten Lichtwellenleiter, der konfiguriert ist, um das teilweise absorbierte Licht von der Probenkammer zu empfangen und das teilweise absorbierte Licht auf den Detektor zu übertragen.
Sensor gemäß Anspruch 1, wobei die erste Quelle von monochromatischer Strahlung ein emittiertes Licht mit einer Wellenlänge, die einer Nicht-Peak-Absorptionsvermögenswellenlänge für Hypochlorit entspricht, aufweist.
Sensor gemäß Anspruch 1, wobei die erste Quelle von monochromatischer Strahlung konfiguriert ist, um einen Strahl monochromatischer Strahlung mit einer Wellenlänge im Bereich von etwa 350 nm bis 410 nm bereitzustellen.
Sensor gemäß Anspruch 5, wobei die erste Quelle von monochromatischer Strahlung konfiguriert ist, um ein emittiertes Licht mit einer Wellenlänge im Bereich von etwa 380 nm bis 395 nm bereitzustellen.
Sensor gemäß Anspruch 5, wobei der Sensor eine erste Photodiode beinhaltet.
Sensor gemäß Anspruch 7, weiterhin beinhaltend eine zweite Photodiode, die konfiguriert ist, um ein Referenzlicht von der ersten Quelle von monochromatischer Strahlung zu empfangen, wobei das Referenzlicht nicht durch die Probenkammer läuft.
Sensor gemäß Anspruch 1, wobei der Sensor so konstruiert und angeordnet ist, dass er in der Hand gehalten werden kann.
Sensor gemäß Anspruch 1, wobei der Sensor zur Inline-Überwachung der Hypochloritstärke konfiguriert ist.
Sensor gemäß Anspruch 1, wobei der Sensor zur Messung der Hypochloritkonzentration im Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 15 Gew.-% konfiguriert ist.
Sensor gemäß Anspruch 2, weiterhin beinhaltend eine zweite LED, die zur Erzeugung eines emittierten Lichts mit einer sich von der Wellenlänge der ersten LED unterscheidenden Wellenlänge konfiguriert ist.
Ein Wasseraufbereitungssystem, beinhaltend: eine Quelle von Hypochlorit beinhaltendem Desinfektionsmittel; eine Quelle von aufzubereitendem Wasser; den spektralphotometrischen Hypochloritsensor gemäß Anspruch 1, der zur Detektion einer Hypochloritkonzentration des Desinfektionsmittels konfiguriert ist, wobei die Probenkammer abwärts von der Quelle von Desinfektionsmittel positioniert ist und zum Empfangen eines Teils des Desinfektionsmittels als Probe konfiguriert ist; und ein Ventil, das zwischen der Quelle von Desinfektionsmittel und der Quelle von aufzubereitendem Wasser positioniert ist, wobei das Ventil auf das Ausgabesignal reagiert und zur Regulierung der Einführung des Desinfektionsmittels in den Zufluss von Abwasser konfiguriert ist, um aufbereitetes Wasser zu erzeugen.
System gemäß Anspruch 13, wobei die Quelle von Desinfektionsmittel einen vor Ort Hypochloritgenerator beinhaltet.
Ein System zur Überwachung der Hypochloritstärke, beinhaltend: einen vor Ort Hypochloritgenerator, beinhaltend eine elektrolytische Zelle; und den spektralphotometrischen Hypochloritsensor gemäß Anspruch 1, der konstruiert und angeordnet ist, um eine Hypochloritkonzentration eines Produktstroms an einem Ausgang des vor Ort Hypochloritgenerators zu messen.
System zur Überwachung der Hypochloritstärke gemäß Anspruch 15, weiterhin beinhaltend eine Quelle zur Verdünnung von Wasser, das mit dem Produktstrom oberhalb des Sensors fluidverbunden ist, und wobei der Sensor zum Messen einer Hypochloritkonzentration eines verdünnten Produktstroms konfiguriert ist.
System zur Überwachung der Hypochloritstärke gemäß Anspruch 15, weiterhin beinhaltend eine Quelle zur Verdünnung von Wasser, die mit dem Produktstrom unterhalb des Sensors fluidverbunden ist, und wobei der Sensor zum Messen einer Hypochloritkonzentration eines unverdünnten Produktstroms konfiguriert ist.
Ein Verfahren zur Regulierung der Desinfektion von aufzubereitendem Wasser, beinhaltend: Emittieren eines elektromagnetischen Strahlbündels mit einer ersten Strahlungsleistung durch eine Desinfektionsmittelprobe zur Erzeugung eines teilweise absorbierten elektromagnetischen Strahlbündels; Messen einer zweiten Strahlungsleistung des teilweise absorbierten elektromagnetischen Strahlbündels; Berechnen einer Konzentration des Desinfektionsmittels, bezogen, mindestens zum Teil, auf die erste Strahlungsleistung und die zweite Strahlungsleistung; und Einstellen eines Ventils, das zur Regulierung der Einführung des Desinfektionsmittels in das aufzubereitende Wasser konfiguriert ist, bezogen, mindestens zum Teil, auf die berechnete Desinfektionsmittelkonzentration.
Verfahren gemäß Anspruch 18, wobei das elektromagnetische Strahlbündel von einer Leuchtdiode (LED) emittiert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 18, wobei das Desinfektionsmittel Hypochlorit beinhaltet.
Verfahren gemäß Anspruch 20, wobei das elektromagnetische Strahlbündel eine Wellenlänge von etwa 350 nm bis etwa 410 nm aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 21, wobei das elektromagnetische Strahlbündel eine Wellenlänge von etwa 380 nm bis etwa 395 nm aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 21, wobei das Desinfektionsmittel eine Hypochloritkonzentration im Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 15 Gew.-% aufweist.
Ein Verfahren zur Aufbereitung von Wasser, beinhaltend: Herstellen einer Fluidverbindung zwischen einer Quelle von einem Desinfektionsmittel, beinhaltend bis zu etwa 15 Gew.-% Hypochlorit, und dem Wasser; und Regulieren der Desinfektion des Wassers gemäß dem Verfahren von Anspruch 18.
Ein Verfahren zur Vereinfachung der Wasseraufbereitung, beinhaltend: Bereitstellen des spektralphotometrischen Hypochloritsensors gemäß Anspruch 1 an einem Wasseraufbereitungsort, beinhaltend eine Quelle von Hypochlorit in Fluidverbindung mit aufzubereitendem Wasser.
Verfahren gemäß Anspruch 25, weiterhin beinhaltend das Bereitstellen eines vor Ort Hypochloritgenerators oberhalb des Sensors als die Quelle von Hypochlorit.