一种溶液中多金属离子浓度检测方法技术

本发明专利技术公开了一种溶液中多金属离子浓度检测方法，执行如下：计算待测溶液中每种离子在原始波长区间内每个波长对应的吸光度系数，并构建待测溶液的目标波长区间；获取待测溶液吸光度的比值光谱导数信息，将一种离子M的标准溶液作为除数因子对待测溶液的吸光光谱进行比值光谱导数处理得到吸光度的比值光谱导数信息；然后，在目标波长区间内采用卡尔曼滤波分光光度法计算出待测溶液中剩余离子的浓度，再基于剩余离子的浓度计算出作为除数因子的离子M的离子浓度。本发明专利技术具有速度快、使用简单、高灵敏度，不需要对离子进行预分离则可以同时检测多金属离子的浓度，易实现自动化，适合用于溶液中多金属离子同时检测。

A Method for Detecting Polymetallic Ion Concentration in Solution

【技术实现步骤摘要】
一种溶液中多金属离子浓度检测方法
本专利技术属于光谱定量检测溶液离子浓度的
，具体涉及一种溶液中多金属离子浓度检测方法。
技术介绍
湿法冶锌工业废水主要包括大量的锌(Zn)和痕量金属离子，如铜(Cu)，钴(Co)和镍(Ni)，主要锌离子与痕量离子浓度比高达103，由于重金属离子固有的毒性，过量的排放会严重污染水资源和影响人体健康。因此，实时检测和严格控制金属离子浓度具有重要意义。目前，已经提出了多种方法用于同步测定金属离子，如原子吸收光谱、伏安法、高效液相色谱、紫外可见光谱以及原子荧光光谱等。在这些方法中，紫外可见光谱由于其在准确性、速度快以及简单性和成本效益方面的优越性而长期被广泛使用，成为测定重金属离子的一种重要的分析方法。然而，传统的紫外可见光谱检测主要用于单离子。当应用于多金属离子时，必须通过化学方法预先分离每个组分，步骤繁琐，并且实时性差。为了避免分离步骤，已经广泛使用几种分光光度法进行多组分分析。这些方法包括主成分回归(PCR)，差分分光光度法，偏最小二乘回归(PLSR)，导数分光光度法，卡尔曼滤波分光光度法和多波长线性回归分析(MLRA)。但是，这些方法主要用于分析浓度相近的多组分离子。对于湿法冶锌工业废水，溶液中主要成分锌和痕量金属离子的浓度比高达103，混合物中存在严重的重叠和干扰。到目前为止，由于痕量离子的灵敏度较低，且离子间谱峰重叠严重和相互干扰，还没有一种检测方法能够同步精确测定工业废水中的锌和痕量离子。因此亟待寻找一种面向湿法炼锌工业废水溶液中多金属离子同步检测的方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种溶液中多金属离子浓度检测方法，其实现了溶液中多种金属离子浓度的同步检测的方法，其可以精确测定工业废水中锌和痕量离子浓度。本专利技术提供的一种溶液中多金属离子浓度检测方法，执行过程如下：计算待测溶液中每种离子在原始波长区间内每个波长对应的吸光度系数，并构建待测溶液的目标波长区间；其中，所述目标波长区间由相关系数R大于阈值的波长点构成，所述相关系数R表示波长点处包含的离子特征信息，相关系数R越大，对卡尔曼滤波模型的贡献越大；获取待测溶液吸光度的比值光谱导数信息；其中，获取待测溶液的吸收光谱，并将一种离子M的标准溶液作为除数因子对待测溶液的吸光光谱进行比值光谱导数处理得到吸光度的比值光谱导数信息，所述吸光度比值光谱导数与剩余离子浓度相关，与离子M无关；然后，基于待测溶液吸光度的比值光谱导数、离子的吸光度系数并在目标波长区间内采用卡尔曼滤波分光光度法计算出待测溶液中剩余离子的浓度，再基于剩余离子的浓度计算出作为除数因子的离子M的离子浓度。本专利技术采用上述方法实现了溶液中多种离子的同时检测，所谓同时检测为不需要将离子进行分离也可以检测出所有离子的浓度。其中，本专利技术通过相关系数阈值法选择多金属离子灵敏度较高的波长区间，提高了建模精度；其次，本专利技术采用比值光谱倒数法进行重叠峰分离，一般选择对其他离子影响较大的离子作为除数因子，譬如湿法冶锌工业废水中则选择锌离子，进而消除了锌离子对其他离子的影响，提高了计算精度；最后使用卡尔曼滤波分光光度法消除离子间的干扰，能够不经分离就检查出多种离子的浓度。进一步优选，采用卡尔曼滤波分光光度法计算剩余离子浓度的过程如下：A1：初始化浓度矢量X(λk)、初始化浓度矢量估计值取值均为零，浓度矢量X(λk)表示剩余离子的浓度，λ表示波长，λk表示目标波长区间中第k个波长点对应的波长；A2：基于前一个波长点的浓度矢量和浓度矢量估计值、待测溶液吸光度的比值光谱导数、离子的吸光度系数计算在目标波长区间中当前波长点的浓度矢量估计值；式中，表示目标波长区间内波长点λk、前一个波长点λk-1对应的浓度矢量估计值，X(λk-1)表示目标波长区间内前一个波长点λk-1对应的浓度矢量，K(λk)表示卡尔曼增益，Z(λk)表示波长点λk对应的待测溶液吸光度的比值光谱导数，待测溶液吸光度的比值光谱导数表示为：为待测溶液在波长点λk处的吸光度，CM0为离子M的标准溶液的浓度，为离子M在波长点λk的吸光度系数；HT(λk)为剩余离子在波长点λk的吸光度系数比值导数矩阵H(λk)的转置矩阵，剩余离子中第i个离子在波长点λk的吸光度系数比值导数表示为：为剩余离子中第i个离子在波长点λk的吸光度系数；A3：计算在目标波长区间内前一个波长点与当前波长点的浓度矢量估计值的误差均值，若小于预设误差阈值，则输出当前波长点对应的浓度矢量估计值得到待测溶液中所述剩余离子的浓度。进一步优选，任意波长点λi处待测溶液吸光度的比值光谱导数与剩余离子浓度的关系式如下：式中，C1,C2...Cn-1表示待测溶液中除离子M之外剩余n-1个离子浓度，表示待测溶液中除离子M之外剩余n-1个离子对应在波长点λi处的吸光度系数，n为待测溶液中离子种类数。从上述公式可知，溶液的吸光度的比值光谱导数与剩余离子浓度有关，但是与作为除数因子的离子浓度无关，进而消除了作为除数因子的离子对其他离子的影响。进一步优选，浓度矢量估计值的误差均值对应的预设误差阈值为10-4。进一步优选，构建待测溶液的目标波长区间的过程如下：B1：采用相关系数阈值法计算每个波长点的相关系数R；式中，Ri表示原始波长区间内波长点λi处的相关系数，yi表示由与待测溶液相同离子成分，不同离子浓度的若干组溶液在波长点λi处的吸光度组成的吸光度矢量，ym表示吸光度矢量yi中吸光度均值，si表示基于离子的吸光度系数线性拟合所述若干组溶液在波长点λi处的吸光度构成的吸光度矢量，其中，一组溶液在波长点λi处线性拟合的吸光度如下：式中，表示一组溶液在波长点λi处线性拟合的吸光度，表示溶液中n类离子在波长点λi处的吸光度系数，C1,C2...Cn分别表示所述一组溶液中n类离子的浓度；B2：提取相关系数R大于阈值的波长点构建目标波长区间。进一步优选，相关系数R对应的阈值为0.95。进一步优选，计算待测溶液中每种离子在原始波长区间内每个波长对应的吸光度系数的过程如下：D1：采集与待测溶液相同离子成分，不同离子浓度的若干组溶液的吸收光谱；其中，同一个离子在同一个波长点下的吸光度系数与离子浓度无关；D2：根据朗伯比尔定律采用线性回归法计算每种离子在原始波长区间内每个波长对应的吸光度系数；其中，在波长点λi处溶液的吸光度与溶液中每个离子的浓度、吸光度系数的关系如下：式中，表示在波长点λi处溶液的吸光度，表示溶液中n类离子在波长点λi处的吸光度系数，C1,C2...Cn分别表示一组溶液中n类离子的浓度，λ表示波长。进一步优选，基于剩余离子的浓度计算出作为除数因子的离子M的离子浓度的过程如下：依据朗伯比尔定律获取待测溶液的吸光度与离子浓度的关系式：式中，表示在波长点λi处溶液的吸光度，表示溶液中除离子M之外的n-1类离子在波长点λi处的吸光度系数，C1...Cn-1分别表示一组溶液中除离子M之外的n-1类离子的浓度，CM表示离子M的浓度，表示离子M在波长点λi处的吸光度系数，Ad表示低频噪声；基于待测溶液的吸收光谱获取溶液的吸光度，并将剩余离子的浓度及对应吸光度系数代入关系式计算出离子M的离子浓度。进一步优选，所述溶液中离子包括锌离子以及痕量金属离子，作为除数因子的离子为锌离子。有益效本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种溶液中多金属离子浓度检测方法，其特征在于：执行过程如下：计算待测溶液中每种离子在原始波长区间内每个波长对应的吸光度系数，并构建待测溶液的目标波长区间；其中，所述目标波长区间由相关系数R大于阈值的波长点构成，所述相关系数R表示波长点处包含的离子特征信息，相关系数R越大，对卡尔曼滤波模型的贡献越大；获取待测溶液吸光度的比值光谱导数信息；其中，获取待测溶液的吸收光谱，并将一种离子M的标准溶液作为除数因子对待测溶液的吸光光谱进行比值光谱导数处理得到吸光度的比值光谱导数信息，所述吸光度比值光谱导数与剩余离子浓度相关，与离子M无关；然后，基于待测溶液吸光度的比值光谱导数、离子的吸光度系数并在目标波长区间内采用卡尔曼滤波分光光度法计算出待测溶液中剩余离子的浓度，再基于剩余离子的浓度计算出作为除数因子的离子M的离子浓度。

【技术特征摘要】
1.一种溶液中多金属离子浓度检测方法，其特征在于：执行过程如下：计算待测溶液中每种离子在原始波长区间内每个波长对应的吸光度系数，并构建待测溶液的目标波长区间；其中，所述目标波长区间由相关系数R大于阈值的波长点构成，所述相关系数R表示波长点处包含的离子特征信息，相关系数R越大，对卡尔曼滤波模型的贡献越大；获取待测溶液吸光度的比值光谱导数信息；其中，获取待测溶液的吸收光谱，并将一种离子M的标准溶液作为除数因子对待测溶液的吸光光谱进行比值光谱导数处理得到吸光度的比值光谱导数信息，所述吸光度比值光谱导数与剩余离子浓度相关，与离子M无关；然后，基于待测溶液吸光度的比值光谱导数、离子的吸光度系数并在目标波长区间内采用卡尔曼滤波分光光度法计算出待测溶液中剩余离子的浓度，再基于剩余离子的浓度计算出作为除数因子的离子M的离子浓度。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：采用卡尔曼滤波分光光度法计算剩余离子浓度的过程如下：A1：初始化浓度矢量X(λk)、初始化浓度矢量估计值取值均为零，浓度矢量X(λk)表示剩余离子的浓度，λ表示波长，λk表示目标波长区间中第k个波长点对应的波长；A2：基于前一个波长点的浓度矢量和浓度矢量估计值、待测溶液吸光度的比值光谱导数、离子的吸光度系数计算在目标波长区间中当前波长点的浓度矢量估计值；式中，表示目标波长区间内波长点λk、前一个波长点λk-1对应的浓度矢量估计值，X(λk-1)表示目标波长区间内前一个波长点λk-1对应的浓度矢量，K(λk)表示卡尔曼增益，Z(λk)表示波长点λk对应的待测溶液吸光度的比值光谱导数，待测溶液吸光度的比值光谱导数表示为：为待测溶液在波长点λk处的吸光度，CM0为离子M的标准溶液的浓度，为离子M在波长点λk的吸光度系数；HT(λk)为剩余离子在波长点λk的吸光度系数比值导数矩阵H(λk)的转置矩阵，剩余离子中第i个离子在波长点λk的吸光度系数比值导数表示为：为剩余离子中第i个离子在波长点λk的吸光度系数；A3：计算在目标波长区间内前一个波长点与当前波长点的浓度矢量估计值的误差均值，若小于预设误差阈值，则输出当前波长点对应的浓度矢量估计值得到待测溶液中所述剩余离子的浓度。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：任意波长点λi处待测溶液吸光度的比值光谱导数与剩余离子浓度的关系式如下：式中，C1,C2...Cn-1表示待测溶液中除离子M之外剩余n-1个离子浓度，表示待测溶液中除离子M之外剩余n-1个离子对应在波长点λi处...

【专利技术属性】
技术研发人员：阳春华，周风波，朱红求，李勇刚，周灿，周涛，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43