Intelligenter Ammoniak-Stickstoff-Sensor, der auf einer Ammoniakelektrode basiert

Abstrakt. Um das Problem zu lösen, dass die herkömmlichen Ammoniak-Erkennungsmethoden komplex, nicht einfach zu warten und eine schnelle Messung vor Ort schwierig zu realisieren waren, wurde in diesem Artikel ein intelligenter Ammoniaksensor entwickelt. Der intelligente Ammoniaksensor integriert eine Ammoniakelektrode, eine pH-Elektrode und eine Ammoniumionenelektrode, um die In-situ-Erkennung von Ammoniak zu ermöglichen. Da das Ausgangssignal der Ammoniakelektrode schwach ist und durch externe Störungen leicht gestört werden kann, wurde eine Tiefpassfilterschaltung entwickelt, die eine gute Wirkung erzielt. Die Testergebnisse haben gezeigt, dass der Sensor einfach zu bedienen, kostengünstig und umweltfreundlich ist.

1 Einführung

Unser Land ist ein großes Agrarland. Die Wasserproduktion steht seit 15 Jahren in Folge weltweit an erster Stelle. Die meisten Landwirte verlassen sich jedoch bei der Beurteilung der Wasserqualität in Aquakulturen auf ihre eigenen Erfahrungen mit Farbe, Geruch, Wassergeschmack oder beobachteten abnormalen Verhaltensweisen anderer Wassertiere. Für die Aquakultur sind gelöster Sauerstoff, Ammoniakstickstoff und PH einer der wichtigen Wasserqualitätsparameter, die überwacht werden müssen.

Im Wasser vorhandenes Ammoniak hat eine gewisse Toxizität für Aquakulturprodukte. Es beeinflusst die Qualität von Wasserprodukten und schränkt die nachhaltige Entwicklung der Aquakultur ein, insbesondere mit der Förderung der Massentierhaltungstechnologie mit hoher Dichte wird die Forderung nach Kontrolle der Ammoniakverschmutzung immer wichtiger. Ammoniak schädigt Wasserorganismen und bezieht sich hauptsächlich auf die Gefahren von nichtionischem Ammoniak, nachdem nichtionisches Ammoniak in Wasserorganismen gelangt. Es hat einen erheblichen Einfluss auf die Enzymhydrolyse  Reaktion und Membranstabilität. Erwiesene Schwierigkeiten beim Atmen, fehlende Nahrungsaufnahme, verminderte Immunität, Krämpfe, Koma und andere Phänomene beeinträchtigen das Wachstum und die Fortpflanzung von Wasserorganismen und führen sogar zu einer Dezimierung der Wasserorganismen, was sogar zu wirtschaftlichen Verlusten führt.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, den Gehalt an Ammoniakstickstoff im Wasser zu bestimmen

. Die bestehende Methode zur Bestimmung des Ammoniakstickstoffs weist einige Mängel auf

. Beispielsweise ist die Empfindlichkeit der Titration nicht hoch genug. Für die Spektrophotometrie sind große Mengen chemischer Reagenzien und komplizierte Schritte erforderlich

. Ammoniumion

Die Elektrodenmethode wird leicht durch andere einwertige Kationen beeinflusst. Optische Fluoreszenz

Die Technologie ist nicht ausgereift. Spektrometriegeräte sind teuer. Bei diesen Methoden ist es schwierig, die Anforderungen der Szene-In-situ-Erkennung mit hoher Frequenz zu erfüllen. Mit einer ammoniakempfindlichen Sonde können wir schnelle Messungen vor Ort durchführen. Der Sensor verfügt über einige gute Eigenschaften, wie z. B. einfache Bedienung, niedrige Kosten, schadstofffrei und erfordert keine Vorbehandlung des Wassers. Basierend auf der obigen Analyse wurde in diesem Artikel ein Verbundammoniaksensor entwickelt, der eine ammoniakempfindliche Sonde und eine PH-Sonde integriert. Eine kostengünstige Online-Überwachungsmethode für Ammoniak-Stickstoff wird der Hauptinhalt der Forschung sein und eine Lösung für einen elektrochemischen intelligenten Ammoniaksensor finden 

2 Messprinzip

Ammoniakstickstoff Der Gehalt im Wasser liegt in Form von freiem Ammoniak (NH3) und Ammoniumionen (NH4+) vor. Es ist ein wichtiger Indikator für die Wasserverschmutzung. Wenn freies Ammoniak NH3 eine bestimmte Konzentration erreicht, ist es schädlich für Wasserorganismen. Beispielsweise kann es bei bestimmten Fischarten toxische Wirkungen haben, wenn freies Ammoniak mehr als 0,2 mg/L beträgt. Die Löslichkeit von Ammoniak in Wasser ist bei unterschiedlichen Temperaturen und pH-Werten unterschiedlich höherer Anteil an freiem Ammoniak, im Gegenteil ein höherer Anteil an Ammoniumionen. Unter bestimmten Bedingungen haben Ammoniak und Ammoniumion die folgende Gleichgewichtsgleichung: NH3 + H2O↔NH4++ OHIn dieser Studie Ammoniakelektrode  wurde ausgewählt, um den Ammoniakgehalt im Wasser zu messen. Die Ammoniakelektrode ist eine Verbundelektrode, die PH-Glaselektrode dient als Indikatorelektrode und die Silber-Silberchlorid-Elektrode dient als Referenzelektrode. Stecken Sie die Elektroden in eine Kunststoffhülle, die mit 0,1 mol/L Ammoniumchloridflüssigkeit gefüllt und mit einer gasempfindlichen Folie ausgestattet ist. Fügen Sie der wässrigen Probenlösung Ionenstärke hinzu, kann der pH-Wert auf 11 oder mehr erhöht werden und Ammoniumsalze werden in Ammoniak umgewandelt, da Ammoniakgas durch Diffusion durch die Membran strömt (Wasser und andere Ionen können die Gasmembran passieren). Nachdem Ammoniakgas in die Innenfüllung gelangt ist, stellt sich folgendes Gleichgewicht ein:

4 -3  H2O  NH  OH  NH

Ammoniak führt dazu, dass sich die Gleichgewichtsgleichung nach rechts verschiebt, dann erhöht sich der PH-Wert mit dem Eintritt von Ammoniak. Schließlich ändert sich der Messwert der PH-Glaselektrode. Bei konstanter Ionenstärke, Temperatur, Art und Elektrodenparametern erfüllen die gemessene elektromotorische Kraft und die Ammoniakkonzentration in Wasserproben die Nernst-Gleichung. Aus dem gemessenen Potentialwert können wir den Stickstoffgehalt der Probe ermitteln. Zeichnen Sie abschließend anhand des gemessenen Spannungssignals eine Standardkurve, um die Konzentrationen der unbekannten Proben zu bestimmen.