Optiset vedenlaadun kenttämittaukset Toimivuus, ongelmat, edut
Mittalaitelaboratorio Tutkimusalueet Mekaanisen puun mittaukset Sellun ja paperin mittaukset Fotoniikka Langaton instrumentointi Liikuntateknologian mittaukset Ympäristömittaukset
Mittalaitelaboratorio Teknologiat Optinen spektroskopia ja refraktometria Prosessimikroskopia Mikroaaltotekniikka Ultraäänitekniikka Konenäkö Infrapunatekniikka Langattomat teknologiat teollisuudessa
Teoria Heijastusmittaus (a) Läpäisymittaus (b,c) Polarisaatiomittaus Sirontamittaus (d) Emissiomittaus (e)
Vedenlaadun optinen mittaus UV-Vis-spektrit: Nitraatti, nitriitti Sulfidi, kloridi Kromi, rauta Absorbance UV Vis NO - 2 NO - 3 COD BOD TOC BTEX Colour Turbidity 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 Wavelength (nm)
Vedenlaadun optinen mittaus Tunnettuja optisesti mitattavia vedenlaadun suureita Väri Sameus UV-Vis-alueella absorboivat sidokset -O-, N, -S-, C=O, C=C
Vedenlaadun optinen mittaus NIR CH (alifaattiset ja aromaattiset) NH (proteiinit) OH (alkoholit, vesi) Kiintoaine, N, P, sähkönjohtokyky yms. epäsuoria
Vedenlaadun optinen mittaus Kemiallisten määritettyjen suureiden mittaaminen Ei absoluuttisia arvoja Vedenlaadun indeksi
Optisten reaaliaikaisten mittausten etuja Mittaus ei vaadi kemikaaleja Vähentää näytteenottovirhettä Työvoimakustannukset alhaiset Muutokset vedenlaadussa havaitaan nopeasti Mahdollistavat tuotantoprosessien optimoinnin ja kemikaalinkulutuksen optimoinnin Useiden suureiden samanaikainen määritys
Kehitetty testipenkki NIR UV-Vis Fluoresenssi Kehityksen apuväline Mittausmenetelmät Sensorit Vesien testaamiseen Kenttäkelpoinen
Mittauskohteet Paperiteollisuuden prosessivedet Jätevedenpuhdistamon lähtevä vesi Kaivosympäristön vesi
Paperiteollisuus Kanaalivedet, UPM:n tehdas Kajaanissa UPM:n jätevedenpuhdistamon selkeytetty vesi
Kemiallisen hapenkulutuksen arviointi UV-spektroskopialla Kohteena UPM:n paperitehtaan kanaalivedet Näytteenotto ja laboratoriomittaukset Tutkijana FM Reetaleena Rissanen Reaaliaikainen mittaus Nähdään laatuvaihtelut nopeammin ja täten varmistetaan biologisen jätevedenpuhdistamon toiminta
Kanaalivesien laatu Paljon erilaisia yhdisteitä pienissä pitoisuuksissa, esim. puun polymeerejä, täyteaineita, prosessikemikaaleja sekä niiden reaktiotuotteita Muodot: suspendoitunut, kolloidaalinen ja liuennut
COD (Chemical Oxygen Demand, kemiallinen hapenkulutus) Hapen määrä, joka kuluu hapetettaessa kaikki näytteen orgaaniset yhdisteet epäorgaanisiksi lopputuotteiksi Määrityksessä käytetyn hapettimen kanssa ekvivalenttinen määrä happea, jonka näytteessä oleva liuennut ja suspendoitunut orgaaninen aine kuluttaa määrätyissä olosuhteissa Hapettimet dikromaatti (Cr 2 O 7 2- ) permanganaatti(mno 4- )
Voidaanko COD:ta arvioida UV-Visspektroskopian avulla? UV-mittauksella ei voi saada absoluuttiarvoa vrt. kemialliseen määritykseen Kuitenkin kirjallisuusselvityksen mukaan saatu melko luotettavia tuloksia Mitä spektri kertoo?
Tutkimusmenetelmät Näytteenotto eri kanaaleista Hiomo, hiertämö, paperikone, prosessivesisäiliö 7 näytepistettä, 53 näytteenhakukierrosta COD-määritys kyvettitestillä UV-Vis-spektri Laimennettu (190-700 nm), 397 spektriä Laimentamaton (191-394 nm), 201 spektriä Monimuuttujamallinnus
UV-Vis-alue ja orgaaniset yhdisteet Alueella näkyvät: Konjugoitunut rakenne C-C=C-C=C, esim. aromaattiset Heikko absorptio: C=O Karbonyyli (ketonit, aldehydit) Mitkä eivät: Alifaattiset amiinit ja aminohapot Hiilihydraatit Tyydyttyneet hiilivedyt Pienet molekyylit
Tuloksia COD vaihteli mittauspaikasta toiseen ja myös näytteenottokertojen välillä, n. 500-10 000 mg/l Spektrit ja monimuuttujamallinnus:
Toimivuus Kaikille näytteille laimennettu R 2 0.59 Laimentamaton R 2 0.65 Parempia korrelaatioita yksittäisistä näytekohteista, mutta parhaimmillaankin vain luokkaa 0.7 Suuntaa antavia, mutta pitoisuutta ei voi määritellä luotettavasti
Ongelmat Kiintoaine Kaikki kanaalivesien UV-Vis-alueella absorboiva ei aiheuta muutoksia CODarvoihin Karkea menetelmä Riittävätkö teollisuudelle suuntaa-antavat tulokset ja prosessimuutosten havaitseminen? Vaihtoehtona standardin mukainen automaattinen COD-analysaattori
Paperiteollisuuden jätevedet Paperitehtaan jätevedenpuhdistamon selkeytetty vesi Juhannusseisokin vaikutus Tutkijoina Harri Huttunen, Reetaleena Rissanen
Tuloksia NIR-spektri ei merkittävä Kalibroinnit epäonnistuivat Prosessien tilan arviointi
Kaivosteollisuus Kaivoksen alapuolisen vesistön tilan seuranta Virransyöttöjärjestelmä: akusto, aggregaatti 2 mittausajanjaksoa, kevät ja syksy
Vedenlaadun muutokset Syvän UV:n alueella Reaaliaikainen mittaus kannattaa! NIR herkkä muutoksille
Testipenkissä havaitut ongelmat Mittaukset pumpatusta vedestä -> tuloksen edustavuus NIR-ikkunoiden nopea likaantuminen Lämpötilavaihtelujen kompensointi ja referenssispektrin järjestelyt. Mittausohjelmisto vaatii kehitystä Anturien toimivuuden varmistaminen Mittausdatan käsittely Langattomuus
Mittausepävarmuus Otettava huomioon Kemialliset analyysit Optiset mittaukset Kannattaako korrelaatioiden hakeminen?