通过将金属氧化到较高化合价的水样测量
优先权要求
本申请要求2018年7月24日提交的题目为“水样测量(AQUEOUS SAMPLEMEASUREMENT)”的美国临时专利申请No.62/702,654的优先权，其全部内容在本文中通过引用并入。
技术领域
本申请总体涉及水质量测量，更具体地涉及使用已氧化的较高化合价金属对水样中的材料进行氧化的水样的特性的测量。
背景技术
保证水质量在诸如药品和其他生产领域的许多产业中是至关重要的。另外，保证水质量对于依赖水进行生存的人类、动物和植物的健康和福祉是至关重要的。在水中测量的两个重要参数是总有机碳(TOC)和/或化学耗氧量(COD)。测量TOC和COD帮助确定水样中的活有机体或腐败物质的含量。TOC或COD的测量可以允许识别水质量，以确保水适于饮用或其他敏感用途。
发明内容
总而言之，一个实施例提供了一种用于测量水样的至少一种特性的方法，包括：将水样引入到包括一个或多个电极在内的测量设备；通过在所述测量设备的阳极和阴极之间施加电势，对过渡金属进行氧化以产生较高化合价金属；使用所述较高化合价金属作为催化剂，对水样内的材料进行氧化；使用从由以下项组成的组中选择的测量设备，基于已氧化的材料来测量水样的特性：电化学测量设备和光学测量设备；以及基于所述特性的测量，对输送到所述测量设备的至少一种试剂和所述电势进行优化。
另一实施例提供了一种用于测量水样的至少一种特性的测量设备，包括：至少一个腔室；一串或多串电极，至少部分地设置在所述至少一个腔室中的一个腔室中；处理器；以及；存储设备，所述存储设备存储用于能够由所述处理器执行以下操作的指令：将水样引入到包括一个或多个电极在内的测量设备；通过在所述测量设备的阳极和阴极之间施加电势，对过渡金属进行氧化以产生较高化合价金属；使用所述较高化合价金属作为催化剂，对水样内的材料进行氧化；使用从由以下项组成的组中选择的测量设备，基于已氧化的材料来测量水样的特性：电化学测量设备和光学测量设备；以及基于所述特性的测量，对输送到所述测量设备的至少一种试剂和所述电势进行优化。
又一实施例提供了用于测量水样的至少一种特性的产品，包括：储存设备，所述储存设备存储有代码，所述代码能够由处理器执行并且包括：将水样引入到包括一个或多个电极在内的测量设备的代码；通过在所述测量设备的阳极和阴极之间施加电势、对过渡金属进行氧化以产生较高化合价金属的代码；使用所述较高化合价金属作为催化剂、对水样内的材料进行氧化的代码；使用从由以下项组成的组中选择的测量设备、基于已氧化的材料来测量水样的特性的代码：电化学测量设备和光学测量设备；以及基于所述特性的测量、对输送到所述测量设备的至少一种试剂和所述电势进行优化的代码。
上述是发明内容，因此可以包含对细节的简化、概括和省略；因此，本领域技术人员将理解该发明内容仅是说明性的并且不旨在以任何方式进行限制。
为了更好地理解实施例及其其他和另外的特征和优点，结合附图参考以下描述。本发明的范围将在随附权利要求中指出。
附图说明
图1示出计算机电路系统的示例。
图2示出测量水样的特性的方法。
图3示出示例实施例中的阴极和阳极隔室的示意图。
图4示出用于测量水样的特性的示例设备。
图5示出用于测量水样的特性的另一示例设备。
具体实施方式
容易理解的是，如在本文中一般描述和在附图中示出的实施例的组成部分可以以除了所描述的示例实施例之外的许多不同的配置进行布置和设计。因此，如附图中所表示的示例实施例的以下更具体的描述不旨在限制如所要求保护的实施例的范围，而仅代表示例实施例。
贯穿本说明书对“一个实施例”或“实施例”(等等)的提及用于表示结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在至少一个实施例中。因此，贯穿本说明书在各个地方出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”等不一定全指代同一实施例。
此外，可以在一个或多个实施例中通过任何合适的方式来组合所描述的特征、结构或特性。在以下描述中，提供了大量的特定细节，以给出对实施例的完全理解。然而，本领域技术人员将认识到，各实施例可以不使用一个或多个具体细节，或者利用其他方法、组成部分、材料等实践。在其他示例中，没有示出或详细描述周知的结构、材料或操作。以下描述仅旨在通过示例方式简单地示出特定的示例实施例。
保证水纯净在许多应用中是至关重要的，例如，在提供饮用水的市政和诸如药品、化学制品和其他生产领域之类的许多其他产业中。水中的有机化合物的存在可能暗示过滤和/或其他组件和系统中的故障，如果不进行检查，则可能损坏昂贵的工业系统，影响产品质量，危害公众健康，甚至影响利润率。作为示例，如果存在有机物，则将使饮用水质量下降。因此，检测水样中的有机污染物的存在和浓度很重要。总有机碳(TOC)分析是测量净化水中的有机分子和污染物的水平，并且经常被用作水质量的非特定指标。化学耗氧量(COD)测试可以是测量与样本中易受强化学氧化剂氧化的影响的有机物质含量等价的氧。因此，COD测试可以在被加热的酸溶液中使用强化学氧化剂，以将有机材料氧化成二氧化碳、水和气体氧化产物。
无固态试剂的TOC或COD可以利用掺杂有硼的薄金刚石膜电极来执行有机材料的氧化，以产生二氧化碳(例如，通过在掺杂硼的金刚石(BDD)电极表面上生成羟基和臭氧)。所述系统然后可以测量二氧化碳的量，并且将该测量结果与水样中存在的有机化合物的值或量相关联。以前可用的测量设备可以使用掺杂硼的金刚石，这是由于它作为比基于碳的或其他金属材料(例如，银、金、汞、镍等)好的电极材料，因为这些材料氧化性差，并且自身可能最终被氧化。
电化学测量系统可以使用电极(例如，BDD电极)来测量分析参数。附加地或备选地，BDD电极可以提供用于通过为水样的成分的氧化提供电能来扰动系统的装置。系统集中在使用单源扰动和检测。换言之，系统可以使用单独组件或系统来执行扰动和检测功能。这种单源方法限制了系统确认和获得测量结果中的置信度的能力。需要的是一种系统，例如，通过使用多于一种用于扰动和检测的技术，所述系统可以测量水样的分析参数，并且具有扰动系统以提高准确性和降低系统的复杂性的能力。
因此，本文描述的系统和方法提供了用于测量水样的分析参数和扰动系统的技术。系统和方法可以被称为原位光谱电化学测量。例如，系统可以使用电化学技术来扰动系统并且使用光学测量技术。在实施例中，可以将水样引入到系统的一个或多个腔室。系统可以具有一个或多个电极。例如，系统可以具有阴极和阳极。阴极和阳极可以在相同的腔室或隔室中。一个或多个电极可以是厚的独立的固态BDD电极。备选地，阴极和阳极可以在分离的腔室中。在实施例中，两个或更多个腔室可以被隔膜分离。隔膜可以是可电渗透的，例如，隔膜可以是
在实施例中，电信号(例如，电压、电流等)可以施加在测量设备的阴极和阳极上，由此对水溶液施加电信号。电信号可以氧化过渡金属，以产生较高化合价金属。这种较高化合价金属可以具有可测颜色。例如，较高化合价金属可以是Fe(VI)、Mn(VII)、或可以是可看见颜色的其他较高化合价金属。较高化合价金属可以用作对水样中的材料(例如，有机材料等)进行氧化的催化剂，由此导致较高化合价金属的颜色的变化。在实施例中，可以通过测量较高化合价金属的比色变化来测量水样的特性。比色变化的量可以与水样中的材料的量成比例。因此，系统可以使用电化学或光学测量设备来测量水样的特性。例如，在实施例中，可以光学测量由有机材料的氧化而带来的二氧化碳以确定TOC或COD。在实施例中，二氧化碳的光学测量可以使用红外测量执行。换言之，水样中的物质(species)可以使用可见光谱学或分光光度术仪器通过比色确定，以确定较高化合价的材料的浓度。在实施例中的另一示例中，可以在氧化之前、期间和之后测量希望分析的输入样本的pH。可以通过掺杂有硼的固态SP2/SP3碳基电极实现pH测量。电极可以是SP3代固态碳电极。这些pH测量将提供用于优化电化学扰动和试剂的消耗的信息。
通过参考附图将最好地理解所示出的示例实施例。以下描述仅旨在通过示例方式简单地示出特定的示例实施例。
尽管可以在信息处理设备中使用其他各种电路、电路系统或组件，但是针对根据本文描述的各实施例中的任一实施例的用于测试水样的特性的仪器，在图1中示出了一个示例。设备电路系统100可以包括芯片设计平台——例如，特定计算平台(例如，移动计算、桌面计算等)上的测量系统。软件和处理器组合到单芯片101中。处理器包括内部算术单元、寄存器、高速缓存、总线、I/O端口等，这是本领域周知的。内部总线等依赖于不同的销售商，但是实质上所有的外围设备(102)都可以附接到单芯片101。电路系统100将处理器、存储控制器、以及I/O控制器集线器都组合到单芯片110中。而且，这种类型的系统100典型地不使用SATA或PCI或LPC。公共接口，例如，包括SDIO和I2C。
存在电源管理芯片103，例如，电池管理单元BMU，其管理所供应的电力，例如，通过可再充电电池104，其可以通过连接到电源(未示出)被再充电。在至少一种设计中，诸如101之类的单芯片用于提供类似BIOS的功能和DRAM存储器。
系统100典型地包括用于连接到诸如电信网络之类的各种网络和无线互联网设备(例如，访问点)的WWAN收发器105和WLAN收发器106中的一项或多项。另外，通常包括设备102，例如，发射和接收天线、振荡器、PLL等。系统100包括用于数据输入和显示/渲染的输入/输出设备107(例如，计算位置远离由用户容易访问的单波束系统来定位)。系统100还典型地包括各种存储设备，例如，闪存108和SDRAM 109。
从前述内容可以理解的是，一个或多个系统或设备的电子组件可以包括但不限于，至少一个处理单元、存储器、以及将包括存储器的各组件耦合到处理单元的通信总线或通信装置。系统或设备可以包括或具有对不同设备可读介质的访问。系统存储器可以包括易失性和/或非易失性存储器形式的设备可读存储介质，例如，只读存储器(ROM)和/或随机存取存储器(RAM)。作为示例而不是限制，系统存储器还可以包括操作系统、应用程序、其他程序模块。所公开的系统可以在实施例中使用，以执行水样的TOC或COD测量。
现在参考图2，一个实施例中的用于测量水样的至少一种特性的系统和方法。在201处，可以将水样引入到测量设备的腔室。水样可以由用户人工或使用机械法——例如，重力流、泵、压力、流体流动等——置于或引入到测试腔室。例如，用于TOC或COD测试的水样可以通过泵引入到腔室。在实施例中，可以存在一个或多个腔室，在其中可以执行一个或多个方法步骤。在实施例中，如果存在阀等，则可以控制进出一个或多个腔室的水溶液的输入量和输出量。一旦样本被引入到测量系统，系统就可以测量样本的TOC或COD含量。
在202处，系统可以通过对测试腔室中的水样施加电势来氧化过渡金属，以产生较高化合价金属。电势可以施加到测量设备的一个或多个电极。在实施例中，电极可以完全或至少部分地设置水溶液的体积中。例如，如果水溶液被引入到具有一个或多个电极的腔室，则水溶液可以至少部分地覆盖一个或多个电极。作为另一示例，一个或多个电极可以部分地设置在腔室中，使电极的其他部分在腔室外部。因此，当水溶液被引入到腔室时，其仅覆盖电极在腔室中的部分。
在实施例中，可以使用图1所示的电路系统来控制电信号。在实施例中，电信号可以是稳定信号、斜坡、脉冲等。可以施加电信号，直到达到阈值为止。阈值可以预先确定，或者可以实时记录参数/输出并且调整电信号。可以基于诸如水样的成分、一个或多个电极的情况等之类的反应参数来改变电信号。
在实施例中，电极可以包括测量设备的阳极和阴极。因此，电信号可以在阳极和阴极之间传递。参考图3，水样可以在两个腔室或隔室中。例如，第一腔室可以包含阴极。阴极腔室可以产生氢。第二腔室可以包含阳极。阳极腔室可以包含类似铁和锰的最初是较低化合价并且后来可以产生铁酸盐和锰酸盐的过渡金属。在实施例中，阴极腔室和阳极腔室可以被隔膜分离。因此，在实施例中，隔膜可以由允许电信号在阴极和阳极之间传递的材料——例如，
阴极和阳极之间的电信号可以以电化学方式氧化金属，例如，电信号可以导致过渡金属例如由于电化学反应而氧化成较高化合价金属。作为示例，过渡金属可以包括铁、锰、镍、铬等。在实施例中，Fe和Mn可以熔合在一起以产生合金。合金可以实现较高化合价物质的产生。这些过渡金属可以氧化成较高化合价金属，例如，在过渡金属铁的情况下的Fe(VI)、在过渡金属锰的情况下的Mn(VII)等。在将合金用作过渡金属的情况下(例如，铁/锰合金)，较高化合价的铁和锰物质将提供较高化合价的铁和锰物质的比率计量测定，其可以消除对参考峰的需求，由此产生没有校准的系统。锰物质中的每一种表现不同的颜色。这些不同物质的存在取决于溶液的pH。颜色可以用于估计溶液的pH。当通过稳定电极进行氧化时，类似铁和锰的过渡金属可以形成类似铁(V)、铁(VI)、和/或Mn(VII)的较高化合价的物质。其随着吸收强度的增大或减小的吸收光谱可以用于，通过改变所施加的电力和电极距离来优化系统性能。还可以通过该测量来估计氧化的截止点。这是这些系统中可以存在的诊断能力。
氧化态或氧化数可以指示氧化的程度。氧化是化学化合物中失去电子。氧化态，其可以是正、负或0值，可以表示如果所有键都是离子键而没有共价键时原子将具有的电荷。过渡金属可以在掺杂硼的金刚石(BDD)基板上。因此，使用过渡金属铁的示例，过渡金属和结合电信号的BDD电极可以产生厚的高铁酸盐或锰酸盐的羽流。高铁酸盐的羽流可以产生在阳极处，例如，阳极隔室中。BDD是本质上导电或半导电的基板。
较高化合价金属可以具有可测颜色。换言之，尽管过渡金属自身可能不具有颜色或是不可测颜色，但是较高化合价金属却可以具有测量颜色。因此，例如，可以使用红外测量设备、分光计、比色测量设备或其他光学测量设备来测量这些较高化合价金属的体积或量。换言之，可以使用用于确定较高化合价金属的浓度的可见光谱学，通过比色确定较高化合价金属物质。
确定较高化合价金属的浓度不仅允许测量水溶液中的材料，而且如在下面更详细地描述的，还允许对输送到系统的电力进行优化。另外，光谱电化学反馈将提供用于优化系统的效率并提供确认系统的氧化能力的方式。作为一个示例，这种反馈将允许电池体积的优化。系统的参数可以基于这些结果来调整。例如，可以改变系统的一个或多个腔室的容积。可以通过物理上改变腔室的尺寸来改变容积。这种容积的改变可以通过(swap out)腔室，或者通过利用柱塞式布置改变腔室的容积来实现。附加地或备选地，可以改变水样的体积。
作为另一示例，这种反馈将允许电极之间的距离的优化。参考图4，阴极和阳极可以插入到管的内腔的相对的端部。在实施例中，阴极和/或阳极可以移动到靠得更近或离得更远。电极之间的距离可以通过连续的反应和针对给定的反应测量结果预先选择地进行优化。附加地或备选地，电极之间的距离可以实时改变。电极之间移动或改变距离也可以改变腔室的容积。在实施例中，阴极和阳极可以彼此独立地移动。
作为另外的示例，这种反馈将允许过渡金属物质的浓度的优化。过渡金属的氧化可以用于对水样中的有机物的氧化进行催化。因此，改变过渡金属的浓度可以改变系统的动力学。例如，如果正在测量具有较高的有机物的浓度的水样，那么可能需要较高的过渡金属的浓度，以向系统提供适当的催化剂成分。
在又一示例中，这种反馈将允许喷射量的优化，以对来自水样中的有机物的氧化的二氧化碳进行量化。喷射通常涉及将化学惰性气体起泡通过液体。喷射技术可以用于从液体去除溶解的一种气体或多种气体。在实施例中，可以改变系统的压力或分压。附加地或备选地，可以改变或扰动由于起泡形成而产生的气穴的量。
作为最后的示例，反馈将允许施加到系统的电信号的优化，以对反应进行优化。电信号可以是所施加的电压。例如，要测试的水样可以引入到包含一串或多串电极的腔室。在实施例中，施加到电极、由此施加到水溶液的电信号可以是电压信号。系统也可以使用电信号的组合，例如通过最初施加电流和随后施加电压。系统随后可以测量由对水溶液施加电信号而产生的电响应(例如，电流值、电压值等)。
所施加的电信号可以是选自例如脉冲、阶跃、斜坡、锯齿、正弦波、方形、三角、连续信号等或其任意组合的波形组的任意电信号。因此，所施加的电信号可以施加为恒定信号，或者可以施加为脉冲或断续电信号。在实施例中，幅度可以是相同的或变化的。例如，可以施加第一幅度并且随后可以施加第二幅度。在实施例中，周期可以是相同的或变化的。电信号可以是经预编程的波形，可以在测量期间改变，和/或可以由系统或由用户控制。
电路系统可以控制到一串或多串电极的电信号(例如，电流、电压等)，使得不同的电信号可以被施加到水溶液的体积。在系统中包括多个或一串电极的情况下，每个电极可以与不同的电信号值相对应。例如，第一电极可以与第一电信号值相对应，第二电极可以与第二电信号值相对应，等等。因此，因为系统为电极中的每一个提供了电信号，所以可以氧化水样的不同成分。在使用单电极的情况下，系统可以对单电极施加各自具有逐渐增大的电信号值的不同的电信号。在每种情况下，在每次施加电信号之后，系统可以测量水溶液的TOC或COD。
在203处，较高化合价金属可以用作用于氧化水样中的材料的催化剂。例如，较高化合价材料可以用作用于氧化水样中的有机材料的催化剂。在美国专利No.9,476,866中描述了使用较高化合价材料来对氧化或有机材料进行催化，在本文中将其全部内容通过引用并入。在BDD基板(例如，厚的独立的(free standing)固态BDD基板)上使用类似紫外(UV)或可见光的光扰动，实现了可以包括氧化或还原反应的光化学处理。作为特定示例，在氧化有机材料的情况下，在将在电化学还原电势施加到BDD的同时，可以将UV光照射到BDD半导电电极上。这导致了由有机材料产生的二氧化碳被还原成一氧化碳，一氧化碳随后可以用于对系统中存在的二氧化碳的量进行量化。
在实施例中，系统可以将紫外光用于光扰动(参见图5)。紫外光相对于红外光可以耗费较少或需要较少的系统的空间和复杂度。由电化学氧化生成的二氧化碳可以通过半导电BDD电极以光电化学方式检测。掺杂剂硼的量可以在BDD电极的生产期间进行控制，以使其能够被用作半导电基板。因此，半导电性质的程度可以通过调整被纳入金刚石基板中的硼的量进行调谐。这个特征可以用于调谐半导电的掺杂硼的基板的带隙。
在实施例中，可以引入其他金属粒子。例如，改变为诸如银之类的金属纳米粒子可以加速二氧化碳还原为一氧化碳。这种还原可以通过电化学电流的测量进行量化。
在204处，系统可以确定是否可以识别或测量水样的特性。可以测量的示例特性包括pH、吸收波长(颜色)、总有机碳(TOC)等。为了测量特性，系统可以使用测量设备，例如，电化学测量设备、光学测量设备等。在实施例中，特性可以包括水样中的有机物的量。由于使用较高化合价金属来氧化有机物，因此可以通过仪表电子设备以电化学方式测量二氧化碳，以确定TOC或COD(参见图5)。在实施例中，可以光学测量二氧化碳，以确定TOC或COD(参见图5)。例如，由于较高化合价金属有可测颜色，所以当该金属用作用于氧化水样中的材料的催化剂时，较高化合价金属被使用，由此导致比色变化。这种比色变化可以使用不同的测量设备来测量。例如，光学测量可以使用红外测量执行。在实施例中，Fe(VI)、Mn(VII)和其他过渡金属可以是可看见颜色的。例如，水样中的物质可以使用可见光谱学通过比色确定，以确定较高化合价的材料的浓度。例如，Mn2+可以是浅桃红色，包含Mn(III)的Mn(OH)3是深棕色，包含Mn(IV)的MnO2是黑色，包含Mn(VI)的(MnO4)2-是绿色(Mn(VI)containing(MnO4)2-as green)，包含Mn(VII)的MnO4-是紫色(Mn(VII)containing MnO4-as purple)等。可以用光度计(例如，使用分光光度计)确定由反应所产生的颜色。备选地或另外，由反应所产生的颜色可以进行可视观察。
在204处，如果不可以确定水样的特性，那么系统可以在202处继续施加电势。在实施例中，系统可以施加与之前施加的相同的电势，或者可以将电势改变成不同的幅度、波形等。另外，系统可以如上文所述的改变参数以优化系统。优化可以包括改变电势、改变阴极和阳极之间的距离、改变腔室的容积、改变水样的体积、改变过渡金属的浓度等。
然而，如果在204处可以确定水样的特性，那么系统可以输出水溶液的特性。输出可以是显示数据、将数据存储到存储设备、通过所连接的系统或无线系统发送输出、打印输出等的形式。系统可以是自动化的。系统可以具有相关联的警报、限制或预定的阈值。例如，如果所测量的特性达到阈值，那么系统可以触发警报、调整水溶液的特性、改变水溶液的流动等。数据可以实时分析、为了以后使用进行存储、或是它们的任意组合。
如本领域技术人员所意识到的，各方面可以体现为系统、方法或设备程序产品。因此，所述方面可以采用可以在本文总体被统称为“电路”、“模块”或“系统”的完全硬件实施例或包括软件的实施例的形式。此外，各方面可以采取在一个或多个设备可读介质中体现的设备程序产品的形式，所述一个或多个设备可读介质具有体现于其上的设备可读程序代码。
应该注意，本文描述的各种功能可以使用存储在诸如非信号储存设备之类的设备可读存储介质上的指令实现，其中，所述指令由处理器执行。在本文献的上下文中，储存设备不是信号，并且“非暂时性”包括除了信号介质之外的所有介质。
可以用一种或多种编程语言的任何组合来编写用于执行操作的程序代码。程序代码可以完全在单个设备上执行，部分在单个设备上执行，作为独立软件包来执行，部分在单个设备上且部分在另一设备上执行，或完全在其他设备上执行。在一些情况下，设备可以通过任意类型的连接或网络连接，所述任意类型的连接或网络包括局域网(LAN)或广域网(WAN)，或者连接可以通过其他设备(例如，通过使用互联网服务提供商的互联网)、通过无线连接(例如，近场通信)、或通过硬线连接(例如，通过USB连接)来实现。
在本文参考附图描述了示例实施例，所述附图示出根据各示例实施例的示例方法、设备和产品。要理解的是，可以至少部分地通过程序指令来实现所述动作和功能。这些程序指令可以提供给设备(例如，诸如图1所示的手持式测量设备、或用于产生机器的其他可编程数据处理设备)的处理器，使所述指令在通过设备的处理器执行时，实现所指定的功能/动作。
要注意，本文提供的值被解释为包括通过使用术语“大约”指示的等效值。等效值对于本领域技术人员将是明显的，但是至少包括通过最低有效数字的通常的舍入获得的值。
已经为了说明和描述的目的而呈现了本公开，但并不旨在穷举或进行限制。许多修改和变形对于本领域技术人员将是明显的。选择和描述了示例实施例以便解释原理和实际应用，并且使得本领域的其他普通技术人员能够理解具有适合于所预期的特定用途的各种修改的本公开的各种实施例。
因此，尽管本文中已经参考附图描述了说明性的示例实施例，然而应理解这些描述不进行限制，并且各种其他改变和修改可以由本领域技术人员在其中实现，而不脱离本公开的范围或精神。
