本發(fā)明涉及理論化學(xué)領(lǐng)域，具體而言，涉及一種有機化合物理論COD的獲取方法、污水COD的檢測方法及污水COD的檢測裝置。

背景技術(shù)：

理論化學(xué)需氧量(COD)，亦叫理論化學(xué)耗氧量是指氧化1mol或1g(或其它質(zhì)量、濃度單位)有機化合物生成穩(wěn)定的無機化合物，所消耗的氧化劑相當于所需氧氣的量。一般是根據(jù)化學(xué)反應(yīng)方程式而求得此值。

現(xiàn)有研究中科研人員在計算有機物理論化學(xué)需氧量時，均通過化學(xué)反應(yīng)方程式和復(fù)雜的配平過程建立數(shù)學(xué)模型。上述研究過程中，在對含氮(N)和含鹵有機化合物反應(yīng)產(chǎn)物判斷上違背熱力學(xué)平衡理論，并且配平過程復(fù)雜、易錯。同時還存在將有機物的氧化過程均使用統(tǒng)一用C+O₂＝CO₂來表示，并據(jù)此計算COD值，這會因過于簡化有機化合物的氧化還原反應(yīng)過程，導(dǎo)致通過該方法得到的COD值不準確。

此外，對含有金屬元素的有機化合物，如鄰苯二甲酸氫鉀、谷氨酸鈉、EDTA二鈉鹽、草酸鈉等，現(xiàn)有方法所建立的數(shù)學(xué)模型只能將其本身的鹽轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)的酸進行計算，再將上述酸的化學(xué)折算上述含金屬有機化合物的理論。因而上述數(shù)學(xué)模型不能對含有金屬有機化合物進行直接地計算。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的主要目的在于提供一種有機化合物理論COD的獲取方法、污水COD的檢測方法及污水COD的檢測裝置，以解決采用現(xiàn)有的計算理論化學(xué)的方法存在復(fù)雜且不能直接計算含金屬元素的有機化合物的理論化學(xué)的問題。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的一個方面，提供了一種有機化合物理論COD的獲取方法，有機化合物中除了元素C、H、O，還包括元素N、P、S、Cl、Br、I、K、Na、Ca和Mg組成的組中的一種或多種，且元素C、H、O、N、P、S、Cl、Br、I、K、Na、Ca和Mg的摩爾數(shù)依次記為a、b、c、d、e、f、g、h、j、k、l、m、n；獲取方法包括以下步驟：S1，將有機化合物中各元素的終產(chǎn)物中各元素的化合價記為各元素的終態(tài)化合價；其中，終產(chǎn)物為有機化合物的完全燃燒產(chǎn)物，或者，終產(chǎn)物為有機化合物與過量重鉻酸鉀進行氧化反應(yīng)后，進一步加入硫酸亞鐵銨進行氧化還原反應(yīng)得到的產(chǎn)物；S2，將有機化合物中各元素的初始化合價記為0，計算出有機化合物中轉(zhuǎn)移電子的總和Ne＝∑Ai·fi，其中A_i為有機化合物 元素i的原子摩爾數(shù)；f_i為元素i的化合價變化值；S3，根據(jù)轉(zhuǎn)移電子的總和Ne，獲得有機化合物的理論COD。

進一步地，有機化合物與過量重鉻酸鉀進行氧化反應(yīng)后，進一步加入硫酸亞鐵銨進行氧化還原反應(yīng)得到的產(chǎn)物記為有機化合物中各元素的終產(chǎn)物時，按照有機化合物中元素的種類，終產(chǎn)物中各元素的存在形態(tài)為CO₂、H₂O、NO₃^-、PO₄^3-、SO₄^2-、Cl^-、Br₂、I₂、K⁺、Na⁺、Ca²⁺和Mg²⁺中的一種或多種。

進一步地，將有機化合物的完全燃燒產(chǎn)物記為終產(chǎn)物時，按照有機化合物中元素的種類，終產(chǎn)物包括CO₂、H₂O、NO₂、N₂、P₂O₅、SO₂、含鹵阻燃劑、K₂O、Na₂O、CaO和MgO組成的組中的一種或多種。

本發(fā)明另一方面提供了一種污水COD的檢測方法，該檢測方法包括以下步驟：根據(jù)上述有機化合物理論COD的獲取方法，獲得計算有機化合物的理論COD：根據(jù)上述理論COD，計算有機化合物中各官能團的理論COD’；檢測污水中各物質(zhì)具有的官能團的類型，根據(jù)各官能團的理論COD’，得到污水的總COD為η＝∑η_Oi，其中η為污水的總COD，η_Oi為污水的總COD，η_Oi為污水中各物質(zhì)具有的官能團摩爾數(shù)與理論COD’的乘積。

進一步地，計算有機化合物中各官能團的理論COD’的步驟之后，上述檢測方法還包括：根據(jù)污水中各官能團的理論COD’，計算污水中各物質(zhì)所具有的官能團的理論TOC’；根據(jù)污水中各物質(zhì)所具有的官能團的理論TOC’值，計算污水的總TOC為總TOC＝∑TOC’_Oi，其中TOC’_Oi為污水中各物質(zhì)所具有的官能團的摩爾數(shù)與理論TOC’的乘積；計算污水的總COD與總TOC之間的關(guān)系參數(shù)k。

本發(fā)明另一方面還提供一種污水COD的檢測裝置，該污水檢測裝置包括：檢測模塊，用于檢測污水中各物質(zhì)所具有的官能團類型；數(shù)據(jù)識別模塊，用于將污水中各物質(zhì)所具有的官能團的類型與官能團標準譜圖進行比對，識別出污水中各物質(zhì)所具有的官能團；數(shù)據(jù)獲取模塊，用于獲取污水中各物質(zhì)所具有的官能團的理論COD’，該理論COD’通過上述有機化合物理論COD的獲取方法，得到該有機化合物的理論COD后，根據(jù)有機化合物的理論COD’計算得到的；第一運算模塊，用于根據(jù)污水中各物質(zhì)所具有的官能團的理論COD’，計算污水的總COD為η＝∑η_Oi，其中η為污水的總COD值，η_Oi為污水中各官能團的摩爾數(shù)與理論COD’的乘積。

進一步地，污水檢測裝置還包括：第二運算模塊，用于根據(jù)污水中各物質(zhì)所具有的官能團的理論COD’，計算污水中各物質(zhì)所具有的官能團的理論TOC’；第三運算模塊，用于根據(jù)污水各物質(zhì)所具有的各官能團的理論TOC’值，計算污水的總TOC值為總TOC＝∑TOC’_Oi，其中TOC’_Oi為污水中各物質(zhì)所具有的官能團的摩爾數(shù)與理論TOC’的乘積；并用于計算污水的總COD與總TOC之間的關(guān)系參數(shù)k。

應(yīng)用本發(fā)明的技術(shù)方案，通過燃燒理論或熱力學(xué)平衡理論分別規(guī)定了有機化合物的初始化合價和終態(tài)化合價。然后根據(jù)上述初始化合價和終態(tài)化合價計算出上述有機化合物轉(zhuǎn)移的 電子的總和，應(yīng)依次計算出上述有機化合物的理論COD。通過上述方法計算上述有機化合物的理論COD值的過程，不需要通過化學(xué)配平的方式，因而方法較為方便，從而簡化了理論COD的計算過程；同時由于上述方法中，對金屬元素的化合價變化進行了清楚的限定，因而該方法能夠很好的應(yīng)用與含金屬的有機化合物的理論COD的計算過程。上述檢測方法有利于加快理論化學(xué)在環(huán)境管理、環(huán)境監(jiān)測、環(huán)境評估、環(huán)境科研、新能源、水處理技術(shù)等領(lǐng)域的應(yīng)用步伐，為進一步促進社會可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

具體實施方式

需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。下面將結(jié)合實施例來詳細說明本發(fā)明。

正如背景技術(shù)部分所描述的，現(xiàn)有的計算理論化學(xué)需氧量的方法存在復(fù)雜且不能直接計算含金屬元素的有機化合物的理論化學(xué)的問題。為了解決這一問題，本發(fā)明提供了一種有機化合物理論COD的獲取方法，有機化合物中除了包括元素C、H、O外，還包括元素N、P、S、Cl、Br、I、K、Na、Ca和Mg組成的組中的一種或多種，且元素C、H、O、N、P、S、Cl、Br、I、K、Na、Ca和Mg的摩爾數(shù)依次記為a、b、c、d、e、f、g、h、j、k、l、m、n；該獲取方法包括以下步驟：S1，將有機化合物中各元素的終產(chǎn)物中各元素的化合價記為各元素的終態(tài)化合價；其中，終產(chǎn)物為上述有機化合物的完全燃燒產(chǎn)物，或者，終產(chǎn)物為上述有機化合物與過量重鉻酸鉀進行氧化反應(yīng)后，進一步加入硫酸亞鐵銨進行氧化還原反應(yīng)得到的產(chǎn)物；S2，將有機化合物中各元素的初始化合價記為0，計算出有機化合物中轉(zhuǎn)移電子的總和Ne＝∑A_i·f_i，其中A_i為有機化合物元素i的原子摩爾數(shù)；f_i為元素i的化合價變化值；S3，根據(jù)轉(zhuǎn)移電子的總和Ne，獲得有機化合物的理論COD。

本發(fā)明通過熱力學(xué)平衡理論或燃燒理論建立有機化合物終產(chǎn)物模型，并以此限定有機化合物中各元素的終態(tài)化合價。將有機化合物中各元素的初始化合價記為0，然后通過化合價之間的加和得到有機化合物中電子轉(zhuǎn)移總和，該測定方法是基于“有機碎片假說”：一塊肉片無論怎么切割，其肉末還是保持肉片原有的性質(zhì)，只是物理變化過程。在此假設(shè)下，則該有機化合物的摩爾COD與其分子中各原子的數(shù)量與其相對應(yīng)的氧化產(chǎn)物各元素的氧化值有關(guān)，與其各元素原子在有機化合物中的氧化值無關(guān)。因此假設(shè)組成有機化合物的各元素原子的氧化值均按0計，從而可知各元素原子的電子轉(zhuǎn)移總數(shù)。其代數(shù)和為該有機化合物分子發(fā)生氧化反應(yīng)時的電子轉(zhuǎn)移總數(shù)(亦即做為還原劑的有機物失去電子的總數(shù)Ne)。用公式說明Ne＝∑A_i·f_i，其中A_i為有機化合物元素i的原子摩爾數(shù)；f_i為元素i的化合價變化值。

通過燃燒理論或熱力學(xué)平衡理論分別規(guī)定了有機化合物的初始化合價和終態(tài)化合價。然后根據(jù)上述初始化合價和終態(tài)化合價計算出上述有機化合物轉(zhuǎn)移的電子的總和，并依次計算出上述有機化合物的理論COD。通過上述方法計算上述有機化合物的理論COD值的過程，不需要通過化學(xué)配平的方式，因而方法較為方便，簡化了理論COD的計算過程；同時由于上述方法中，對金屬元素的化合價變化進行了清楚的限定，因而該方法能夠很好的應(yīng)用于含金屬的有機化合物的理論COD的計算過程。上述檢測方法有利于加快理論化學(xué)在環(huán)境管理、環(huán) 境監(jiān)測、環(huán)境評估、環(huán)境科研、新能源、水處理技術(shù)等領(lǐng)域的應(yīng)用步伐，為進一步促進社會可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

上述術(shù)語“理論COD”為是有機化合物摩爾COD(η)，也可以通過變換得到有機化合物質(zhì)量COD(μ)或有機化合物濃度COD(ρ)。

相應(yīng)地，術(shù)語“理論COD’”為官能團的摩爾COD值；

術(shù)語“理論TOC”為有機化合物的摩爾TOC值；

術(shù)語“理論TOC’”為官能團的摩爾TOC值。

術(shù)語“理論化學(xué)需氧量COD”，亦叫理論化學(xué)耗氧量是指氧化1mol或1g(或其它質(zhì)量、濃度單位)有機化合物生成穩(wěn)定的無機化合物所消耗氧化劑相當于所需氧的量。

術(shù)語“有機化合物摩爾COD(η)”：1摩爾(mol)有機化合物完全被氧化時，所需要氧化劑的量，相當于所需要氧氣的質(zhì)量(g)用式表示為：η＝0.25M_O2·Ne·1000，其單位為mg·mol^-1，O₂；式中，M_O2為氧氣的摩爾質(zhì)量；Ne為每mol有機化合物發(fā)生氧化反應(yīng)時失去電子的總數(shù)。

術(shù)語“有機化合物質(zhì)量COD(μ)”：1g有機化合物完全被氧化時，所需氧化劑的量，相當于所需要氧氣的質(zhì)量(g)用式表示為：μ＝η/Mi＝0.25M_O2·Ne/Mi，其單位為g·g^-1，O₂；式中，M_O2為氧氣的摩爾質(zhì)量；Ne為每mol有機化合物發(fā)生氧化反應(yīng)時失去電子的總數(shù)；Mi為有機化合物的摩爾質(zhì)量。

術(shù)語“有機化合物濃度COD(ρ)”：如將1g有機化合物稀釋體積為1L的溶劑(如水)時，則ρ＝0.25M_O2·Ne·1000/Mi，其單位為mg·L^-1，O₂。

在一種優(yōu)選的實施方式中，有機化合物與過量重鉻酸鉀進行氧化反應(yīng)后，進一步加入硫酸亞鐵銨進行氧化還原反應(yīng)得到的產(chǎn)物記為所述有機化合物中各元素的終產(chǎn)物時，按照上述有機化合物中元素的種類，該終產(chǎn)物對應(yīng)于上述各元素的存在形態(tài)為CO₂、H₂O、NO₃^-、PO₄^3-、SO₄^2-、Cl^-、Br₂、I₂、K⁺、Na⁺、Ca²⁺和Mg²⁺中的一種或多種。

通過熱力學(xué)平衡理論研究了以過量重鉻酸鉀為氧化劑在酸性情況下和有機化合物(含C、H、O、N、P、S、Cl、Br、I、K、Na、Ca、Mg元素)進行氧化反應(yīng)得到氧化產(chǎn)物，其組成：CO₂、H₂O、NO₃^-、PO₄^3-、SO₄^2-、ClO₃^-、BrO₃^-、IO₃^-、K⁺、Na⁺、Ca²⁺和Mg²⁺中的一種或多種。上述產(chǎn)物經(jīng)稀釋后以硫酸亞鐵銨為還原劑進行氧化還原滴定，含鹵化合物與未反應(yīng)的Cr₂O₇^2-再次發(fā)生氧化還原反應(yīng)得到終產(chǎn)物，則按照有機化合物中元素的種類，終產(chǎn)物為CO₂、H₂O、NO₃^-、PO₄^3-、SO₄^2-、Cl^-、Br₂、I₂、K⁺、Na⁺、Ca²⁺和Mg²⁺中的一種或多種。

在一種優(yōu)選的實施方式中，將有機化合物的完全燃燒產(chǎn)物記為終產(chǎn)物時，按照有機化合物中元素的種類，終產(chǎn)物包括CO₂、H₂O、NO₂、N₂、P₂O₅、SO₂、含鹵阻燃劑、K₂O、Na₂O、CaO和MgO組成的組中的一種或多種。

根據(jù)燃燒理論，燃燒過程中含鹵阻燃劑中鹵元素的化合價不發(fā)生變化，因而將燃燒后含鹵元素的化合都稱為含鹵阻燃劑。將有機物進行完全燃燒后，得到的產(chǎn)物為CO₂、H₂O、NO₂、N₂、P₂O₅、SO₂、含鹵阻燃劑、K₂O、Na₂O、CaO和MgO組成的組中的一種或多種。

本發(fā)明另一方面還提供了一種污水中化合物理論COD的檢測方法，該檢測方法根據(jù)上述有機化合物理論COD的獲取方法，獲得有機化合物的理論COD：根據(jù)該理論COD，計算有機化合物中各物質(zhì)所具有的官能團的理論COD’；檢測污水中各物質(zhì)所具有的官能團的類型，根據(jù)各官能團的理論COD’，得到污水的總COD為η＝∑η_Oi，其中η為污水的總COD，η_Oi為污水中各物質(zhì)所具有的官能團的摩爾數(shù)與理論COD’的乘積。

通過上述方法計算上述有機化合物的理論COD值的過程，不需要通過化學(xué)配平的方式，因而方法較為方便，從而簡化了理論COD的計算過程；同時由于上述方法中，對金屬元素的化合價變化進行了清楚的限定，因而該方法能夠很好的應(yīng)用與含金屬的有機化合物的理論COD的計算過程。

上述檢測方法有利于加快理論化學(xué)在環(huán)境管理、環(huán)境監(jiān)測、環(huán)境評估、環(huán)境科研、新能源、水處理技術(shù)等領(lǐng)域的應(yīng)用步伐，為進一步促進社會可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義上述通過上述方法能夠快速檢測到污水中污水的總COD。為廢水處理技術(shù)研發(fā)、污水處理廠系統(tǒng)運行，廢水、廢氣、廢渣綜合治理與利用，污染物總量控制、環(huán)境評價、水質(zhì)動態(tài)分布分析、化工設(shè)計與廢物燃燒發(fā)電及熱值利用、排污標準、環(huán)境監(jiān)測與質(zhì)量控制等實踐活動提供重要理論支持。

在一種優(yōu)選的實施方式中，上述檢測方法還包括：根據(jù)污水中各物質(zhì)所具有的官能團的理論COD’，計算污水中各官能團的理論TOC’；根據(jù)污水中各物質(zhì)所具有的官能團的理論TOC’值，計算污水的總TOC為總TOC＝∑TOC’_Oi，其中TOC’_Oi為污水中各物質(zhì)所具有的官能團的摩爾數(shù)與理論TOC’的乘積；計算污水的總COD與總TOC之間的關(guān)系參數(shù)k。

通過上述方法能夠快速檢測到污水中污水的總TOC，并通過污水的總TOC和總COD之得到污水的總COD與總TOC之間的關(guān)系參數(shù)k。利用k可以估測出污水中主要的污染物的種類，從而有利于根據(jù)污水中主要污染物的類型采用不同的污水處理方式。同理可以計算出官能團中COD’與TOC’間的關(guān)系參數(shù)k’。

本發(fā)明另一方面還提供了一種污水COD的檢測裝置，該污水檢測裝置包括：檢測模塊，用于檢測污水中各官能團的類型和各官能團的摩爾數(shù)；數(shù)據(jù)識別模塊，用于將污水中各官能團的類型與現(xiàn)有的官能團標準譜圖進行比對，識別出污水中含有的官能團和官能團摩爾數(shù)；數(shù)據(jù)獲取模塊，用于獲取污水中各物質(zhì)所具有的官能團的理論COD’，該官能團的理論COD’通過上述有機化合物理論COD的檢測方法得到的有機化合物的理論COD后，根據(jù)上述有機化合物的理論COD計算得到；第一運算模塊，用于根據(jù)污水中各物質(zhì)所具有的官能團的理論COD’，計算污水的總COD為η＝∑η_Oi，其中η為污水的總COD值，η_Oi為污水中各物質(zhì)所具有的官能團的摩爾數(shù)與理論COD’的乘積。

通過上述污水COD的檢測裝置能夠快速檢測出污水所含官能團及其摩爾數(shù)，快速識別上述官能團，并獲取上述官能團的COD，然后計算出污水的COD。該檢測裝置具有對污水COD進行測定的方法快速、易操作、成本較低等優(yōu)點。

在一種優(yōu)選的實施方式中，上述污水檢測裝置還包括：第二運算模塊，用于根據(jù)污水中各官能團的理論COD’，計算污水中各物質(zhì)所具有的官能團的理論TOC’；第三運算模塊，根據(jù)污水中各物質(zhì)所具有的官能團的理論TOC’值，計算污水的總TOC值為總TOC＝∑TOC’_Oi，其中TOC’_Oi為污水中各物質(zhì)所具有的官能團的摩爾數(shù)與TOC’的乘積；并用于計算所述污水的總COD與總TOC之間的關(guān)系參數(shù)k。

通過上述方法能夠快速檢測到污水中污水的總TOC，并通過污水的總TOC和總COD之得到污水的總COD與總TOC之間的關(guān)系參數(shù)k。利用k可以估測出污水中主要的污染物的種類，從而有利于根據(jù)污水中主要污染物的類型采用不同的污水處理方式。

以下結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述，這些實施例不能理解為限制本發(fā)明所要求保護的范圍。

實施例1

將鄰苯二鉀酸氫鉀為8個C，5個H，4個O，1個K組成，其各元素氧化值設(shè)為0，其所對應(yīng)的氧化產(chǎn)物CO2，H2O，K+則其相應(yīng)的氧化值為+4(C)、+1(H)、-2(O)、+1(K)，按式Ne＝∑A_i·f_i，得出4×8+5×1-4×2+1×1＝30，同理可計算出相應(yīng)的理論化學(xué)需氧量。

草酸鈣為2個C，4個O，1個Ca，其對應(yīng)的產(chǎn)物氧化值分別為+4、-2、+2，按式Ne＝∑A_i·f_i，得出4×2-4×2+2×1＝2，同樣可計算出相應(yīng)的理論化學(xué)需氧量。

同理，可計算出烴、醇、醛、酮、酸、金屬有機、含N、鹵等雜元素的各種有機化合物及官能團的理論COD值，其結(jié)果見表1。

實施例2

利用本發(fā)明提供的檢測裝置測定乙醛的理論化學(xué)需氧量

以含有乙醛CH₃CHO的污水為例，通過檢測裝置得到污水中官能團的類型，通過數(shù)據(jù)識別模塊識別污水中所含官能團為甲基和醛基，摩爾數(shù)均為1，通過數(shù)據(jù)獲取模塊得到CH₃和CHO的摩爾COD’(η)分別為23.9991001mg·mol^-1和55.9979039mg·mol^-1，通過第一運算模塊計算乙醛的總COD(η)為79.9969820mg·mol^-1。同理，可計算出烴、醇、醛、酮、酸、金屬有機、含N、鹵等雜元素的各種有機化合物的理論COD值，其結(jié)果見表1。

采用本發(fā)明提供的檢測方法計算了不同的有機化合物的總COD和總TOC及其關(guān)系參數(shù)k、不同官能團的理論COD’和理論TOC’以及關(guān)系參數(shù)k’，結(jié)果見表1。

對比例1

采用反應(yīng)方程式法計算鄰苯二甲酸氫鉀的理論化學(xué)需氧量。

通過上式可計算出：1g鄰苯二甲酸氫鉀耗氧1.1752g。

表1

本發(fā)明提供了一種有機化合物理論COD的檢測方法、污水COD的檢測方法及污水COD的檢測裝置。通過燃燒理論或熱力學(xué)平衡理論分別規(guī)定了有機化合物的初始化合價和終態(tài)化合價。然后根據(jù)上述初始化合價和終態(tài)化合價計算出上述有機化合物轉(zhuǎn)移的電子的總和，應(yīng)依次計算出上述有機化合物的理論COD。通過上述方法計算上述有機化合物的理論COD值的過程，不需要通過化學(xué)配平的方式，因而方法較為方便，從而簡化了理論COD的計算過程；同時由于上述方法中，對金屬元素的化合價變化進行了清楚的限定，因而該方法能夠很好的應(yīng)用與含金屬的有機化合物的理論COD的計算過程。上述檢測方法有利于加快理論化學(xué)在環(huán)境管理、環(huán)境監(jiān)測、環(huán)境評估、環(huán)境科研、新能源、水處理技術(shù)等領(lǐng)域的應(yīng)用步伐，為進一步促進社會可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。為廢水處理技術(shù)研發(fā)、污水處理廠系統(tǒng)運行，廢水、 廢氣、廢渣綜合治理與利用，污染物總量控制、環(huán)境評價、水質(zhì)動態(tài)分布分析、化工設(shè)計與廢物燃燒發(fā)電及熱值利用、排污標準、環(huán)境監(jiān)測與質(zhì)量控制等實踐活動提供重要理論支持。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。