水體重金屬在線監(jiān)測系統(tǒng)及自動分析方法研究.pdf

1、水是生命之源，是極其重要的地球資源，是現(xiàn)代文明不可或缺的血脈，它的安全健康決定著全人類的發(fā)展與未來，其重要性不言而喻。近幾年，我國水污染事件頻發(fā)，其中水體重金屬污染占相當大的比例，受害區(qū)人民的生產生活在蒙受巨大損失的同時長期飽受病痛的折磨?？梢哉f，我國的水污染程度不比霧霾輕，甚至已成為癌癥村的主因。當前環(huán)境保護中對水污染的預防與治理是一項十分重要且緊迫的任務，而開展工作的前提就是對水體進行科學精確的檢測，所以開展適合實際需求的水體重金屬

2、快速精確檢測與自動分析方法研究，為水體重金屬污染評估和治理提供科學可靠的依據(jù)，對水資源重金屬污染的預防與治理具有非常重要的現(xiàn)實意義，對于水資源短缺的我國來講，意義尤為重大。
　　本文在對現(xiàn)有的重金屬檢測技術深入研究的基礎上，根據(jù)電化學方法所具有的儀器經(jīng)濟實用、在線檢測較易實現(xiàn)的特點，圍繞水體重金屬的快速精確檢測系統(tǒng)與自動分析方法展開研究，設計了一款性能穩(wěn)定、操控簡單的重金屬電化學自動檢測系統(tǒng)，可實現(xiàn)銻(Sb)、鉛(Pb)、鋅(Zn

3、)、砷(As)等元素的在線監(jiān)測，結合上位機系統(tǒng)，構建了一個適合現(xiàn)場的、低成本、高效的重金屬快速監(jiān)測平臺。
　　本研究屬于多學科交叉研究，涉及電化學、智能檢測與控制、數(shù)據(jù)處理與分析等領域，具體研究內容如下:
　　(1)以差分脈沖溶出伏安法為理論基礎，開發(fā)了基于三電極傳感體系的重金屬檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)以性能優(yōu)異的MSP430F5438為主控MCU，采用模塊化的設計理念，分別完成了電源、主控、水樣處理、電化學檢測、通訊和鍵盤顯示模塊的

4、設計工作，其中水樣處理模塊采用多通換向閥加定量泵系統(tǒng)簡化了復雜管路控制系統(tǒng)，提高了穩(wěn)定性;重點對電化學檢測模塊的激勵源電路、恒電位儀電路、I/V轉換電路、微信號調理和檢測電路進行設計;此外，系統(tǒng)健康檢查和變誤差自動補償兩個功能的實現(xiàn)進一步提高了整個系統(tǒng)的檢測效率和野外工作的穩(wěn)定性。
　　(2)為在復雜噪聲環(huán)境下分離出完整的微弱有用信號，采用軟濾波對采集到的信號進行離散數(shù)據(jù)的大誤差剔除和平滑處理。采用差分法濾除粗大誤差后，分別對五點

5、三次平滑、小波去噪、自適應LMS平滑方法進行了分析，通過更新誤差因子方法對自適應LMS算法進行改進，經(jīng)實驗分析與比較結果表明改進算法精度高、抗干擾強、收斂性好。
　　(3)為得到更科學正確的評價結果，對現(xiàn)有離散數(shù)據(jù)進行數(shù)學逼近，得到最接近源數(shù)據(jù)的數(shù)學描述，為科學評價提供可靠依據(jù)，經(jīng)過實驗結果綜合分析得出選擇8階擬合數(shù)學模型可滿足設計要求。對于多組分混合液的溶出數(shù)據(jù)曲線的逼近，通過分段擬合方法進行處理，即利用極大值法進行分段，然后對

6、每一個分段區(qū)間的數(shù)據(jù)進行獨立的擬合處理，提高了數(shù)據(jù)處理的精度和效率。對于由本底成分及其他因素所造成漂移進行校正，通過校正實驗與分析結果顯示:切線法辨識靈敏度高，算法易于實現(xiàn)，是一種可實現(xiàn)自動識別與分析的優(yōu)化算法。
　　(4)對于分析化學中重疊峰問題，在現(xiàn)有檢測設備基礎上，借助計算機技術運用數(shù)學理論，對獲取的重疊峰數(shù)據(jù)進行數(shù)學分析，把儀器未能完全分離的峰形進行數(shù)學分解，這種方法對系統(tǒng)硬件要求相對寬松。文中提出了一種基于高斯模型的重金

7、屬溶出非線性伏安曲線重疊峰解析算法，并針對溶出伏安法分析重金屬的具體應用特點，對算法進行了優(yōu)化調整，經(jīng)仿真計算及實測證明了該算法的有效性。
　　(5)作為一款自動檢測系統(tǒng)，需要自動分析出樣本中重金屬的種類和濃度。系統(tǒng)在自動分析中，用溶出峰位來定性，而對于定量依據(jù):濃度=f(H)（峰高）或濃度=f(S)（面積），文中通過實驗分析得出峰高H與濃度的回歸性要優(yōu)于峰面積S，又考慮到計算量因素，故采用峰高H作為檢測元素濃度的定量依據(jù)。

8、>　　(6)為了檢驗整個系統(tǒng)性能，選擇銻(Sb)、鉛(Pb)、鋅(Zn)、砷(As)四種重金屬元素為研究對象。在本檢測系統(tǒng)下，通過富集時間與峰電流的關系實驗、溶出掃描速度與峰電流的關系實驗等一系列的實驗，綜合分析得到本檢測系統(tǒng)下各研究對象的最佳溶出參數(shù)。在最佳參數(shù)設置條件下，近一步研究SbPbZnAs濃度與峰電流的線性關系并進行回歸分析，各元素的標準線性方程如下:ysb=0.2311x-0.2177，R2sb=0.9563;yPb=0.