水体重金属在线监测系统及自动分析方法研究

发布时间：2017-05-30 04:12

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【摘要】：水是生命之源,是极其重要的地球资源,是现代文明不可或缺的血脉,它的安全健康决定着全人类的发展与未来,其重要性不言而喻。近几年,我国水污染事件频发,其中水体重金属污染占相当大的比例,受害区人民的生产生活在蒙受巨大损失的同时长期饱受病痛的折磨。可以说,我国的水污染程度不比雾霾轻,甚至已成为癌症村的主因。当前环境保护中对水污染的预防与治理是一项十分重要且紧迫的任务,而开展工作的前提就是对水体进行科学精确的检测,所以开展适合实际需求的水体重金属快速精确检测与自动分析方法研究,为水体重金属污染评估和治理提供科学可靠的依据,对水资源重金属污染的预防与治理具有非常重要的现实意义,对于水资源短缺的我国来讲,意义尤为重大。本文在对现有的重金属检测技术深入研究的基础上,根据电化学方法所具有的仪器经济实用、在线检测较易实现的特点,围绕水体重金属的快速精确检测系统与自动分析方法展开研究,设计了一款性能稳定、操控简单的重金属电化学自动检测系统,可实现锑(Sb)、铅(Pb)、锌(Zn)、砷(As)等元素的在线监测,结合上位机系统,构建了一个适合现场的、低成本、高效的重金属快速监测平台。本研究属于多学科交叉研究,涉及电化学、智能检测与控制、数据处理与分析等领域,具体研究内容如下:⑴以差分脉冲溶出伏安法为理论基础,开发了基于三电极传感体系的重金属检测系统。系统以性能优异的MSP430F5438为主控MCU,采用模块化的设计理念,分别完成了电源、主控、水样处理、电化学检测、通讯和键盘显示模块的设计工作,其中水样处理模块采用多通换向阀加定量泵系统简化了复杂管路控制系统,提高了稳定性;重点对电化学检测模块的激励源电路、恒电位仪电路、I/V转换电路、微信号调理和检测电路进行设计;此外,系统健康检查和变误差自动补偿两个功能的实现进一步提高了整个系统的检测效率和野外工作的稳定性。⑵为在复杂噪声环境下分离出完整的微弱有用信号,采用软滤波对采集到的信号进行离散数据的大误差剔除和平滑处理。采用差分法滤除粗大误差后,分别对五点三次平滑、小波去噪、自适应平滑方法进行了分析,通过更新误差因子方法对自适应算法进行改进,经实验分析与比较结果表明改进算法精度高、抗干扰强、收敛性好。⑶为得到更科学正确的评价结果,对现有离散数据进行数学逼近,得到最接近源数据的数学描述,为科学评价提供可靠依据,经过实验结果综合分析得出选择8阶拟合数学模型可满足设计要求。对于多组分混合液的溶出数据曲线的逼近,通过分段拟合方法进行处理,即利用极大值法进行分段,然后对每一个分段区间的数据进行独立的拟合处理,提高了数据处理的精度和效率。对于由本底成分及其他因素所造成漂移进行校正,通过校正实验与分析结果显示:切线法辨识灵敏度高,算法易于实现,是一种可实现自动识别与分析的优化算法。⑷对于分析化学中重叠峰问题,在现有检测设备基础上,借助计算机技术运用数学理论,对获取的重叠峰数据进行数学分析,把仪器未能完全分离的峰形进行数学分解,这种方法对系统硬件要求相对宽松。文中提出了一种基于高斯模型的重金属溶出非线性伏安曲线重叠峰解析算法,并针对溶出伏安法分析重金属的具体应用特点,对算法进行了优化调整,经仿真计算及实测证明了该算法的有效性。⑸作为一款自动检测系统,需要自动分析出样本中重金属的种类和浓度。系统在自动分析中,用溶出峰位来定性,而对于定量依据:,文中通过实验分析得出峰高H与浓度的回归性要优于峰面积S,又考虑到计算量因素,故采用峰高H作为检测元素浓度的定量依据。⑹为了检验整个系统性能,选择锑(Sb)、铅(Pb)、锌(Zn)、砷(As)四种重金属元素为研究对象。在本检测系统下,通过富集时间与峰电流的关系实验、溶出扫描速度与峰电流的关系实验等一系列的实验,综合分析得到本检测系统下各研究对象的最佳溶出参数。在最佳参数设置条件下,近一步研究Sb Pb Zn As浓度与峰电流的线性关系并进行回归分析,各元素的标准线性方程如下:;;;;最低检测限(ppb)分别为:0.5;1;1;5。用已知浓度的Zn和Pb样本对整个水体重金属检测系统进行检验,通过多组检测浓度与实际浓度的对比分析,得出Zn的平均误差率4.15%,Pb的平均误差率为3.88%,均达到了实际检测的精度要求且系统稳定性良好。
【关键词】：重金属 电化学 曲线拟合 重叠峰 自动分析
【学位授予单位】：河北农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X84;TP274
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 1 绪论12-22
• 1.1 选题背景及研究意义12-14
• 1.2 水体重金属检测方法及国内外研究现状14-20
• 1.3 本文研究内容与结构安排20-22
• 2 水质重金属检测的电化学方法研究22-32
• 2.1 电化学基本理论22-23
• 2.2 溶出伏安法23-27
• 2.3 定性与定量方法27-28
• 2.4 三电极体系28-30
• 2.5 差分脉冲溶出伏安法30-31
• 2.6 溶出伏安法测重金属存在的问题31
• 2.7 本章小结31-32
• 3 检测系统硬件设计及软件流程32-53
• 3.1 总体设计32
• 3.2 水样处理模块设计32-33
• 3.3 电源模块设计33-35
• 3.3.1 电源模块结构34-35
• 3.3.2 电源模块性能测试35
• 3.4 电化学检测模块35-44
• 3.4.1 恒电位器设计36-40
• 3.4.2 小微电流信号检测电路40-44
• 3.5 主控模块设计44-48
• 3.5.1 主控系统44-45
• 3.5.2 外围扩展45-48
• 3.6 系统软件设计48-52
• 3.6.1 系统总体工作流程48-49
• 3.6.2 电化学检测流程49-50
• 3.6.3 系统自检功能设计50-52
• 3.7 本章小结52-53
• 4 检测系统的微信号去噪研究53-68
• 4.1 误差的产生及分类53-54
• 4.1.1 电化学过程产生的噪声53
• 4.1.2 检测电路本身产生的误差53-54
• 4.1.3 外界环境噪声54
• 4.2 大误差去除方法54-56
• 4.2.1 移动平均法54
• 4.2.2 分位数法54-55
• 4.2.3 差分法55-56
• 4.3 细噪声的滤除方法研究56-64
• 4.3.1 五点三次平滑56-57
• 4.3.2 小波滤波57-59
• 4.3.3 自适应LMS滤波59-61
• 4.3.4 变步长LMS滤波算法与改进61-63
• 4.3.5 改进算法的性能分析63-64
• 4.4 滤波实验对比与应用64-67
• 4.5 本章小结67-68
• 5 溶出峰峰形确定方法研究68-82
• 5.1 函数逼近方法68-69
• 5.2 插值与拟合方法的分析与应用69-73
• 5.2.1 三次样条插值分析69-70
• 5.2.2 最小二乘拟合分析70-71
• 5.2.3 插值与拟合的实验分析71-73
• 5.3 混合溶液中多峰形分段拟合73-77
• 5.3.1 极大值法进行分段74-75
• 5.3.2 分段拟合结果分析75-77
• 5.4 溶出峰基线校正77-81
• 5.4.1 切线法的原理与实现78-79
• 5.4.2 校正实验与分析79-81
• 5.5 本章小结81-82
• 6 溶出重叠峰分离与智能分析方法研究82-104
• 6.1 重叠峰分析方法综述83
• 6.2 基于非线性曲线拟合的重叠峰分解83-87
• 6.2.1 伏安峰数学模型建立84-85
• 6.2.2 曲线拟合重叠峰解析算法85-87
• 6.3 重叠峰解析的仿真分析87-88
• 6.3.1 模拟信号构建87-88
• 6.3.2 分峰仿真结果与分析88
• 6.4 重叠峰解析算法优化与实践88-92
• 6.4.1 基于峰位邻域的溶出重叠峰分区解析方法89-90
• 6.4.2 重叠峰解析算法实践分析90-92
• 6.5 自动分析研究92-94
• 6.6 实验研究与误差分析94-103
• 6.6.1 实验仪器设备94
• 6.6.2 试剂制备94-95
• 6.6.3 测量步骤及注意事项95-96
• 6.6.4 溶出参数实验96-99
• 6.6.5 溶出电流与浓度的关系分析99-102
• 6.6.6 浓度检测结果与误差分析102
• 6.6.7 实验结论102-103
• 6.7 本章小结103-104
• 7 结论与展望104-107
• 7.1 主要工作及创新点104-106
• 7.1.1 主要工作104-105
• 7.1.2 创新点105-106
• 7.2 研究展望106-107
• 参考文献107-113
• 在读期间发表的学术论文113-114
• 作者简介114-115
• 致谢115-116
• 附录116-117

【参考文献】

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本文编号：406374