宽光谱水质重金属在线监测技术研究

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清洁的水资源是生态可持续化发展的前提。伴随工业化、城市化和现代化的发展,重金属成为水体环境的主要污染物,重金属污染问题日益突出并受到重视。《“十四五”生态环境监测规划》提出了加强生态环境监管体系和监管能力建设,提升环境监测预警与水污染溯源能力。因此,研究宽光谱水质重金属在线监测技术,实现水体环境广域网格化的长期高频次监测,具有重要意义。鉴于我国水体环境在线监测技术难以满足日益深化的水体环境治理需求,本文充分研究了国内外水质重金属检测方法、最新趋势以及当前存在的技术问题。以六价铬离子、铅离子作为研究对象,分析当前水质重金属离子检测方法;针对当前水体环境难以实现高频次和广域网格化监测,重金属检测成本高、流程复杂、存在二次污染的问题,提出了具有波长范围广、检测参数多、速度快、无二次污染的宽光谱水质重金属在线监测技术。基于朗伯-比尔定律,采用顺序注射法和宽光谱检测技术,设计了基于嵌入式技术的重金属在线监测系统,主要包括水样采样单元、光谱检测单元、数据采集及处理单元、远程数据传输及控制单元和上位机软件设计;针对复杂水体环境和在线监测系统存在的冗余数据和噪声干扰,采用小波变换和希尔伯特-黄变换进行宽光谱数据降噪及对比分析,确定了以希尔伯特-黄变换作为宽光谱数据降噪的方法。通过系统性的实验对宽光谱水质重金属监测系统进行测试并分析,建立了六价铬离子和铅离子浓度-吸光度数学模型,其中六价铬离子线性方程拟合度为0.999,示值误差1.4%,精密度2.1%,零点漂移1.4%,量程漂移1.75%;铅离子线性方程拟合度为0.9982,示值误差3.68%,精密度3.4%,零点漂移4.2%,量程漂移3.55%。监测系统性能测试指标均满足国标要求。