CN107655957A - 一种应用于村镇河道重金属污染在线监测的装置 - Google Patents

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Abstract

一种应用于村镇河道重金属污染在线监测的装置，包括取配水系统，双电极检测工作站，排水及管路清洗系统，电极保养系统，溶液储罐，PLC控制模块，通讯模块和供电模块等。本发明可以实现重金属的准确检测，电极的保养清洁，样品预过滤，滤网和管路反冲洗，用电元件自动控制，数据的模型分析，上传数据至终端，处理下达指令和独立蓄电、供电等功能。本发明利用微分脉冲伏安法和水质预测模型可同时检测多种重金属，检测结果准确，重现性好，抗干扰能力强；装置可独立运行，安装简单，布置合理，工作周期长，不需人工操作和频繁维护；具备远程通讯和实时报警功能，可高效保障人民的生命财产安全，具有良好的推广应用价值。

Description

一种应用于村镇河道重金属污染在线监测的装置
技术领域
本发明涉及水污染监测技术领域，具体涉及一种应用于村镇河道重金属污染在线监测的装置，能够快速、稳定、系统化的分析多种重金属种类与含量。
背景技术
近年来，随着社会经济的快速发展，城市化进程不断加快，带来了我国各类工业蓬勃发展的时期，也导致了一系列严重的水污染问题，其中重金属污染一直是水体污染中的典型。面对严峻的重金属污染形势，我国不断强化“资源节约型，环境友好型”的社会观念，推行了一系列水资源保护法规，大力开展了一系列水环境综合整治项目，城市主体河道的重金属污染现状得到有效控制。但是，由于重金属污染存在富集迁移的特性，污染源头复杂多样，村镇的河道重金属污染治理跟进不足，在我国村镇造成了诸如河南济源血铅超标、湖南浏阳镉污染、甘肃徽县铅中毒等重大重金属污染灾害。
水质在线监测是通过实时测定水体中污染物的种类和含量，评价水质情况的过程，是水污染治理中事前控制的重要部分，我国常用的重金属水质检测方法有分光光度法，原子吸收光谱法和电化学检测法等，其中电化学检测法由于检测种类广泛，灵敏度高，抗污染能力强等优点已成为重金属在线监测装置的主流选择。
但是我国常用的重金属水质在线监测仪应用上存在诸多问题，如检测结果受环境变化影响导致重现性不高，电极探头缺乏清洁过程，管路经常堵塞等等；同时，在线监测装置缺乏系统性，并未把取样、弃样、检测、数据分析、在线通讯和远程控制等各个环节构成完整系统，这些问题都意味着需要人工频繁地实地调试设备，更换探头，考察数据甚至采样重检，因此此类仪器常用于城市水体，在缺少专业人员配备的偏僻村镇河道难以应用。
发明内容
本发明的目的就是要解决现有的重金属污染监测装置检测过程繁琐，重现性不高，系统性差，需要一定人工的缺点问题，提供一种应用于村镇河道重金属污染在线监测的装置，装置设有双电极检测工作站，通过微分脉冲伏安法测定重金属的种类和含量，结合双探头和基于NIPALS算法建立的水质预测模型，将检测误差控制在20％以内；同时配备了取配水系统、排水及管路清洗系统、电极保养系统、溶液储罐、PLC控制模块、通讯模块和供电模块等。实现了重金属的准确检测、电极的保养清洁、样品预过滤、滤网和管路反冲洗、用电元件自动控制、数据模型分析、上传数据至终端、处理下达指令和独立蓄电、供电等功能。
本发明的技术方案是这样得以实现的：一种应用于村镇河道重金属污染在线监测的装置，其特点是：它包括柜体，柜体设有上中下三层，下层装有取水管路、稀盐酸储罐、缓冲溶液储罐、微型膨胀罐；中层装有左蠕动泵、中蠕动泵、右蠕动泵、双向配水器、玻碳电极、金膜电极、两个检测瓶、电极清洗皿、人造麂皮、传动装置、工作站、数分模块、PLC控制模块；上层装有通讯模块、显示屏、供电模块；在所述的取水管路外端接有深入河道中心的装有滤网的喇叭水口，取水管路内端安装有双向配水管，一路取水管路通过取水阀门、左光电计量器、左蠕动泵接至双向配水器，另一路泄水管路通过左蠕动泵、泄水阀门、微型膨胀罐接至喇叭水口；所述的稀盐酸储罐通过中光电计量器、中蠕动泵接至双向配水器；所述的缓冲溶液储罐通过右光电计量器、右蠕动泵、接至双向配水器；所述的双向配水器分别接至电极清洗皿、两个检测瓶、人造麂皮；所述的PLC控制模块控制传动装置将玻碳电极和金膜电极分别伸入左右两检测瓶的液面以下进行检测，检测数据经工作站记录，上传数分模块进行数据处理和模型嵌套。
进一步的，在上层还装有蓄电池，在柜顶装有太阳能电池板。
进一步的，所述的PLC控制模块将工作站输出的数据输出到显示屏和通讯模块，显示屏连有光报警电路，同时可接收通讯模块的指令并调整PLC，控制装置内的用电元件。
进一步的，所述的通讯模块设有GPRS收发器，可实时上传数据至终端，并接收终端的指令。
本发明主要是针对野外条件差、人力配员不足、水污染风险高的村镇河道重金属水质的监测。可以实现重金属的准确检测，电极的保养清洁，样品预过滤，滤网和管路反冲洗；利用微分脉冲伏安法和水质预测模型可同时检测多种重金属，检测结果准确，重现性好，抗干扰能力强；装置可独立运行，安装简单，布置合理，工作周期长，不需人工操作和频繁维护；具备远程通讯和实时报警功能，可高效保障人民的生命财产安全，具有良好的推广应用价值。
附图说明
图1为本发明所述水质预测模型逻辑结构。
图2为本发明所述装置整体的结构示意图。
图3为本发明所述装置整体的外观示意图。
图中：1、喇叭水口；2、左蠕动泵；3、中蠕动泵；4、右蠕动泵；5、稀盐酸储罐；6、缓冲溶液储罐；7、取水阀门；8、泄水阀门；9、光电计量器；10、双向配水器；11、玻碳电极；12、金膜电极；13、检测瓶；14、电极清洗皿；15、人造麂皮；16、传动装置；17、工作站；18、数分模块；19、PLC控制模块；20、微型膨胀罐；21、通讯模块；22、显示屏；23、蓄电池；24、供电模块；25、太阳能电池板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明，对电化学工作站参数的确定和NIPALS算法的建立仅提供实例参考，装置内部件涉及的具体型号和材料需根据实际生产以及实践运用中的情况而定。
如图1所示，本发明涉及的应用于村镇河道重金属污染在线监测的装置，其水质预测模型的建立基于NIPALS算法和双电极的检测数据。即玻碳电极和金膜电极分别通过微分脉冲伏安法批量测试已知浓度样品，将测试特征峰电流Ik与已知浓度Ck建立NIPALS模型，分别计算NIPALS模型参数(转换权重、因子得分和载荷)，当测试未知样品时，将双电极实测特征峰电流Icx和Igx分别进行如下预测运算：Icx、Igx数据预处理——迭代求出Icx、Igx的各因子和残差——计算预测值Ccy和Cgy。最后，玻碳电极和金膜电极均可测定的重金属离子，如Hg、Cu、Cd等，结果取平均值需单独测定的离子，如Pb、Cr等，结果取各自实测值，通过本方法测定的重金属含量误差可控制在20％以内。
如图2、图3所示，本发明它包括柜体，柜体设有上中下三层，下层装有取水管路、稀盐酸储罐5、缓冲溶液储罐6、微型膨胀罐20；中层装有左蠕动泵2、中蠕动泵3、右蠕动泵4、双向配水器10、玻碳电极11、金膜电极12、两个检测瓶13、电极清洗皿14、人造麂皮15、传动装置16、工作站17、数分模块18、PLC控制模块19；上层装有通讯模块21、显示屏22、蓄电池23、供电模块24；在柜顶装有太阳能电池板25。在所述的取水管路外端接有深入河道中心的装有滤网的喇叭水口1，取水管路内端安装有双向配水管，一路取水管路通过取水阀门7、左光电计量器、左蠕动泵2接至双向配水器10，另一路泄水管路通过左蠕动泵2(反转)、泄水阀门8、微型膨胀罐20接至喇叭水口1；所述的稀盐酸储罐5通过中光电计量器、中蠕动泵3接至双向配水器10；所述的缓冲溶液储罐6通过右光电计量器、右蠕动泵4、接至双向配水器10；所述的双向配水器10分别接至电极清洗皿14、两个检测瓶13、人造麂皮15；所述的PLC控制模块19控制传动装置16将玻碳电极11和金膜电极12分别伸入左右两检测瓶13的液面以下进行检测，检测数据经工作站17记录，上传数分模块18进行数据处理和模型嵌套。
PLC控制模块19将工作站输出的数据输出到显示屏和通讯模块，显示屏连有光报警电路，同时可接收通讯模块的指令并调整PLC，控制装置内的用电元件。通讯模块21设有GPRS收发器，可实时上传数据至终端，并接收终端的指令。
装置的具体工作方式为：装置通过深入河道中心的装有滤网的喇叭水口1取水，此时左蠕动泵2正转，泄水阀门8关闭，取水阀门7开启，由光电计量器9控制流量，取入的水样通过双向配水器10均匀配水至检测瓶13，同时，开启右蠕动泵4，由光电计量器9控制流量，将缓冲溶液从缓冲溶液储罐6取出，与待测水样以1:5的比例混合，之后关闭左蠕动泵2、右蠕动泵4和阀门7，结束取水阶段。
随后，玻碳电极11和金膜电极12通过传动装置16分别伸入检测瓶13液面下，开始微分脉冲伏安法检测，检测参数为电势增量5mV、脉冲幅度50mV、脉冲宽度50ms、采样宽度40ms、脉冲周期100ms、富集电位-1.0V；检测周期包括负电位富集150s、静置30s、检测200s、正电位清洗100s。检测数据经工作站17记录，上传数分模块18进行数据处理和模型嵌套，最后退回双电极，结束检测阶段。
随后，左蠕动泵2反转，开启泄水阀门8，将混合水样打入微型膨胀罐20，达到稳定工作压力0.03Mpa后，可对管路和滤网进行冲洗；与此同时，电极退回至电极清洗皿14，通过传动装置16在浸润有稀盐酸的人造麂皮15上匀速(n＝60r/min)旋转60s后静置等待下一个工作周期，电极清洗皿14下部连有稀盐酸储罐5的出液管，周期性开启中蠕动泵3保持人造麂皮15的浸润状态，结束管路和电极清洗阶段。
PLC控制模块19将数分模块18处理的数据通过内部线路上传至上柜的通讯模块21和显示屏22，通讯模块21通过GPRS上传数据至终端并接收终端下达的指令，PLC控制模块19可分析指令并可进行显示屏22光报警、左、中、右蠕动泵变频、光电计量器等用电元件调参等操作。可实现的功能包括水质报警、改变工作周期、改变设备工况和优化预测模型等。
装置在第三层顶板上安装有太阳能电池板25，可通过蓄电池23和供电模块24保障装置的用电需求。

Claims (4)

1.一种应用于村镇河道重金属污染在线监测的装置，其特征在于：它包括柜体，柜体设有上中下三层，下层装有取水管路、稀盐酸储罐(5)、缓冲溶液储罐(6)、微型膨胀罐(20)；中层装有左蠕动泵(2)、中蠕动泵(3)、右蠕动泵(4)、双向配水器(10)、玻碳电极(11)、金膜电极(12)、两个检测瓶(13)、电极清洗皿(14)、人造麂皮(15)、传动装置(16)、工作站(17)、数分模块(18)、PLC控制模块(19)；上层装有通讯模块(21)、显示屏(22)、供电模块(24)；在所述的取水管路外端接有深入河道中心的装有滤网的喇叭水口(1)，取水管路内端安装有双向配水管，一路取水管路通过取水阀门(7)、左光电计量器、左蠕动泵(2)接至双向配水器(10)，另一路泄水管路通过左蠕动泵(2)、泄水阀门(8)、微型膨胀罐(20)接至喇叭水口(1)；所述的稀盐酸储罐(5)通过中光电计量器、中蠕动泵(3)接至双向配水器(10)；所述的缓冲溶液储罐(6)通过右光电计量器、右蠕动泵(4)、接至双向配水器(10)；所述的双向配水器(10)分别接至电极清洗皿(14)、两个检测瓶(13)、人造麂皮(15)；所述的PLC控制模块控制传动装置(16)将玻碳电极和金膜电极分别伸入左右两检测瓶的液面以下进行检测，检测数据经工作站(17)记录，上传数分模块(18)进行数据处理和模型嵌套。
2.根据权利要求1所述的一种应用于村镇河道重金属污染在线监测的装置，其特征在于：在上层还装有蓄电池(23)，在柜顶装有太阳能电池板(25)。
3.根据权利要求1或2所述的一种应用于村镇河道重金属污染在线监测的装置，其特征在于：所述的PLC控制模块将工作站输出的数据输出到显示屏和通讯模块，显示屏连有光报警电路，同时可接收通讯模块的指令并调整PLC，控制装置内的用电元件。
4.根据权利要求3所述的一种应用于村镇河道重金属污染在线监测的装置，其特征在于：所述的通讯模块设有GPRS收发器，可实时上传数据至终端，并接收终端的指令。
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