CN111089852B - 一种污染场地石油烃污染物垂直剖面分布原位检测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种污染场地石油烃污染物垂直剖面分布原位检测系统，针对污染场地治理修复、场地污染状况普查等对污染物垂直剖面分布实时原位测量技术迫切需求，发明了一种基于诱导荧光技术的场地石油烃污染物垂直剖面分布实时原位测量系统。该发明利用高能量的270nm和320nm紫外LED原位激发污染场地深处的石油烃类污染物，检测波长为350nm和450nm的荧光信号，利用石油烃的特征荧光光谱实时反演污染物的浓度，实现场地石油烃类污染物垂直剖面分布的实时、原位检测。该发明具有圆筒型外壳和钻头，能够利用土壤钻机深入土壤。该技术在使用过程中无需试剂，无二次污染，不需要繁琐的样品预处理与检测过程，能够显著提高场地石油烃污染检测的效率。

Description

一种污染场地石油烃污染物垂直剖面分布原位检测系统
技术领域
本发明属于机电领域、光谱分析技术领域和环境污染检测领域，具体涉及一种污染场地石油烃污染物垂直剖面分布原位检测系统。
背景技术
场地石油烃污染物长期以来都是环境保护部门监管的重点，目前针对工业污染场地石油烃污染物主要采用基于红外分光光度法、高效液相色谱、气相色谱的现场取样-实验室分析方法，利用化学指标分析污染物的种类和含量。该类方法被世界各国普遍采用，我国环保总局编制的《全国土壤污染状况调查样品分析测定技术规定》中也主要使用红外分光光度法。但这类实验室方法通常采用超声、震荡等复杂的萃取方式，需要使用具有一定毒性的有机溶剂，检测时间长，步骤繁琐，易引起二次污染，无法实现场地石油烃的现场原位检测，其时效性无法满足场地修复对石油烃污染垂直分布实时原位检测技术的需求。现有技术针对深层土壤仍需要复杂采样过程，需利用钻机从不同深度土层取样后测量，无法实现场地石油烃污染物垂直剖面分布的实时、原位检测。
本发明在现有土壤钻机及石油烃荧光检测方法的基础上，研制了一套用于快速、原位检测污染场地不同深度土壤石油烃污染物的检测系统。
发明内容
及时掌握污染场地不同深度石油烃污染物含量分布可精确确定修复试剂用量，实现高效治理并减少二次污染。然而针对污染场地治理修复中的污染物检测，现有技术手段主要为现场取样实验室分析，时效性较差、成本高，已无法满足污染场地原位修复需求，目前国内外均没有能够有效检测石化污染场地石油烃污染物垂直剖面分布的实时、原位检测装备，因此提出了基于LED诱导荧光的场地石油烃污染物垂直剖面分布实时原位测量技术，利用高能量的紫外LED原位激发污染场地深处的石油烃类污染物，利用石油烃的特征荧光光谱实时反演污染物的浓度，实现场地石油烃类污染物垂直剖面分布的实时、原位检测。该发明对污染场地治理修复、土壤污染分布调查及土壤污染物迁移转化科学研究等具有重要的应用价值。
本发明采用的技术方案为：一种污染场地石油烃污染物垂直剖面分布原位检测系统，包括机壳、荧光激发与检测模块、钻头、检测窗口、电导率传感器、控制模块，其中，机壳和钻头构成了污染场地石油烃污染物垂直剖面分布原位检测系统的外壳，其中钻头用于钻地，携带系统进入不同深度的土层，机壳用于系统内部装置的防护；检测窗口在机壳上，荧光激发与探测模块用于发射固定波长的紫外光，激发检测窗口外的土壤样品的荧光，并对荧光进行探测，将荧光信号转化为电信号，并传输至控制模块，控制模块由FPGA芯片组成，用于控制荧光激发与探测模块中的光源与荧光探测器的开关，以及荧光数据的处理与传输，控制模块由电缆传输至地面的上位机，完成检测结果的处理与展示，湿度和电导率是影响土壤石油烃荧光发射特性的重要因素，利用湿度传感器和电导率传感器分别检测系统所处土层的湿度与电导率，湿度与电导率数据实时传输至控制模块，并继续传输至地表上位机，用于荧光数据校正、检测结果校准。
进一步地，荧光激发与检测模块主要由紫外LED阵列、聚焦透镜、滤光片、侧窗型光电倍增管(PMT)组成，紫外LED阵列主要由发射波长为270nm和320nm的两组LED组成，270nm和320nm LED交替点亮，发出的光经聚焦透镜汇聚至石英窗口外，照射土壤，并激发土壤样品荧光，所激发的土壤样品荧光经聚焦透镜汇聚至侧窗型光电倍增管的检测窗口，检测窗口前放置滤光片，以探测固定波长的荧光信号，一个侧窗型光电倍增管(PMT)、一个聚焦透镜和一个滤光片组成一组荧光检测器件，该荧光激发与检测模块共装配2组荧光检测器件，以获取波长为350nm和450nn的荧光信号。
本发明与现有技术相比的效果为：
该发明能够和钻机搭配工作，直接对深层土壤中的石油烃类污染物进行快速、原位检测，检测时间小于1分钟，而传统方法需要现场采样后实验室分析，检测周期通常超过1天，通过该发明能够显著提高石油烃污染物的检测效率。该发明不使用试剂、无二次污染，不需要繁琐的样品预处理过程，与传统方法相比对环境更加友好。在对石油烃污染土壤进行修复时，往往需要使用到土壤修复试剂，利用该发明能够快速得到污染区域的石油烃分布与浓度信息，从而为土壤修复提供准确的数据支持。本发明场地石油烃类污染物垂直剖面分布实时原位检测仪，能够实时、原位、快速测量污染场地中石油烃的总量，为场地修复的方法选择和药剂添加提供实时数据支持，显著提高场地修复的效率。目前我国尚无成熟的场地石油烃立体分布测量手段，通过本项目的实施，将为我国场地修复企业和环境保护部门提供便捷、高效的场地石油烃污染垂直剖面分布检测技术和设备。
附图说明
图1为场地石油烃污染物垂直剖面分布原位检测系统，其中，1.电缆，2.机壳，3.检测窗口，4.荧光激发与探测模块，5.湿度传感器，6.电导率传感器，7.钻头；
图2为场地石油烃污染物荧光激发与探测系统，其中，8.石英窗口，9.侧窗型光电倍增管，10.紫外LED阵列，11.滤光片，12.聚焦透镜，13.控制模块。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
如图1-2所示，本发明的一种污染场地石油烃污染物垂直剖面分布原位检测系统，包括机壳2、荧光激发与探测模块4、钻头7、检测窗口3、电导率传感器6。
机壳2和钻头7构成了污染场地石油烃污染物垂直剖面分布原位检测系统的外壳，其中钻头7主要用于钻地，携带系统进入不同深度的土层，机壳2主要用于系统内部装置的防护。检测窗口3在机壳2上，为保证荧光检测的灵敏度与准确性，其主体材质为石英玻璃。荧光激发与探测模块4主要功能为发射固定波长的紫外光，激发检测窗口3外的土壤样品的荧光，并对荧光进行探测，将荧光信号转化为电信号，并传输至控制模块13。控制模块13由FPGA芯片组成，主要功能为控制荧光激发与探测模块4中的光源与荧光探测器的开关，以及荧光数据的处理与传输。控制模块13由电缆1传输至地面的上位机，完成检测结果的处理与展示。湿度和电导率是影响土壤石油烃荧光发射特性的重要因素，利用湿度传感器5和电导率传感器6分别检测系统所处土层的湿度与电导率，湿度与电导率数据实时传输至控制模块13，并继续传输至地表上位机，用于荧光数据校正、检测结果校准。
污染场地石油烃污染物垂直剖面分布原位检测系统的核心部件是荧光激发与检测模块，其设计如图2所示。荧光激发与检测模块主要由紫外LED阵列10、聚焦透镜12、滤光片11、侧窗型光电倍增管(PMT)9等部件组成。
紫外LED阵列10主要由发射波长为270nm和320nm的两组LED组成，270nm和320nmLED交替点亮，发出的光经聚焦透镜12汇聚至石英窗口8外，照射土壤，并激发土壤样品荧光。所激发的土壤样品荧光经聚焦透镜12汇聚至侧窗型光电倍增管9的检测窗口，检测窗口前放置滤光片11，以探测固定波长的荧光信号。一个侧窗型光电倍增管(PMT)9、一个聚焦透镜12和一个滤光片11组成一组荧光检测器件，该荧光激发与检测模块共装配2组荧光检测器件，以获取波长为350nm和450nn的荧光信号。
石油烃在270nm紫外光照射下会发出能够表征石油烃组分与总量的荧光，荧光发射波长多集中在330到380nm。在270nm紫外光照射下，土壤中的腐殖质同样会发出荧光，其荧光波长集中在400到500nm。石油烃中的轻质组分(C3～C13)在320nm紫外光照射下无荧光发射，但重质组分(C18～C40)在320nm紫外光照射下会激发出荧光。因此采用270nm和320nmLED交替照射土壤样品，两个PMT同时工作，共得到4个光谱数据，其中270nm激发450nm接收的数据为土壤腐殖质荧光，用于荧光数据校正；270nm激发350nm接收数据代表石油烃类污染物总量，另两个数据则反映石油烃重质组分含量，数据之间相互验证以提高测量数据的可靠性。
石油烃的浓度与其荧光强度成正相关，利用同一点位测量的4个荧光数据建立特征向量矩阵，利用石油烃浓度已知样品建立石油烃浓度反演模型，首先通过荧光数据判断石油烃类污染物的浓度高低，在石油烃总量较低时，通过多元线性回归模型得到总石油烃的含量及其中重质组分的比重，而在石油烃浓度较高时，采用非负偏最小二乘和神经网络回归，得到待测土壤中石油烃的总量和重质组分的比重。
本发明的特点简述如下：
(1)可实现污染场地石油烃污染物垂直分布的快速检测；
(2)利用两组波长为270nm和320nm的LED阵列激发土壤中的石油烃污染物荧光，以获取更丰富的荧光信息；
(3)检测的荧光波长分别为350nm和450nm，能够有效区分石油烃污染物的荧光和土壤自身腐殖质的荧光；
(4)系统集成湿度传感器和电导率传感器，能够对系统所处位置土壤的物理状态进行实时检测，湿度与电导率数据同样可以用于石油烃污染物荧光光谱的校正；
(5)整个系统成圆筒状，结构紧凑，能够和土壤钻机配合使用，避免了复杂的土壤取样过程。

Claims (1)

1.一种污染场地石油烃污染物垂直剖面分布原位检测系统，其特征在于：包括机壳(2)、荧光激发与检测模块(4)、钻头(7)、检测窗口(3)、电导率传感器(6)、控制模块(13)，其中，机壳(2)和钻头(7)构成了污染场地石油烃污染物垂直剖面分布原位检测系统的外壳，其中钻头(7)用于钻地，携带系统进入不同深度的土层，机壳(2)用于系统内部装置的防护；检测窗口(3)在机壳(2)上，荧光激发与检 测模块(4)用于发射固定波长的紫外光，激发检测窗口(3)外的土壤样品的荧光，并对荧光进行探测，将荧光信号转化为电信号，并传输至控制模块(13)，控制模块(13)由FPGA芯片组成，用于控制荧光激发与检测模块(4)中的光源与荧光探测器的开关，以及荧光数据的处理与传输，控制模块(13)由电缆(1)传输至地面的上位机，完成检测结果的处理与展示，湿度和电导率是影响土壤石油烃荧光发射特性的重要因素，利用湿度传感器(5)和电导率传感器(6)分别检测系统所处土层的湿度与电导率，湿度与电导率数据实时传输至控制模块，并继续传输至地表上位机，用于荧光数据校正、检测结果校准；
荧光激发与检测模块主要由紫外LED阵列(10)、聚焦透镜(12)、滤光片(11)、侧窗型光电倍增管(PMT)(9)组成，紫外LED阵列(10)主要由发射波长为270nm和320nm的两组LED组成，270nm和320nm LED交替点亮，发出的光经聚焦透镜(12)汇聚至石英窗口(8)外，照射土壤，并激发土壤样品荧光，所激发的土壤样品荧光经聚焦透镜(12)汇聚至侧窗型光电倍增管(9)的检测窗口，检测窗口前放置滤光片(11)，以探测固定波长的荧光信号，一个侧窗型光电倍增管(PMT)(9)、一个聚焦透镜(12)和一个滤光片(11)组成一组荧光检测器件，该荧光激发与检测模块共装配2组荧光检测器件，以获取波长为350nm和450nn的荧光信号。
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