基于光谱技术对土壤—水体—气体中污染物检测研究

作     者：王一童 

作者单位：河北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李小亭;李红莲

授予年度：2024年

学科分类：082803[工学-农业生物环境与能源工程] 07[理学] 08[工学] 0828[工学-农业工程] 0804[工学-仪器科学与技术] 070302[理学-分析化学] 0703[理学-化学] 

主      题：激光诱导击穿光谱技术 红外气体传感器 光谱稳定性 固-液-固转换机制 数据分析系统 

摘      要：工业生产和城市建设的不断推进导致大量的废气、废水和固体废弃物排放到环境中,导致空气、水、土壤质量的下降。工业活动带来的污染物,如颗粒物、有机污染物和重金属,对环境和人类健康构成潜在威胁。需要通过环境检测手段及时监测和评估工业活动对环境的影响,为环境治理提供科学依据。因此本文针对环境污染问题采用光谱检测技术对水体、土壤和空气中的污染物进行检测。采用发射光谱对环境中的水体和土壤进行检测,采用吸收光谱对空气中的污染物进行检测,具体内容如下: 1、不同固化方法对水体金属污染检测研究。 为了避免激光诱导击穿光谱技术（Laser-induced Breakdown Spectroscopy,LIBS）液体检测中液滴飞溅、等离子体淬灭等问题,给出了一种富集液相样品中重金属离子的方法。利用氧化石墨烯、滤纸等对溶液中的重金属进行吸附,制备氧化石墨烯（GO）压片、液滴、滤纸、直接固化样品,分析LIBS的延迟时间、激光能量和透镜到样品的距离对光谱强度及信噪比（Signal-to-Noise Ratio,SNR）的影响,确定四种吸附材料的最佳实验参数。采用动力学方程对吸附中的反应和过程进行分析,通过吸附等温线研究其吸附机理。结果显示,最佳吸附PH值为6.5,吸附时间为30 min,吸附剂用量为2 mg/m L。三种固化方法对光谱强度都有增强效果,其中GO压片的Ni和Sr检出限（Limit of Detection,LOD）为4.975 mg/L和0.695 mg/L,稳定性为9.8%和10.6%。结果表明,压片GO可以有效提高光谱强度和稳定性,降低LOD。 2、不同基板对消解后的土壤重金属元素富集效果研究。 为了增强LIBS土壤微量元素检测中信号微弱,光谱不稳定等问题,提出了石墨纸即氧化石墨对消解后的土壤中的重金属吸附方法。利用固-液-固方法提取土壤中的Ni、Sr、Ba等金属元素,采用氧化石墨基板、石墨基板、玻璃基板对提取液进行液固转化,研究了提取溶液（硝酸）浓度和用量对光谱信号及信噪比的影响,计算等离子体温度及电子密度,分析热导率对光谱信号的影响,研究吸附能对咖啡环效应的影响,通过SEM图像分析石墨板和石墨纸的结构对吸附效果的影响,分析烧蚀坑的大小对光谱的影响。实验显示,最佳土壤硝酸比例为1:1,硝酸浓度为1mol/L。外标法和内标法对土壤固-液-固样品进行定性分析得到石墨纸基板检出限最低,Ni、Sr、Ba的检出限分别为3.848mg/L、0.778 mg/L、0.442 mg/L,稳定性为5.3%、6.7%、8.4%。结果显示固-液-固结合石墨纸可以有效富集土壤中金属元素,提高光谱强度和稳定性,降低检出限。 3、温度补偿红外传感器检测分析系统研究。 为了提高红外传感器对环境中气体检测的精度,提出了温度补偿模型对红外传感器进行修正方法。选取红外传感器设计测量CH4传感器分析系统,搭建CH4红外气体传感器检测系统,检测不同温度下的红外气体传感器的性能,建立温度补偿模型。根据浓度和响应值之间的关系建立多项式预测模型。通过对现阶段的环境检测需求,基于LabVIEW设计集标定、预测、报警、温度补偿为一体的人性化上位机,验证了CH4红外传感器检测系统的可行性。最后对实际环境中的甲烷气体进行检测,结果显示,设计的甲烷红外传感器分析系统可以对数据进行定标和快速分析存储,有效降低温度对传感器的影响。