水中懸浮顆粒物的濾除方法研究概述

周歡 李戀

【摘 要】中國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，帶來(lái)嚴(yán)峻的環(huán)境污染問(wèn)題。本文主要概述了懸浮顆粒物粒徑大小和分布的測(cè)量方法，結(jié)果顯示：當(dāng)散射角度為15°、波長(zhǎng)范圍為450-500nm時(shí)可以精準(zhǔn)的反演出懸浮顆粒物的粒徑大小和分布。通過(guò)分析可以有效濾除水質(zhì)中的懸浮顆粒物，這對(duì)于治理空氣污染和凈化水質(zhì)都有著至關(guān)重要的影響。

【關(guān)鍵詞】懸浮顆粒物;粒徑分布;濾除方法;研究

中圖分類(lèi)號(hào)： O436.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）12-0071-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.12.033

【Abstract】With the rapid development of Chinese economy， it has brought serious environmental pollution problems. This thesis mainly summarizes the measurement methods of particle size and distribution of suspended particles. The result shows that particle size and distribution of suspended particles can be accurately reversed when the scattering angle is 15 degree and the wavelength range is 450-500 nm. The analysis can effectively filter out suspended particles in water ， which is essential to resolve air pollution and purify water quality.

【Key words】Suspended Particles; Particle Size Distribution; Filtration Method; Research

伴隨著社會(huì)居民生活水平的逐步提高，人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注環(huán)境污染問(wèn)題。在大氣污染方面，懸浮顆粒物伴隨人類(lèi)呼吸進(jìn)入體內(nèi)，人體自身機(jī)能只能過(guò)濾掉粒徑較大的顆粒，而那些小粒徑的懸浮顆粒物卻會(huì)進(jìn)入人體肺部，影響人類(lèi)的身體健康。在飲用水的凈化方面，懸浮顆粒物伴隨液體介質(zhì)進(jìn)入人體內(nèi)部，長(zhǎng)期過(guò)濾不掉就會(huì)造成結(jié)石等身體問(wèn)題，保障居民飲用水安全成為當(dāng)下?tīng)縿?dòng)國(guó)計(jì)民生的重要課題。

1 懸浮顆粒物簡(jiǎn)介

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，森林亂砍濫伐、土壤逐漸被侵蝕、焚燒引起濃煙霧霾，建筑作業(yè)導(dǎo)致粉末飛揚(yáng)、以及工業(yè)生產(chǎn)排放大量廢水廢氣等都造成嚴(yán)重的空氣污染和水質(zhì)污染。懸浮顆粒物指懸浮在空氣中或者摻雜在水質(zhì)中，空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑小于等于100μm的顆粒物。懸浮顆粒物的含量和分布是衡量大氣質(zhì)量評(píng)價(jià)體系中非常重要的指標(biāo)[1]。

懸浮顆粒物對(duì)人體的危害程度主要決定于自身的粒度大小及化學(xué)組成。懸浮顆粒物中粒徑大小大于10μm的物質(zhì)，可以被人體的鼻腔和喉嚨捕獲，不伴隨呼吸進(jìn)入人體體內(nèi)。而那些粒徑大小小于10μm的懸浮顆粒物，稱(chēng)為PM10，進(jìn)入人體呼吸道后沉積于肺泡，久而久之引發(fā)肺炎、肺癌等嚴(yán)重的肺部疾病。有研究表明，對(duì)人體危害最大的是懸浮顆粒物中粒徑大小小于2.5μm的飄塵，稱(chēng)為PM2.5，常年接觸導(dǎo)致人體呼吸系統(tǒng)病癥與日俱增。

懸浮顆粒物在生活中處處可見(jiàn)，它們以不同的形態(tài)分散在氣體介質(zhì)中、液體介質(zhì)中。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，懸浮顆粒物粒徑分布的測(cè)量變得尤為重要。因此，提高懸浮顆粒物的粒徑分布測(cè)量精度、找到有效濾除方法對(duì)保障人體健康和改善環(huán)境問(wèn)題具有至關(guān)重要的研究?jī)r(jià)值和研究意義[2]。

2 粒徑分析方法討論

基于Mie散射理論，對(duì)懸浮顆粒物的粒徑分布進(jìn)行光學(xué)測(cè)量及分析，整體思路框架圖如下圖1所示。

通過(guò)搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采集數(shù)據(jù)，測(cè)量懸浮顆粒物的散射光強(qiáng)，并使用MATLAB工具對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。對(duì)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，使用Origin繪圖工具，分析每一散射角度下不同波長(zhǎng)的散射系數(shù)隨濃度的變化關(guān)系;每一散射波長(zhǎng)下不同角度的散射系數(shù)隨濃度的變化關(guān)系;每一散射角度下不同濃度的散射系數(shù)隨波長(zhǎng)的變化關(guān)系[3]。具體的技術(shù)研究路線如下圖2所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

基于小波變換方法[4]去噪，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過(guò)分析得出當(dāng)散射角度為15°散射波長(zhǎng)為450 nm時(shí)，單粒徑、單粒徑直接相加、以及二者1：1比例混合的懸浮液散射系數(shù)隨濃度的變化關(guān)系圖，如下圖3所示。

圖3表明，懸浮顆粒物粒徑的散射系數(shù)隨著濃度的增大而增大，增大的趨勢(shì)基本一致，只是增大的幅度略微有些差別。而增大的趨勢(shì)不是特別明顯，這是由于溶液的濃度過(guò)高導(dǎo)致的。

選取不同散射角度、不同散射波長(zhǎng)范圍的各種組合下粒徑比的分布狀況。通過(guò)與原始粒徑分布1：1進(jìn)行比較，分析誤差，進(jìn)而確定懸浮顆粒物粒徑反演最合適的散射角度和最合適的波長(zhǎng)范圍。

其次，選取實(shí)驗(yàn)中幾組不同波長(zhǎng)下散射光譜的測(cè)量值，比較分析每組反演出的粒徑分布比例以及誤差，可以得到以下結(jié)果：

（1）當(dāng)散射角度為15°時(shí)，反演出的粒徑分布比進(jìn)行歸一化處理后為：1：1.09;1：1.12;1：0.58;（2）當(dāng)散射角度為30°時(shí)，反演出的粒徑分布比進(jìn)行歸一化處理后為：1：0.96;1：1.08;1：0.55;（3）當(dāng)散射角度為45°時(shí)，反演出的粒徑分布比進(jìn)行歸一化處理后為：1：0.99;1：0.84;1：0.54。

由上述數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)散射波長(zhǎng)超出500 nm左右時(shí)，粒徑分布比與原始1：1的粒徑比相差較大。

綜上所述，當(dāng)散射角度為15°，波長(zhǎng)范圍為450nm-500nm 時(shí)，經(jīng)過(guò)反演計(jì)算得到的粒徑分布與原始粒徑比之間的誤差最小。因此，對(duì)懸浮顆粒物粒徑大小和分布進(jìn)行光學(xué)測(cè)量和反演過(guò)程中，選擇合適的散射角度和波長(zhǎng)范圍能夠較為精準(zhǔn)地反演其真實(shí)的粒徑大小和分布，從而可以有效濾除水質(zhì)中的懸浮顆粒物[5]。

4 總結(jié)

懸浮顆粒物是大氣、水質(zhì)中的主要成分，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)在懸浮顆粒物粒徑分布的測(cè)量領(lǐng)域取得了一些研究進(jìn)展，這一課題也已經(jīng)成為大氣領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，但是目前很少有人涉及水質(zhì)中懸浮顆粒物粒徑分布的測(cè)量和濾除工作[6]。本文針對(duì)水中懸浮顆粒物的粒徑分布進(jìn)行測(cè)量和反演，結(jié)果表明當(dāng)散射角度為15°，波長(zhǎng)范圍為450-500nm 時(shí)可以高精度的反演出粒徑的大小和分布。通過(guò)粒徑分析能夠有效濾除水中的懸浮顆粒物，這對(duì)于監(jiān)測(cè)空氣污染指數(shù)和檢測(cè)水質(zhì)純凈度具有重要的理論價(jià)值和研究意義。

【參考文獻(xiàn)】

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[6]李挺.大氣懸浮顆粒物的光散射特性研究[M].陜西：西安理工大學(xué)，2018.※基金項(xiàng)目：本文得到安徽新華學(xué)院校級(jí)重點(diǎn)科研項(xiàng)目——基于DTW與混合LPC的EOG和語(yǔ)音綜合分析研究與應(yīng)用（No.2017zr005）資助;本文得到國(guó)家教育部產(chǎn)學(xué)研協(xié)同育人項(xiàng)目——《互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)、Web前端開(kāi)發(fā)校內(nèi)聯(lián)合實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)》（No.201702030074）;安徽新華學(xué)院校級(jí)教研項(xiàng)目——《基于工程實(shí)踐能力培養(yǎng)與云平臺(tái)的軟件項(xiàng)目管理課程的教學(xué)模式探索》（No.2017jy001）資助。