冶煉廠生產(chǎn)廢氣中重金屬污染物排放含量檢測分析

王 穎

（甘肅工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，甘肅 天水 741025）

當前冶煉行業(yè)對環(huán)境產(chǎn)生污染影響的重金屬主要包括鉛元素、砷元素、鎘元素、汞元素等，其中有相當一部分重金屬污染物是以煙氣的形式排放到大氣環(huán)境當中。冶煉廠生產(chǎn)廢氣中的重金屬主要以氣態(tài)或顆粒物形態(tài)存在，在經(jīng)過廢氣處理后，由于廢氣的溫度快速降低，使得重金屬主要賦存于顆粒物當中[1]。當含有重金屬污染物的廢氣排入到大氣環(huán)境中，不僅會對周圍空氣環(huán)境當?shù)馁|(zhì)量造成嚴重影響，同時還會對附近人群的健康造成威脅，更有部分污染物會隨著其自身沉降或降雨等原因，落入到土壤當中，隨著時間的不斷推移，最終導致重金屬污染物會持續(xù)積累，對土壤的表層甚至深層造成嚴重的污染。因此，對冶煉廠廢氣在冶煉過程中的排放特點進行分析與研究具有十分重要的意義。基于此，本文開展對重金屬污染物排放含量檢測分析方法設(shè)計研究。

1 重金屬污染物排放含量檢測分析方法設(shè)計

1.1 基于拉曼光譜的重金屬污染物排放含量數(shù)據(jù)提取

本文在對冶煉廠生產(chǎn)廢氣中的重金屬污染物排放含量進行檢測的數(shù)據(jù)來源主要采用型號為NanoRam?-1064的拉曼光譜檢測儀獲取的數(shù)據(jù)[2]。基于拉曼光譜（Raman spectra）的重金屬污染物排放含量數(shù)據(jù)提取的具體流程為：選取冶煉廠生產(chǎn)廢氣作為定標樣品；通過相應化學試劑對樣品進行制備；將樣品送入拉曼光譜檢測儀當中采集拉曼光譜；根據(jù)國標方法測定樣品當中的重金屬污染物含量以及含有待測成分信息的波段；利用化學計量學方法建立數(shù)學模型；在與所建立的模型樣品相同的條件下，對待測樣品的拉曼光譜進行采集，得到重金屬污染物排放含量數(shù)據(jù)。

在進行拉曼光譜對重金屬污染物排放含量檢測過程中，被測樣品的入射光子會被分子吸收，而當分子吸收被測樣品的光子能量后，若呈現(xiàn)出可見光的形式，則說明待測樣品的能量可以將電子激發(fā)到更高的自由能態(tài)，而受到激發(fā)的電子可能會與核的運動之間產(chǎn)生相互的作用，從而形成了能量的轉(zhuǎn)換，使得擴散出的光子能源與攝入的光子存在較大差異，造成散射光頻率與入射光頻率之間存在較大偏差。因此為了保證檢測數(shù)據(jù)的準確性，需要對通過拉曼光譜檢測儀獲取的數(shù)據(jù)進行誤差校正。根據(jù)拉曼光譜測得的待測樣品的拉曼光譜波峰的強度與樣品的濃度之間呈一定線性比例關(guān)系得出，拉曼光譜數(shù)據(jù)校正公式為：

公式（1）中，L表示為校正后的拉曼光譜數(shù)據(jù)；S表示為拉曼光譜散射截面總面積；Φ0表示為激光的入射功率；L'表示為拉曼光譜檢測儀對待檢測樣品檢測到的光譜數(shù)據(jù)；C表示為檢測樣品物質(zhì)濃度；a表示為檢測樣品池的寬度；γ0表示為拉曼光譜檢測儀中所有入射光吸收系數(shù)；γ表示為拉曼光譜檢測儀中國所有散射光的吸收系數(shù)；g(x)表示為光學傳輸函數(shù)；x表示為入射光與散射光之間的實際距離。

根據(jù)公式（1）可以看出，在相同的檢測環(huán)境條件下，當激光入射功率Φ0的數(shù)值保持不變時，則拉曼光譜的強度與待檢測樣品的成分濃度呈現(xiàn)出如下關(guān)系：

公式（2）中，P表示為拉曼光譜的強度；C表示為待檢測樣品中各個成分的濃度，由此得出P與C呈現(xiàn)出正比例關(guān)系。由于在實際檢測過程中，受到各個因素的影響還會造成拉曼光譜的強度變化對最終的分析結(jié)果不準確，因此可直接利用公式（2）實現(xiàn)對光譜數(shù)據(jù)的標定保證最終分析結(jié)果的準確性。

1.2 光譜數(shù)據(jù)處理

上文對拉曼光譜檢測儀檢測到重金屬污染物排放的光譜數(shù)據(jù)校正實質(zhì)是對光譜數(shù)據(jù)的預處理，經(jīng)過預處理后的光譜數(shù)據(jù)還需要進一步的處理，將含有電噪音。樣品背景、光的散射等無關(guān)數(shù)據(jù)和噪音過濾，從而提取出有利用價值的信息，并將信息繪制成光譜圖，再通過平滑處理獲取最終的光譜圖。本文主要采用的處理方法為平滑處理與基線校正結(jié)合的方法。首先利用平滑處理去除待檢測樣品中的高頻噪聲對信號的影響。根據(jù)拉曼光譜檢測儀在實際檢測中的具體情況，對平滑窗口的大小進行選擇，若平滑窗口過小，則無法有效的消除檢測樣品中的噪聲；若平滑串口過大，則容易造成檢測樣品中的信號失真。其次，利用基線校正方法去除檢測儀器背景以及漂移對重金屬污染物光譜造成的影響，讓經(jīng)過平滑處理的光譜圖基線強制為水平基線，并且不改變原始重金屬污染物光譜圖形狀，消除檢測儀器狀態(tài)、檢測環(huán)境以及光程變化對光譜散射的影響，最終獲取可以有效反應冶煉廠生產(chǎn)廢氣中重金屬污染物排放含量的光譜圖。

1.3 重金屬污染物排放含量定量分析

根據(jù)本文上述操作獲取到重金屬污染物排放含量的光譜圖后，還需要對光譜圖進行定量分析，從而得到重金屬污染物排放的總含量。本文采用偏最小二乘法（partial leastsquare method）對重金屬污染物排放含量進行定量分析。首先將光譜圖中原始的光譜進行分解，得到多種重金屬污染物主成分光譜圖，不同重金屬污染物光譜圖代表不同組分和因素對光譜的貢獻程度。根據(jù)不同重金屬污染物的實際含量選擇合理的主成分，除去其中干擾組分及因素組分，只選擇其中主要用于定量分析的主成分參與模型分析。在進行偏最小二乘法算法計算中，對重金屬污染物的光譜陣和濃度陣同時進行分解，并在光譜陣當中分解時引入濃度陣中對應的相關(guān)信息，并在計算新的主成分前，將光譜陣獲取到的信息與濃度陣進行交換，使得濃度陣的主成分可以充分與濃度陣關(guān)聯(lián)。

首先在光譜圖中的自變量中提取主成分，同時在光譜圖因變量中提取主成分，分別進行自變量對主成分的回歸和因變量對主成分的回歸。在光譜圖中分析得出從光譜矩陣當中提取到的主成分，同時從濃度矩陣中提取主成分，得到如下回歸方程：

公式（3）中，X表示為光譜圖中的自變量系；Y表示為光譜圖中的因變量系；G和H分別表示為自變量系和因變量系中的得分矩陣；I和J分別表示為自變量系和因變量系中的載荷矩陣；M和N分別表示為變量系和因變量系中的偏最小二乘法擬合殘差矩陣。再根據(jù)公式（3）求解出未知樣品的光譜矩陣，從而得出冶煉廠生產(chǎn)廢氣中實際重金屬污染物排放含量預測結(jié)果，完成對其排放含量的檢測分析。

2 實驗論證分析

選擇某冶煉廠中生產(chǎn)的廢氣作為實驗對象，為了保證實驗結(jié)果的有效性，在采樣過程中，實驗組與對照組均采用四分法進行取樣，并在自然環(huán)境條件下將采集到的樣品進行風干，存放在玻璃容器中，當便后續(xù)檢測。分別利用本文提出的重金屬污染物排放含量檢測分析方法與傳統(tǒng)檢測方法進行對比實驗，并分別將其設(shè)置為實驗組和對照組。比較實驗組與對照組實驗結(jié)果，并繪制成如圖1所示實驗結(jié)果對比圖。

圖1 實驗結(jié)果對比圖

通過圖1中兩條實驗曲線可以看出，實驗組與對照組得出的該冶煉廠生產(chǎn)廢氣中的重金屬污染物排放含量在60min之內(nèi)呈現(xiàn)出差異較大的結(jié)果曲線，實驗組與實際重金屬污染物含量更接近，且從局部而言，實驗組得到的檢測分析結(jié)果曲線的波動幅度變化更明顯，更符合實際重金屬污染物排放含量的變化情況。因此，通過對比實驗證明，本文提出的重金屬污染物排放含量檢測分析預測結(jié)果與傳統(tǒng)方法相比準確性更高，且有效保證重金屬污染物排放含量中的有價值信息不丟失，可為冶煉廠的安全生產(chǎn)及環(huán)境保護提供數(shù)據(jù)支持。

3 結(jié)語

本文結(jié)合拉曼光譜分析技術(shù)提出一種用于冶煉廠生產(chǎn)廢氣中重金屬污染物的排放含量檢測分析方法，并通過對比實驗證明了該方法的可行性。但由于時間和精力有限，本文仍存在某些方面的不足，例如在對重金屬污染物排放含量檢測時針對微量重金屬元素的檢測結(jié)果存在較大誤差。因此，在后續(xù)的研究中還將對這一方面的問題進行更加深入的研究，從而為冶煉廠的綠色、可持續(xù)發(fā)展提供幫助。