本文關(guān)鍵詞：水體重金屬在線監(jiān)測系統(tǒng)及自動分析方法研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：水是生命之源,是極其重要的地球資源,是現(xiàn)代文明不可或缺的血脈,它的安全健康決定著全人類的發(fā)展與未來,其重要性不言而喻。近幾年,我國水污染事件頻發(fā),其中水體重金屬污染占相當大的比例,受害區(qū)人民的生產(chǎn)生活在蒙受巨大損失的同時長期飽受病痛的折磨�？梢哉f,我國的水污染程度不比霧霾輕,甚至已成為癌癥村的主因。當前環(huán)境保護中對水污染的預(yù)防與治理是一項十分重要且緊迫的任務(wù),而開展工作的前提就是對水體進行科學(xué)精確的檢測,所以開展適合實際需求的水體重金屬快速精確檢測與自動分析方法研究,為水體重金屬污染評估和治理提供科學(xué)可靠的依據(jù),對水資源重金屬污染的預(yù)防與治理具有非常重要的現(xiàn)實意義,對于水資源短缺的我國來講,意義尤為重大。本文在對現(xiàn)有的重金屬檢測技術(shù)深入研究的基礎(chǔ)上,根據(jù)電化學(xué)方法所具有的儀器經(jīng)濟實用、在線檢測較易實現(xiàn)的特點,圍繞水體重金屬的快速精確檢測系統(tǒng)與自動分析方法展開研究,設(shè)計了一款性能穩(wěn)定、操控簡單的重金屬電化學(xué)自動檢測系統(tǒng),可實現(xiàn)銻(Sb)、鉛(Pb)、鋅(Zn)、砷(As)等元素的在線監(jiān)測,結(jié)合上位機系統(tǒng),構(gòu)建了一個適合現(xiàn)場的、低成本、高效的重金屬快速監(jiān)測平臺。本研究屬于多學(xué)科交叉研究,涉及電化學(xué)、智能檢測與控制、數(shù)據(jù)處理與分析等領(lǐng)域,具體研究內(nèi)容如下:⑴以差分脈沖溶出伏安法為理論基礎(chǔ),開發(fā)了基于三電極傳感體系的重金屬檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)以性能優(yōu)異的MSP430F5438為主控MCU,采用模塊化的設(shè)計理念,分別完成了電源、主控、水樣處理、電化學(xué)檢測、通訊和鍵盤顯示模塊的設(shè)計工作,其中水樣處理模塊采用多通換向閥加定量泵系統(tǒng)簡化了復(fù)雜管路控制系統(tǒng),提高了穩(wěn)定性;重點對電化學(xué)檢測模塊的激勵源電路、恒電位儀電路、I/V轉(zhuǎn)換電路、微信號調(diào)理和檢測電路進行設(shè)計;此外,系統(tǒng)健康檢查和變誤差自動補償兩個功能的實現(xiàn)進一步提高了整個系統(tǒng)的檢測效率和野外工作的穩(wěn)定性。⑵為在復(fù)雜噪聲環(huán)境下分離出完整的微弱有用信號,采用軟濾波對采集到的信號進行離散數(shù)據(jù)的大誤差剔除和平滑處理。采用差分法濾除粗大誤差后,分別對五點三次平滑、小波去噪、自適應(yīng)平滑方法進行了分析,通過更新誤差因子方法對自適應(yīng)算法進行改進,經(jīng)實驗分析與比較結(jié)果表明改進算法精度高、抗干擾強、收斂性好。⑶為得到更科學(xué)正確的評價結(jié)果,對現(xiàn)有離散數(shù)據(jù)進行數(shù)學(xué)逼近,得到最接近源數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)描述,為科學(xué)評價提供可靠依據(jù),經(jīng)過實驗結(jié)果綜合分析得出選擇8階擬合數(shù)學(xué)模型可滿足設(shè)計要求。對于多組分混合液的溶出數(shù)據(jù)曲線的逼近,通過分段擬合方法進行處理,即利用極大值法進行分段,然后對每一個分段區(qū)間的數(shù)據(jù)進行獨立的擬合處理,提高了數(shù)據(jù)處理的精度和效率。對于由本底成分及其他因素所造成漂移進行校正,通過校正實驗與分析結(jié)果顯示:切線法辨識靈敏度高,算法易于實現(xiàn),是一種可實現(xiàn)自動識別與分析的優(yōu)化算法。⑷對于分析化學(xué)中重疊峰問題,在現(xiàn)有檢測設(shè)備基礎(chǔ)上,借助計算機技術(shù)運用數(shù)學(xué)理論,對獲取的重疊峰數(shù)據(jù)進行數(shù)學(xué)分析,把儀器未能完全分離的峰形進行數(shù)學(xué)分解,這種方法對系統(tǒng)硬件要求相對寬松。文中提出了一種基于高斯模型的重金屬溶出非線性伏安曲線重疊峰解析算法,并針對溶出伏安法分析重金屬的具體應(yīng)用特點,對算法進行了優(yōu)化調(diào)整,經(jīng)仿真計算及實測證明了該算法的有效性。⑸作為一款自動檢測系統(tǒng),需要自動分析出樣本中重金屬的種類和濃度。系統(tǒng)在自動分析中,用溶出峰位來定性,而對于定量依據(jù):,文中通過實驗分析得出峰高H與濃度的回歸性要優(yōu)于峰面積S,又考慮到計算量因素,故采用峰高H作為檢測元素濃度的定量依據(jù)。⑹為了檢驗整個系統(tǒng)性能,選擇銻(Sb)、鉛(Pb)、鋅(Zn)、砷(As)四種重金屬元素為研究對象。在本檢測系統(tǒng)下,通過富集時間與峰電流的關(guān)系實驗、溶出掃描速度與峰電流的關(guān)系實驗等一系列的實驗,綜合分析得到本檢測系統(tǒng)下各研究對象的最佳溶出參數(shù)。在最佳參數(shù)設(shè)置條件下,近一步研究Sb Pb Zn As濃度與峰電流的線性關(guān)系并進行回歸分析,各元素的標準線性方程如下:;;;;最低檢測限(ppb)分別為:0.5;1;1;5。用已知濃度的Zn和Pb樣本對整個水體重金屬檢測系統(tǒng)進行檢驗,通過多組檢測濃度與實際濃度的對比分析,得出Zn的平均誤差率4.15%,Pb的平均誤差率為3.88%,均達到了實際檢測的精度要求且系統(tǒng)穩(wěn)定性良好。
【關(guān)鍵詞】：重金屬 電化學(xué) 曲線擬合 重疊峰 自動分析
【學(xué)位授予單位】：河北農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：X84;TP274
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 1 緒論12-22
• 1.1 選題背景及研究意義12-14
• 1.2 水體重金屬檢測方法及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀14-20
• 1.3 本文研究內(nèi)容與結(jié)構(gòu)安排20-22
• 2 水質(zhì)重金屬檢測的電化學(xué)方法研究22-32
• 2.1 電化學(xué)基本理論22-23
• 2.2 溶出伏安法23-27
• 2.3 定性與定量方法27-28
• 2.4 三電極體系28-30
• 2.5 差分脈沖溶出伏安法30-31
• 2.6 溶出伏安法測重金屬存在的問題31
• 2.7 本章小結(jié)31-32
• 3 檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計及軟件流程32-53
• 3.1 總體設(shè)計32
• 3.2 水樣處理模塊設(shè)計32-33
• 3.3 電源模塊設(shè)計33-35
• 3.3.1 電源模塊結(jié)構(gòu)34-35
• 3.3.2 電源模塊性能測試35
• 3.4 電化學(xué)檢測模塊35-44
• 3.4.1 恒電位器設(shè)計36-40
• 3.4.2 小微電流信號檢測電路40-44
• 3.5 主控模塊設(shè)計44-48
• 3.5.1 主控系統(tǒng)44-45
• 3.5.2 外圍擴展45-48
• 3.6 系統(tǒng)軟件設(shè)計48-52
• 3.6.1 系統(tǒng)總體工作流程48-49
• 3.6.2 電化學(xué)檢測流程49-50
• 3.6.3 系統(tǒng)自檢功能設(shè)計50-52
• 3.7 本章小結(jié)52-53
• 4 檢測系統(tǒng)的微信號去噪研究53-68
• 4.1 誤差的產(chǎn)生及分類53-54
• 4.1.1 電化學(xué)過程產(chǎn)生的噪聲53
• 4.1.2 檢測電路本身產(chǎn)生的誤差53-54
• 4.1.3 外界環(huán)境噪聲54
• 4.2 大誤差去除方法54-56
• 4.2.1 移動平均法54
• 4.2.2 分位數(shù)法54-55
• 4.2.3 差分法55-56
• 4.3 細噪聲的濾除方法研究56-64
• 4.3.1 五點三次平滑56-57
• 4.3.2 小波濾波57-59
• 4.3.3 自適應(yīng)LMS濾波59-61
• 4.3.4 變步長LMS濾波算法與改進61-63
• 4.3.5 改進算法的性能分析63-64
• 4.4 濾波實驗對比與應(yīng)用64-67
• 4.5 本章小結(jié)67-68
• 5 溶出峰峰形確定方法研究68-82
• 5.1 函數(shù)逼近方法68-69
• 5.2 插值與擬合方法的分析與應(yīng)用69-73
• 5.2.1 三次樣條插值分析69-70
• 5.2.2 最小二乘擬合分析70-71
• 5.2.3 插值與擬合的實驗分析71-73
• 5.3 混合溶液中多峰形分段擬合73-77
• 5.3.1 極大值法進行分段74-75
• 5.3.2 分段擬合結(jié)果分析75-77
• 5.4 溶出峰基線校正77-81
• 5.4.1 切線法的原理與實現(xiàn)78-79
• 5.4.2 校正實驗與分析79-81
• 5.5 本章小結(jié)81-82
• 6 溶出重疊峰分離與智能分析方法研究82-104
• 6.1 重疊峰分析方法綜述83
• 6.2 基于非線性曲線擬合的重疊峰分解83-87
• 6.2.1 伏安峰數(shù)學(xué)模型建立84-85
• 6.2.2 曲線擬合重疊峰解析算法85-87
• 6.3 重疊峰解析的仿真分析87-88
• 6.3.1 模擬信號構(gòu)建87-88
• 6.3.2 分峰仿真結(jié)果與分析88
• 6.4 重疊峰解析算法優(yōu)化與實踐88-92
• 6.4.1 基于峰位鄰域的溶出重疊峰分區(qū)解析方法89-90
• 6.4.2 重疊峰解析算法實踐分析90-92
• 6.5 自動分析研究92-94
• 6.6 實驗研究與誤差分析94-103
• 6.6.1 實驗儀器設(shè)備94
• 6.6.2 試劑制備94-95
• 6.6.3 測量步驟及注意事項95-96
• 6.6.4 溶出參數(shù)實驗96-99
• 6.6.5 溶出電流與濃度的關(guān)系分析99-102
• 6.6.6 濃度檢測結(jié)果與誤差分析102
• 6.6.7 實驗結(jié)論102-103
• 6.7 本章小結(jié)103-104
• 7 結(jié)論與展望104-107
• 7.1 主要工作及創(chuàng)新點104-106
• 7.1.1 主要工作104-105
• 7.1.2 創(chuàng)新點105-106
• 7.2 研究展望106-107
• 參考文獻107-113
• 在讀期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文113-114
• 作者簡介114-115
• 致謝115-116
• 附錄116-117

【參考文獻】

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  本文關(guān)鍵詞：水體重金屬在線監(jiān)測系統(tǒng)及自動分析方法研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：406374