基于等離子體與紅外光譜的水質(zhì)檢測處理技術(shù)
作者：孫靖鈞、姜浩天、梁宏程、赫顯 電機系
指導老師：羅海云 電機系
關(guān)鍵詞：傅里葉紅外光譜、等離子體、水質(zhì)
摘要
水對所有生命體都起著不可替代的作用，水資源問題一直都是熱點問題，然而隨著工業(yè)化進程不斷推進，飲用水水源有機污染程度日益嚴重傳統(tǒng)，同時傳統(tǒng)的水質(zhì)檢測技術(shù)以及水處理工藝對有機污染物的檢測、處理不佳，面對這種現(xiàn)狀，我們致力于開發(fā)一種基于等離子體與紅外光譜的水質(zhì)快速檢測與處理技術(shù)，并設(shè)計出相應(yīng)的新型設(shè)備。
水質(zhì)快速檢測
基于FTIR的原理，我們設(shè)計了水質(zhì)快檢技術(shù)，包括檢測前、中、后的步驟規(guī)范與對樣品和結(jié)果的大數(shù)據(jù)算法等處理，極大地降低了水質(zhì)檢測數(shù)據(jù)結(jié)果的分散性影響，從而實現(xiàn)FTIR在水質(zhì)檢測上優(yōu)勢的發(fā)揮。在測試前對樣品進行針對性的預(yù)處理；在檢測操作過程中，將步驟規(guī)范化，通過多次實驗數(shù)據(jù)的對比分析，不斷調(diào)整并最終確定最佳的操作的方式與參數(shù)；在獲得數(shù)據(jù)后，依據(jù)多次對比實驗及分析結(jié)果確定一系列數(shù)據(jù)處理方法，包括確定最佳平滑因子，采取基線交互矯正等對譜圖進行處理，并充分利用大數(shù)據(jù)分析工具對譜圖數(shù)據(jù)進一步分析，利用主成分分析、誤差棒等算法提高掃譜結(jié)果有效性并獲得多維度數(shù)據(jù)與圖像的結(jié)果集，得到在定性與定量分析上都真正有效可靠的水質(zhì)檢測結(jié)果。
圖1 新型水質(zhì)檢測過程示意圖
圖2 水質(zhì)檢測結(jié)果示意譜圖
水質(zhì)高效處理
等離子體水處理屬于水處理高級氧化技術(shù)的一種，對水中有機物有非常好的去除效果。它通過化學或物理化學的方法將污水中的污染物直接氧化成無機物，或?qū)⑵滢D(zhuǎn)化為低毒的易生物降解的中間產(chǎn)物，具有反應(yīng)時間短、對有機物降解無選擇性、環(huán)保等特點。
設(shè)備實現(xiàn)與實際效果
本次挑戰(zhàn)杯項目的設(shè)備實現(xiàn)有兩個突出的創(chuàng)新亮點。首先是形成一個操作閉環(huán)，檢測——處理——再檢測，用水質(zhì)的快檢技術(shù)和處理技術(shù)進行雙向的驗證和效果評估，根據(jù)水質(zhì)檢測結(jié)果分析處理參數(shù)的邊際效率，或者根據(jù)處理的操作來反向檢驗水質(zhì)快檢的誤差，用這樣的雙向驗證和效果評估不斷錘煉技術(shù)的成熟度和可靠性。然后就是實現(xiàn)一體機，將兩種技術(shù)集成到一個新型設(shè)備上，并且盡可能的小型化，實現(xiàn)一個水質(zhì)快檢和處理一體機，爭取能夠做到手持工作，預(yù)測這種設(shè)備會有較廣泛的需求并且能解決一些痛點。
圖3 水質(zhì)檢測處理一體化流程
實際樣機如下所示：
圖4 樣機展示
圖5 樣機展示
圖6 樣機展示
圖7 實際運行效果
在實驗室中利用樣機進行細菌滅活實驗，處理效果如下所示：
圖8 實際菌落處理效果
