饮用水砷/氟自动检测系统研究

摘要

氟中毒对人体的损害主要影响咀嚼和消化功能、使得全身骨关节麻木、疼痛、变形。砷中毒会损害人体的皮肤、引起细胞癌化、畸形或突变。快速、准确的检测饮用水中的砷离子和氟离子浓度，具有很强的现实意义。此外，正确的判断污染物的来源，可以对污染形成有效的控制和治理。本文工作内容分为三个部分:饮用水砷/氟自动检测系统的硬件设计;饮用水砷/氟自动检测系统的软件设计;应用多元统计分析方法对饮用水中离子分布的源解析研究。
　　 饮用水砷/氟自动检测系统的硬件设计包括机械设计和电路设计。其中机械设计主要包含自动进样系统、水样的前处理装置、工作电极自动更换装置。由蠕动泵、注射泵、多通基板和电磁阀构成的自动进样系统可以精确的抽取液体，采用多通基板可以减少蠕动泵的个数，并提供高效、交叉污染少、重复性好的自动进样。试样的前处理装置实现了进液、排液和排气的有序进行，提高了消解反应的效果，增强了对消解过程的可控性。此外，用于砷离子检测的电极自动更换装置可以快速更换工作电极，提升仪器单次使用时长，实现较长时间无人值守。仪器的电路设计包含USB-6212数据采集卡与自动进样控制电路、三电极电化学测量的恒电位电路、微弱电流信号检测电路。针对饮用水中砷离子即使在富集后传感器的响应信号也比较微弱的特点，建立系统的噪声模型并分析其噪声特性，得出最佳电路方案。测量结果表明该自动检测系统具有较高的精度和灵敏度，电化学测量系统可以代替成品电化学工作站进行差分脉冲阳极溶出伏安法测量。恒电位输出在-5 V～+5 V的范围内，误差不超过3 mV。微弱电流信号检测电路的电流分辨率为2nA。
　　 饮用水砷/氟自动检测系统的软件设计包括检测系统的检测方法设计;基于数据传输模块的检测结果和检测数据发送;自动进样系统的控制（包括电磁阀、蠕动泵、注射泵、消解罐的控制）;用于砷离子检测的差分脉冲溶出伏安法;砷离子检测数据处理的小波分析与去噪;砷离子溶出峰面积以及砷离子浓度的计算。合理的自动检测方法设计避免对仪器造成过多的人为干扰，使得系统完全实现了自动化测量。饮用水砷/氟自动检测系统的软件界面设计友好、操作简单、可以设置重要的检测参数以及实时了解仪器的运行状态。本自动检测系统具备可远程启动以及数据回传功能，稳定的服务器系统和数据传输模块承担服务器发送的启动信号接收以及将测试结果的回传至服务器。对于采集到的数据，提供基于小波分析的信号去噪和用于电化学数据分析的峰面积计算方法，可以快速准确的计算砷离子浓度。
　　 应用多元统计分析方法对饮用水中离子分布的源解析研究。包括基于正矩阵因式分解、非负矩阵因式分解、聚类分析、主成分分析的饮用水中离子分布的源解析研究。本工作采用上述四类方法对内蒙古托县地区饮用水中离子浓度分布进行了定性和定量源解析研究。四种方法的源解析结果对源污染的估算基本一致，示范地区水体污染大体分为两类:第一类为砷，铅和硫等含量较多的水体，该类水体可能是由于磷酸盐和硫酸盐/硫化物，方铅矿，铅锌矿，以及自然风化的铅锌矿物和富含铝和钾的粘土矿物的污染造成。第二类为钙，硅和钠等其他一些金属离子组成的水体。可能为碳酸盐矿物源（例如方解石），镁的碳酸盐矿石（如白云石）和一些不同类型的硅酸盐矿物的污染造成。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 重金属离子检测方法及发展趋势

1．2．1 原子光谱法

1．2．2 质谱分析法和紫外-可见分光光度法

1．2．3 电化学分析法

1．3 电化学溶出伏安技术及其应用现状

1．3．1 电化学溶出伏安技术

1．3．2 基于阳极溶出伏安法的重金属检测仪

1．4 源解析技术研究现状

1．5 课题研究目标和内容

第2章 饮用水砷／氟自动检测系统的硬件设计

2．1 饮用水砷／氟自动检测系统的机械设计

2．1．1 自动进样系统

2．1．2 检测砷离子的工作电极更换装置

2．1．3 检测砷离子的水样消解装置

2．2 饮用水砷／氟自动检测系统的电路设计

2．2．1 USB-6212数据采集卡与自动进样控制电路

2．2．2 应用于电化学测量的恒电位电路

2．2．3 微弱电流信号检测电路

2．3 本章小结

第3章 饮用水砷／氟自动检测系统的软件设计

3．1 饮用水砷／氟自动检测系统的检测方法设计

3．1．1 净化水中氟离子浓度检测方法设计

3．1．2 井水中氟离子浓度检测方法设计

3．1．3 净化水中砷离子浓度检测方法设计

3．1．4 井水中砷离子浓度检测方法设计

3．2 自动进样系统与数据传输模块的软件设计

3．2．1 自动进样系统的软件设计

3．2．2 数据传输模块的软件设计

3．3 基于差分脉冲阳极溶出伏安法的砷离子检测程序设计

3．3．1 差分脉冲阳极溶出伏安法的软件实现

3．3．2 砷离子检测数据的小波去噪分析及其软件实现

3．3．3 砷离子溶出峰面积以及砷离子浓度的计算方法

3．4 本章小结

第4章 饮用水离子浓度分布的源解析研究

4．1 基于多元统计分析的源解析技术

4．1．1 正矩阵因式分解

4．1．2 非负矩阵因式分解

4．1．3 聚类分析

4．1．4 主成分分析

4．2 离子浓度的检测及检测数据的统计分析

4．3 应用多元统计分析对饮用水离子浓度分布的源解析研究

4．3．1 基于正矩阵因式分解的源解析研究

4．3．2 基于非负矩阵因式分解的源解析研究

4．3．3 基于聚类分析的源解析研究

4．3．4 基于主成分分析的源解析研究

4．4 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 研究工作总结

5．2 后续研究计划与展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果