基于紅外分光光度法的油煙檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

馬偉文, 朱能武, 施召才, 宋小飛

(華南理工大學(xué) 環(huán)境與能源學(xué)院, 廣東 廣州　510006)

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基于紅外分光光度法的油煙檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

馬偉文, 朱能武, 施召才, 宋小飛

(華南理工大學(xué) 環(huán)境與能源學(xué)院, 廣東 廣州510006)

在分析目前油煙檢測(cè)技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了基于紅外分光光度法檢測(cè)技術(shù)的油煙檢測(cè)裝置。該檢測(cè)裝置利用化學(xué)方法對(duì)油煙進(jìn)行在線檢測(cè),擁有傳統(tǒng)紅外分光光度法的優(yōu)點(diǎn),并可自動(dòng)檢測(cè),遠(yuǎn)程輸送數(shù)據(jù)。進(jìn)行了裝置檢測(cè)的可行性相關(guān)實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的科學(xué)性。

油煙在線檢測(cè); 四氯化碳; 紅外分光光度法

隨著社會(huì)的發(fā)展,國(guó)內(nèi)餐館的數(shù)量急劇增加,飲食行業(yè)油煙污染已經(jīng)成為城市環(huán)境污染的一大問(wèn)題。油煙經(jīng)初步處理后排放到大氣中的污染物質(zhì)主要為氣溶膠,其中含有食用油和食品在高溫下的揮發(fā)物,以及食用油及食品的氧化、裂解、水解而形成的醛類(lèi)、酮類(lèi)、鏈烷類(lèi)和鏈烯類(lèi)、多環(huán)芳烴等產(chǎn)物,成分極為復(fù)雜[1-3]。烹調(diào)油煙具有一定的吸入毒性、免疫毒性和致變毒性,是可疑致癌因子[4],會(huì)嚴(yán)重影響人體的健康,人體長(zhǎng)期吸入高濃度油煙氣會(huì)造成免疫功能下降,嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致呼吸系統(tǒng)病變和血液遺傳病變[5],因此須對(duì)其排放濃度進(jìn)行有效的檢測(cè)。

目前對(duì)油煙檢測(cè)的方法有4種:傳統(tǒng)紅外分光光度法[6]、油煙快速檢測(cè)——檢氣管法[7-8]、基于氣體傳感器(TGS2100)的油煙遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[9]、非分散紅外技術(shù)檢測(cè)法[10]。傳統(tǒng)紅外分光光度法具有測(cè)量精度高、準(zhǔn)確性好的優(yōu)點(diǎn),但采樣周期長(zhǎng)、分析周期長(zhǎng)、儀器成本高,而且無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)油煙濃度。檢氣管法具有測(cè)量過(guò)程快速簡(jiǎn)便、成本低廉的優(yōu)點(diǎn),但精度不高,可以判別出油煙氣的大致濃度,而且受油煙性質(zhì)影響較大,也不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)油煙濃度?；跉怏w傳感器(TGS2100)的遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的優(yōu)點(diǎn),但探測(cè)器易被油煙覆蓋而導(dǎo)致使用壽命短,且經(jīng)過(guò)金屬濾網(wǎng)過(guò)濾之后的油煙與標(biāo)準(zhǔn)油煙差異較大。基于非分散紅外實(shí)時(shí)檢測(cè)油煙濃度技術(shù),菜系及炒菜溫度的變化會(huì)影響到油煙性質(zhì),油煙主吸收峰改變很大[11-12],而且測(cè)量氣室受油類(lèi)覆蓋后,會(huì)對(duì)檢測(cè)的準(zhǔn)確度產(chǎn)生重大影響。

綜上可見(jiàn),目前還沒(méi)有受菜系及炒菜溫度影響小的在線油煙檢測(cè)裝置。本文設(shè)計(jì)的裝置,實(shí)現(xiàn)了利用化學(xué)方法進(jìn)行在線檢測(cè),擁有傳統(tǒng)紅外分光光度法的準(zhǔn)確性,也解決了普通在線檢測(cè)探頭易受污染的問(wèn)題。

1　檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)原理

根據(jù)傳統(tǒng)紅外分光光度法的檢測(cè)原理,再結(jié)合《飲食業(yè)油煙排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18483—2001及GB18483—

2014征求意見(jiàn)稿),本檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)原理為:用四氯化碳吸收一定量的油煙,然后用紅外分光系統(tǒng)檢測(cè)吸光度,再根據(jù)吸光度值計(jì)算油煙濃度。

2　檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1　油煙檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

該裝置的結(jié)構(gòu)功能說(shuō)明如下:

(1) 制冷系統(tǒng)。使整個(gè)石英檢測(cè)管處于恒定的較低溫度中,作用有:一是降低進(jìn)氣的溫度,以免四氯化碳吸收油煙時(shí)溫度升高、體積變化影響檢測(cè)精度；二是使四氯化碳處于較低溫度下,減少氣化耗損,提高檢測(cè)精度。

(2) 進(jìn)氣系統(tǒng)。由進(jìn)氣管、轉(zhuǎn)換閥、氣體流量控制系統(tǒng)、泵1等組成。此系統(tǒng)主要目的是使一定量的煙氣較慢地進(jìn)入四氯化碳石英檢測(cè)管,氣體流速不能過(guò)大,不可使四氯化碳層與水層混合,如此既可保證液體耗損較少,也能保證四氯化碳不混濁,利于紅外檢測(cè)。

(3) 吸收系統(tǒng)。由石英檢測(cè)管、填料、四氯化碳液體層、純水層等組成。煙氣經(jīng)過(guò)四氯化碳液體層時(shí),油煙被吸收。填料使用玻璃濾芯,把大氣泡變?yōu)槲⑿馀?增強(qiáng)四氯化碳吸收煙氣中的油。純水作為液封,減少四氯化碳的氣化耗損。檢測(cè)管用石英材料制成,一是石英材料的膨脹系數(shù)小,二是石英材料硬度大,不容易磨花,清洗容易。

(4) 檢測(cè)系統(tǒng)。由紅外分光檢測(cè)系統(tǒng)組成。本紅外檢測(cè)類(lèi)似于紅外測(cè)油儀,波長(zhǎng)可調(diào),以適應(yīng)油煙性質(zhì)不同情況下的檢測(cè)。

(5) 清洗系統(tǒng)。由廢液桶、四氯化碳桶、純水桶、酒精桶、泵2—泵5等組成。當(dāng)石英檢測(cè)管內(nèi)的四氯化碳吸收大量的油煙、吸光度較大時(shí),需要更換吸收液,并清洗檢測(cè)管。一般清洗過(guò)程為:把舊的石英管內(nèi)液體排入廢液桶,然后用95%酒精清洗石英檢測(cè)管,再泵入新鮮的四氯化碳及純水。

(6) 微機(jī)控制系統(tǒng)。把整個(gè)裝置的作業(yè)過(guò)程進(jìn)行編程,然后存入微機(jī),利用微機(jī)控制整個(gè)裝置運(yùn)作,并發(fā)送檢測(cè)數(shù)據(jù)。

可在一套裝置內(nèi)裝有二根檢測(cè)管,實(shí)現(xiàn)不間斷檢測(cè)。

3　裝置檢測(cè)及清洗流程

3.1檢測(cè)流程

(1) 啟動(dòng)制冷系統(tǒng),控制水溫在25 ℃。讓裝有四氯化碳的石英檢測(cè)管浸泡在25 ℃的水浴中。

(2) 紅外分光檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)四氯化碳溶液的吸光度,記錄初始吸光度。

(3) 轉(zhuǎn)換閥旋轉(zhuǎn)至進(jìn)煙氣通道開(kāi)通,使煙氣可進(jìn)入石英檢測(cè)管。

(4) 啟動(dòng)泵1,讓煙氣進(jìn)入石英檢測(cè)管,利用氣體流量控制系統(tǒng),使進(jìn)入石英檢測(cè)管的煙氣為10 mL。

(5) 當(dāng)氣體流量控制系統(tǒng)測(cè)得進(jìn)氣量為10 mL時(shí),泵1停止工作,轉(zhuǎn)換閥關(guān)閉進(jìn)氣通道。

(6) 靜置一段時(shí)間后,啟動(dòng)紅外分光檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)四氯化碳溶液的吸光度。微機(jī)系統(tǒng)對(duì)前后吸光度進(jìn)行計(jì)算,得出煙氣中的油煙濃度。

(7) 系統(tǒng)進(jìn)入下一次的檢測(cè)。

(8) 當(dāng)石英檢測(cè)管中的四氯化碳吸光度較高時(shí),系統(tǒng)運(yùn)行清洗流程。

3.2清洗流程

(1) 泵1關(guān)閉,轉(zhuǎn)換閥轉(zhuǎn)至排廢管道開(kāi)通,啟動(dòng)泵

5,使石英檢測(cè)管內(nèi)所有液體排空。

(2) 泵5關(guān)閉,泵2啟動(dòng),使酒精(體積分?jǐn)?shù)為95%)進(jìn)入石英檢測(cè)管。

(3) 待泵入一定量的酒精時(shí),關(guān)閉泵2,轉(zhuǎn)換閥轉(zhuǎn)至進(jìn)煙氣通道開(kāi)通,啟動(dòng)泵1。利用煙氣攪動(dòng)(進(jìn)氣流量大一些,形成較大的攪動(dòng))作用,用酒精清洗整個(gè)石英檢測(cè)管。

(4) 進(jìn)氣一段時(shí)間后,關(guān)閉泵1,轉(zhuǎn)換閥轉(zhuǎn)至排廢管道開(kāi)通,啟動(dòng)泵5,使石英檢測(cè)管內(nèi)所有液體排空,然后關(guān)閉泵5。

(5) 轉(zhuǎn)換閥轉(zhuǎn)至進(jìn)煙氣通道開(kāi)通,啟動(dòng)泵1,利用煙氣把石英檢測(cè)管吹干。

(6) 進(jìn)煙氣一段時(shí)間后,關(guān)閉泵1,啟動(dòng)泵4,泵入一定量的四氯化碳進(jìn)入石英檢測(cè)管；然后關(guān)閉泵4,啟動(dòng)泵3,泵入一定量的純水,形成液封。

(7) 關(guān)閉泵3,整個(gè)系統(tǒng)處于待進(jìn)氣檢測(cè)狀態(tài)。

4　檢測(cè)裝置可行性相關(guān)實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證本設(shè)計(jì)裝置檢測(cè)的可行性,本文進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn):在試管中,加入1 mL食用油,15 mL四氯化碳,20 mL自來(lái)水(液封作用,在最上層)。用膠管把針筒與空心玻璃管連接,然后把空心玻璃管插入試管底部,用針筒往試管里鼓空氣(考察不同的氣體流速),每次10 mL液體,鼓10次后考察液體總重的減少情況。最后把試管內(nèi)的液體倒掉,觀察試管內(nèi)壁是否干凈。如果試管內(nèi)壁不干凈,用四氯化碳或95%的酒精清洗試管內(nèi)壁,看哪類(lèi)溶劑能清洗干凈。

最后實(shí)驗(yàn)結(jié)果為:當(dāng)氣體流速較慢時(shí),四氯化碳層不會(huì)變混濁,試管內(nèi)壁也無(wú)氣泡貼附,二類(lèi)液體的分界層明顯,可以進(jìn)行比色檢測(cè)；當(dāng)氣體流速較大時(shí),四氯化碳層會(huì)有一點(diǎn)混濁,而且也有氣泡貼附在試管內(nèi)壁,二類(lèi)液體的分界層不明顯,會(huì)夾帶氣泡,難于進(jìn)行比色檢測(cè)。在氣體流速較慢的情況下,鼓10次空氣(每次10 mL),液體總質(zhì)量減少0.2 g,說(shuō)明液體氣化量在鼓氣前后變化量很少,幾乎不影響檢測(cè)精度。

把試管內(nèi)的液體倒掉后,試管內(nèi)壁會(huì)有液滴貼附,用95%的酒精可以很快把試管內(nèi)壁清洗干凈,說(shuō)明清洗劑既可溶解水,又可溶解四氯化碳的溶劑,選用酒精最合適。

綜上可證,本檢測(cè)裝置的可行性較高。

5　結(jié)論

(1) 本裝置實(shí)現(xiàn)了利用化學(xué)方法進(jìn)行在線檢測(cè),擁有傳統(tǒng)紅外分光光度法的優(yōu)點(diǎn)(測(cè)量精度高,準(zhǔn)確性好),檢測(cè)裝置還可自動(dòng)完成檢測(cè),并實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸。

(2) 本裝置每次檢測(cè)需要煙氣量及藥劑量較少,檢測(cè)成本低,只需定期倒廢液并補(bǔ)充四氯化碳、純水及95%的酒精。

(3) 本裝置體積不大,安全,造價(jià)低,主機(jī)重量較輕,制冷系統(tǒng)、廢液桶及其他藥劑桶可外置,安裝方便,具有較大的開(kāi)發(fā)前景。

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Design of lampblack detection device based on infrared spectrophotometry

Ma Weiwen, Zhu Nengwu, Shi Zhaocai, Song Xiaofei

(College of Environment and Energy, South China University of Technology, Guangzhou 510006, China)

Based on the analysis of the current lampblack testing technology, this paper designs a lampblack detection device by the infrared spectrophotometry. This detection device can realize on-line detection using the chemical method, has the advantages of the traditional infrared spectrophotometry and automatic detection, can transport the experimental data remotely. Finally this paper completes the feasibility experiment of this device, which demonstrates that this design is scientific.

lampblack online detection; carbon tetrachloride; infrared spectrophotometry

10.16791/j.cnki.sjg.2016.02.020

2015- 07- 16

馬偉文(1982— ),男,廣東梅州,碩士,實(shí)驗(yàn)師,研究方向?yàn)閷?shí)驗(yàn)教學(xué)、環(huán)境分析技術(shù)等.

E-mail:wwma@scut.edu.cn

X831

A

1002-4956(2016)2- 0069- 03