水中懸浮顆粒物的濾除方法研究概述

周歡 李戀

【摘 要】中國社會經濟的飛速發(fā)展，帶來嚴峻的環(huán)境污染問題。本文主要概述了懸浮顆粒物粒徑大小和分布的測量方法，結果顯示：當散射角度為15°、波長范圍為450-500nm時可以精準的反演出懸浮顆粒物的粒徑大小和分布。通過分析可以有效濾除水質中的懸浮顆粒物，這對于治理空氣污染和凈化水質都有著至關重要的影響。

【關鍵詞】懸浮顆粒物;粒徑分布;濾除方法;研究

中圖分類號： O436.2 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）12-0071-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.12.033

【Abstract】With the rapid development of Chinese economy， it has brought serious environmental pollution problems. This thesis mainly summarizes the measurement methods of particle size and distribution of suspended particles. The result shows that particle size and distribution of suspended particles can be accurately reversed when the scattering angle is 15 degree and the wavelength range is 450-500 nm. The analysis can effectively filter out suspended particles in water ， which is essential to resolve air pollution and purify water quality.

【Key words】Suspended Particles; Particle Size Distribution; Filtration Method; Research

伴隨著社會居民生活水平的逐步提高，人們越來越多的關注環(huán)境污染問題。在大氣污染方面，懸浮顆粒物伴隨人類呼吸進入體內，人體自身機能只能過濾掉粒徑較大的顆粒，而那些小粒徑的懸浮顆粒物卻會進入人體肺部，影響人類的身體健康。在飲用水的凈化方面，懸浮顆粒物伴隨液體介質進入人體內部，長期過濾不掉就會造成結石等身體問題，保障居民飲用水安全成為當下牽動國計民生的重要課題。

1 懸浮顆粒物簡介

隨著社會經濟的快速發(fā)展，森林亂砍濫伐、土壤逐漸被侵蝕、焚燒引起濃煙霧霾，建筑作業(yè)導致粉末飛揚、以及工業(yè)生產排放大量廢水廢氣等都造成嚴重的空氣污染和水質污染。懸浮顆粒物指懸浮在空氣中或者摻雜在水質中，空氣動力學當量直徑小于等于100μm的顆粒物。懸浮顆粒物的含量和分布是衡量大氣質量評價體系中非常重要的指標[1]。

懸浮顆粒物對人體的危害程度主要決定于自身的粒度大小及化學組成。懸浮顆粒物中粒徑大小大于10μm的物質，可以被人體的鼻腔和喉嚨捕獲，不伴隨呼吸進入人體體內。而那些粒徑大小小于10μm的懸浮顆粒物，稱為PM10，進入人體呼吸道后沉積于肺泡，久而久之引發(fā)肺炎、肺癌等嚴重的肺部疾病。有研究表明，對人體危害最大的是懸浮顆粒物中粒徑大小小于2.5μm的飄塵，稱為PM2.5，常年接觸導致人體呼吸系統(tǒng)病癥與日俱增。

懸浮顆粒物在生活中處處可見，它們以不同的形態(tài)分散在氣體介質中、液體介質中。隨著社會經濟的不斷發(fā)展，懸浮顆粒物粒徑分布的測量變得尤為重要。因此，提高懸浮顆粒物的粒徑分布測量精度、找到有效濾除方法對保障人體健康和改善環(huán)境問題具有至關重要的研究價值和研究意義[2]。

2 粒徑分析方法討論

基于Mie散射理論，對懸浮顆粒物的粒徑分布進行光學測量及分析，整體思路框架圖如下圖1所示。

通過搭建實驗平臺采集數據，測量懸浮顆粒物的散射光強，并使用MATLAB工具對數據進行預處理。對預處理后的數據進行統(tǒng)計分析，使用Origin繪圖工具，分析每一散射角度下不同波長的散射系數隨濃度的變化關系;每一散射波長下不同角度的散射系數隨濃度的變化關系;每一散射角度下不同濃度的散射系數隨波長的變化關系[3]。具體的技術研究路線如下圖2所示。

3 實驗結果與分析

基于小波變換方法[4]去噪，并對實驗數據進行處理，通過分析得出當散射角度為15°散射波長為450 nm時，單粒徑、單粒徑直接相加、以及二者1：1比例混合的懸浮液散射系數隨濃度的變化關系圖，如下圖3所示。

圖3表明，懸浮顆粒物粒徑的散射系數隨著濃度的增大而增大，增大的趨勢基本一致，只是增大的幅度略微有些差別。而增大的趨勢不是特別明顯，這是由于溶液的濃度過高導致的。

選取不同散射角度、不同散射波長范圍的各種組合下粒徑比的分布狀況。通過與原始粒徑分布1：1進行比較，分析誤差，進而確定懸浮顆粒物粒徑反演最合適的散射角度和最合適的波長范圍。

其次，選取實驗中幾組不同波長下散射光譜的測量值，比較分析每組反演出的粒徑分布比例以及誤差，可以得到以下結果：

（1）當散射角度為15°時，反演出的粒徑分布比進行歸一化處理后為：1：1.09;1：1.12;1：0.58;（2）當散射角度為30°時，反演出的粒徑分布比進行歸一化處理后為：1：0.96;1：1.08;1：0.55;（3）當散射角度為45°時，反演出的粒徑分布比進行歸一化處理后為：1：0.99;1：0.84;1：0.54。

由上述數據可以看出，當散射波長超出500 nm左右時，粒徑分布比與原始1：1的粒徑比相差較大。

綜上所述，當散射角度為15°，波長范圍為450nm-500nm 時，經過反演計算得到的粒徑分布與原始粒徑比之間的誤差最小。因此，對懸浮顆粒物粒徑大小和分布進行光學測量和反演過程中，選擇合適的散射角度和波長范圍能夠較為精準地反演其真實的粒徑大小和分布，從而可以有效濾除水質中的懸浮顆粒物[5]。

4 總結

懸浮顆粒物是大氣、水質中的主要成分，國內外已經在懸浮顆粒物粒徑分布的測量領域取得了一些研究進展，這一課題也已經成為大氣領域的研究熱點，但是目前很少有人涉及水質中懸浮顆粒物粒徑分布的測量和濾除工作[6]。本文針對水中懸浮顆粒物的粒徑分布進行測量和反演，結果表明當散射角度為15°，波長范圍為450-500nm 時可以高精度的反演出粒徑的大小和分布。通過粒徑分析能夠有效濾除水中的懸浮顆粒物，這對于監(jiān)測空氣污染指數和檢測水質純凈度具有重要的理論價值和研究意義。

【參考文獻】

[1]周歡.水中二氧化硅顆粒粒徑分布的光學測量研究[M]. 江蘇：南京信息工程大學，2017.

[2]肖錦蓉.懸浮顆粒物粒徑分布光學測量及反演方法研究[M].江蘇：南京信息工程大學，2016.

[3]李宏偉，劉青，等.循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中懸浮顆粒物去除工藝研究概況[J].水產科學，2015，34（8）：527-532.

[4]王福貴.油田采出水常規(guī)處理工藝出水中顆粒物粒徑分布及分析[J].特種油氣藏，2006，13（3）：97-98+104.

[5]季明東，李海軍，李建平，等.烏龜溫室養(yǎng)殖水中懸浮顆粒物的沉降特性[J].農業(yè)工程學報，2018，24（21）：222-227.

[6]李挺.大氣懸浮顆粒物的光散射特性研究[M].陜西：西安理工大學，2018.※基金項目：本文得到安徽新華學院校級重點科研項目——基于DTW與混合LPC的EOG和語音綜合分析研究與應用（No.2017zr005）資助;本文得到國家教育部產學研協同育人項目——《互聯網應用開發(fā)、Web前端開發(fā)校內聯合實訓基地建設》（No.201702030074）;安徽新華學院校級教研項目——《基于工程實踐能力培養(yǎng)與云平臺的軟件項目管理課程的教學模式探索》（No.2017jy001）資助。