山東濰坊是我國(guó)北方一個(gè)重要的工業(yè)化城市。在工業(yè)生產(chǎn)的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生很多污染物，其中也包含大量富含氮的有機(jī)污染物，這些污染物被填埋后會(huì)經(jīng)過(guò)無(wú)機(jī)化作用分解成硝酸鹽，因此，硝酸鹽廣泛存在于濰坊等工業(yè)化城市的地下水中。在有氧的地下水中，硝酸鹽是各類(lèi)含氮化合物中化學(xué)特性和結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定的含氮化合物。由于地下水中的硝酸鹽主要是由含氮有機(jī)污染物分解而來(lái)的，因此，地下水中硝酸鹽的含量，是評(píng)價(jià)濰坊地下水污染程度的一個(gè)重要指標(biāo)。如何對(duì)山東濰坊市地下水中硝酸鹽的含量進(jìn)行檢測(cè)，已經(jīng)成為當(dāng)前環(huán)保領(lǐng)域中的一個(gè)研究熱點(diǎn)，受到了越來(lái)越多該領(lǐng)域的專(zhuān)家和學(xué)者的關(guān)注。

當(dāng)前階段，主要的地下水硝酸鹽污染的檢測(cè)方法包括：基于酚二磺酸光度法的地下水硝酸鹽污染檢測(cè)方法、基于離子色譜法的地下水硝酸鹽污染檢測(cè)方法和基于氣相分子吸收光譜法的地下水硝酸鹽污染檢測(cè)方法。其中，最常用的是基于離子色譜法的地下水硝酸鹽污染檢測(cè)方法。由于地下水硝酸鹽污染檢測(cè)方法對(duì)于保障濰坊市生態(tài)環(huán)境和人們的生命健康具有重要的現(xiàn)實(shí)意義與應(yīng)用價(jià)值，因此該課題擁有廣闊的發(fā)展前景，并成為很多學(xué)者研究的重點(diǎn)課題。但是，傳統(tǒng)的地下水硝酸鹽污染檢測(cè)方法仍然存在的一定的弊端：首先需要從待檢地采集水體樣本，然后將水體樣本送至實(shí)驗(yàn)室，最后利用相關(guān)儀器對(duì)水體樣本進(jìn)行檢測(cè)。這樣的檢測(cè)方法雖然具有較高的準(zhǔn)確率，但是過(guò)程過(guò)于繁瑣，不能滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性檢測(cè)的需

一、水體硝酸鹽污染的δ¹⁵N光感與吸光性分析

地下水硝酸鹽污染檢測(cè)傳感器實(shí)現(xiàn)的原理是，利用紫外光吸收法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)地下水中硝酸鹽含量的檢測(cè)，該檢測(cè)方法實(shí)現(xiàn)的原理是朗伯比爾定律，它是光吸收的基本定律，利用朗伯比爾定律能夠反映出地下水中硝酸鹽中的δ¹⁵N對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的吸光度與其在地下水中濃度之間的關(guān)系。山東濰坊地下水中硝酸鹽吸δ¹⁵N光度與濃度之間的關(guān)系能夠用下述公式進(jìn)行計(jì)算：

其中，A為地下水溶液中硝酸鹽的δ¹⁵N吸光度，C為地下水溶液中硝酸鹽的濃度，L為光程，I為地下水透射光的強(qiáng)度，I₀為地下水中入射光的強(qiáng)度，T為光在地下水中的透過(guò)率，K為地下水的吸光系數(shù)，它反映出硝酸鹽在單位質(zhì)量地下水溶液中的吸光度，用來(lái)反應(yīng)硝酸鹽δ¹⁵N吸光能力的強(qiáng)弱。若容器的大小和地下水溶液的體積已確定，則光程L也是固定值，溶液中硝酸鹽在其對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)處的吸收常數(shù)K也是固定值，因此，地下水溶液樣本在硝酸鹽對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)處的吸光度A與硝酸鹽的濃度C呈正比例關(guān)系，利用硝酸鹽對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)處的吸光度能夠求解出硝酸鹽在地下水溶液樣本中的濃度。

硝酸鹽中的硝酸根NO能夠?qū)庾V中200～220nm處的波長(zhǎng)進(jìn)行強(qiáng)烈的紫外吸收，山東濰坊地下水溶液中硝酸鹽的δ¹⁵N吸收光譜如圖1：

圖1能夠得知，濰坊地下水硝酸鹽在光譜中210～220nm處的波長(zhǎng)處有非常明顯的吸收區(qū)，并且能夠準(zhǔn)確反映出吸光度和硝酸鉀濃度之間的關(guān)系。因此，綜合運(yùn)用朗伯比爾定律與硝酸鹽的δ¹⁵N紫外吸收特性對(duì)山東濰坊地下水硝酸鹽污染進(jìn)行檢測(cè)是可行的。文中設(shè)計(jì)的硝酸鹽污染檢測(cè)傳感器是通過(guò)對(duì)210nm處的吸光度進(jìn)行檢測(cè)獲得山東濰坊地下水中硝酸鹽污染的檢測(cè)值。

二、硝酸鹽污染傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與流程

1、硝酸鹽污染傳感器的硬件設(shè)計(jì)硝酸鹽污染傳感器的電路模塊是由信號(hào)采集單元、信號(hào)處理單元、電源單元構(gòu)成。其硬件構(gòu)成框圖如圖2所示：

2、硝酸鹽傳感器的實(shí)物圖及工作流程

本文設(shè)計(jì)的山東濰坊地下水硝酸鹽污染檢測(cè)傳感器的實(shí)物如圖3所示：

地下水硝酸鹽污染檢測(cè)傳感器的主要元器件除了電路模塊外，其它部分還有：防水接口、紫外光源、信號(hào)采集電路板、光敏管、光纖、不銹鋼外殼、檢測(cè)探頭、傳輸線(xiàn)、濾光片和反射鏡等構(gòu)成。其中，紫外光源是由賀利氏（heraeus）光纖氘燈構(gòu)成。這種紫外光源在200～400nm波段內(nèi)能保持較高的穩(wěn)定性。額定輸出功率為5W，開(kāi)機(jī)后能夠在數(shù)秒內(nèi)即可發(fā)出穩(wěn)定的紫外光，能夠長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，工作壽命超過(guò)2000h，可對(duì)待檢測(cè)地區(qū)進(jìn)行持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間的檢測(cè)。濾光片可對(duì)210nm處的波長(zhǎng)進(jìn)行濾光。光電管是由硅結(jié)構(gòu)的光電二極管構(gòu)成，在其工作區(qū)域內(nèi)的波長(zhǎng)擁有很好的敏感性。檢測(cè)傳感器內(nèi)所有的光路元器件都通過(guò)光纖連接。這樣的設(shè)計(jì)方式可以使這種傳感器的體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的光學(xué)鏡片式的傳感器體積。信號(hào)采集模塊能夠?qū)Φ叵滤芤褐形⑷醯南跛猁}信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)能夠?qū)ν獠凯h(huán)境中的干擾信號(hào)進(jìn)行有效隔離。在進(jìn)行山東濰坊地下水硝酸鹽污染檢測(cè)時(shí)，光源發(fā)出的紫外光主要有兩個(gè)去向：一部分紫外光通過(guò)光纖傳送到光電管，用于指示傳感器工作狀態(tài)的指示信號(hào)；其余部分的紫外光通過(guò)光纖傳送到檢測(cè)窗口，當(dāng)檢測(cè)窗口插入到地下水樣后，紫外光就會(huì)被溶液中的硝酸鹽吸收，并通過(guò)反射鏡反射到光電管，光電管能夠?qū)?jīng)過(guò)待檢測(cè)溶液吸收后的光信號(hào)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)能夠識(shí)別的電信號(hào)，最后，信號(hào)采集電路板將采集到的電信號(hào)發(fā)送到系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理終端，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)終端的處理后得到地下水中硝酸鹽的濃度，從而實(shí)現(xiàn)山東濰坊地下水硝酸鹽污染的檢測(cè)。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

1、實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)置

為了驗(yàn)證文中設(shè)計(jì)的地下水硝酸鹽污染檢測(cè)傳感器的有效性，需要進(jìn)行一次實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)在山東省濰坊市軍埠口鎮(zhèn)進(jìn)行。軍埠口鎮(zhèn)位于濰坊市郊區(qū)，有多條省道貫穿該鎮(zhèn)，鎮(zhèn)內(nèi)分布著大量的輕工業(yè)企業(yè)和采礦企業(yè)，因此，該鎮(zhèn)的地下水受到不同程度的硝酸鹽污染。實(shí)驗(yàn)時(shí)間為2015年6月1日至2015年6月30日。實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)分為室內(nèi)和室外兩部分，室內(nèi)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的硝酸鹽δ15N傳感器的靈敏性，室外的實(shí)驗(yàn)部分主要用于測(cè)試硝酸鹽傳感器的實(shí)際表現(xiàn)。將室內(nèi)實(shí)驗(yàn)與室外實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，可以對(duì)硝酸鹽傳感器的性能進(jìn)行更好的評(píng)價(jià)。

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