山東濰坊是我國北方一個重要的工業(yè)化城市。在工業(yè)生產(chǎn)的過程中，會產(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經(jīng)過無機(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)污染物分解而來的，因此，地下水中硝酸鹽的含量，是評價(jià)濰坊地下水污染程度的一個重要指標(biāo)。如何對山東濰坊市地下水中硝酸鹽的含量進(jìn)行檢測，已經(jīng)成為當(dāng)前環(huán)保領(lǐng)域中的一個研究熱點(diǎn)，受到了越來越多該領(lǐng)域的專家和學(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方法包括：基于酚二磺酸光度法的地下水硝酸鹽污染檢測方法、基于離子色譜法的地下水硝酸鹽污染檢測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方法。由于地下水硝酸鹽污染檢測方法對于保障濰坊市生態(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)儀器對水體樣本進(jìn)行檢測。這樣的檢測方法雖然具有較高的準(zhǔn)確率，但是過程過于繁瑣，不能滿足實(shí)時性檢測的需

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傳感器實(shí)現(xiàn)的原理是，利用紫外光吸收法來實(shí)現(xiàn)對地下水中硝酸鹽含量的檢測，該檢測方法實(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對應(yīng)波長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應(yīng)波長處的吸收常數(shù)K也是固定值，因此，地下水溶液樣本在硝酸鹽對應(yīng)波長處的吸光度A與硝酸鹽的濃度C呈正比例關(guān)系，利用硝酸鹽對應(yīng)波長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紫外吸收特性對山東濰坊地下水硝酸鹽污染進(jìn)行檢測是可行的。文中設(shè)計(jì)的硝酸鹽污染檢測傳感器是通過對210nm處的吸光度進(jìn)行檢測獲得山東濰坊地下水中硝酸鹽污染的檢測值。

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采集單元、信號處理單元、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傳感器的實(shí)物如圖3所示：

地下水硝酸鹽污染檢測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、信號采集電路板、光敏管、光纖、不銹鋼外殼、檢測探頭、傳輸線、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，能夠長時間運(yùn)行，工作壽命超過2000h，可對待檢測地區(qū)進(jìn)行持續(xù)長時間的檢測。濾光片可對210nm處的波長進(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)的波長擁有很好的敏感性。檢測傳感器內(nèi)所有的光路元器件都通過光纖連接。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。信號采集模塊能夠?qū)Φ叵滤芤褐形⑷醯南跛猁}信號進(jìn)行檢測，同時能夠?qū)ν獠凯h(huán)境中的干擾信號進(jìn)行有效隔離。在進(jìn)行山東濰坊地下水硝酸鹽污染檢測時，光源發(fā)出的紫外光主要有兩個去向：一部分紫外光通過光纖傳送到光電管，用于指示傳感器工作狀態(tài)的指示信號；其余部分的紫外光通過光纖傳送到檢測窗口，當(dāng)檢測窗口插入到地下水樣后，紫外光就會被溶液中的硝酸鹽吸收，并通過反射鏡反射到光電管，光電管能夠?qū)?jīng)過待檢測溶液吸收后的光信號轉(zhuǎn)換系統(tǒng)能夠識別的電信號，最后，信號采集電路板將采集到的電信號發(fā)送到系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理終端，經(jīng)過數(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。

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，可以對硝酸鹽傳感器的性能進(jìn)行更好的評價(jià)。

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