基于傳感器網(wǎng)的煙塵多環(huán)芳烴自動吸附系統(tǒng)研究

魏勝非，康 婷

(東北師范大學物理學院，吉林 長春 130024)

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國環(huán)境空氣污染特征發(fā)生了顯著變化，由PM2.5引起的區(qū)域性大氣污染問題日趨突出，嚴重影響人們的健康和社會經(jīng)濟的和諧發(fā)展.在產(chǎn)生的PM2.5中，部分是多環(huán)芳烴的產(chǎn)物，常被忽略[1-2].多環(huán)芳烴(polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs)是煤、石油、木材、煙草、有機高分子化合物等有機物不完全燃燒時產(chǎn)生的揮發(fā)性碳氫化合物，是重要的環(huán)境和食品污染物[3-4].迄今已發(fā)現(xiàn)200多種多環(huán)芳烴，其中有相當部分具有致癌性.多環(huán)芳烴廣泛分布于環(huán)境中，任何有機物加工、廢棄、燃燒或使用的地方都有可能產(chǎn)生多環(huán)芳烴.多環(huán)芳烴不易降解，危害大且具有生物累積性，同時是霧霾產(chǎn)生的一個不可忽略的因素.多環(huán)芳烴大部分是無色或淡黃色的結晶，個別具深色，熔點及沸點較高，蒸汽壓很小，大多不溶于水，易溶于苯類芳香性溶劑，微溶于其他有機溶劑，辛醇-水分配系數(shù)比較高.

燃煤產(chǎn)生的多環(huán)芳烴一部分燃燒掉，一部分被排放.對于燃煤排放的多環(huán)芳烴目前還沒有好的方法直接從煙道排出口進行處理，排入大氣后處理更加困難.采用活性炭等吸附材料可以有效吸附多環(huán)芳烴，但吸附材料的吸附孔經(jīng)常會堵塞，需要及時更換，否則不僅起不到吸附多環(huán)芳烴的作用還增大了排煙阻力.為了能夠及時、自動更換吸附材料，降低多環(huán)芳烴的排放量，本文設計、研發(fā)了一種基于傳感器網(wǎng)的煙塵多環(huán)芳烴自動吸附減排系統(tǒng)，它可利用物聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)多環(huán)芳烴的精準排放.

1 系統(tǒng)結構設計

基于傳感器網(wǎng)的煙塵多環(huán)芳烴自動吸附減排系統(tǒng)主要由傳輸部分、傳感網(wǎng)節(jié)點、吸附顆粒、電路控制部分組成，系統(tǒng)結構如圖1所示.傳輸部分由回收漏斗、上回收管、回收電磁閥、回收管固定栓、下回收管、回收處理箱、加壓氣泵固定栓、加壓氣泵、吸附顆粒備料箱、吸附顆粒上傳管、上傳管下固定栓、上傳管上固定栓、上傳管外管壁、上傳管上壁、下篩網(wǎng)、上篩網(wǎng)、排出端側壁、上傳管內管壁組成.具有傳感節(jié)點的吸附顆粒(傳感網(wǎng)節(jié)點)部分由紅外發(fā)光模塊、光通道、紅外接收模塊、傳感節(jié)點核心模塊組成.具有傳感節(jié)點的吸附顆粒結構如圖2所示.電路控制部分由單片機、匯聚節(jié)點模塊、第一繼電器、第二繼電器、CC2530模塊、紅外光敏二極管、555集成塊組成，電路示意圖如圖3所示.

圖1 系統(tǒng)結構示意圖

圖2 具有傳感節(jié)點的吸附顆粒結構示意圖

圖3 控制電路示意圖

2 工作原理

CC2530模塊是物聯(lián)網(wǎng)常用芯片，相當于一個單片機和一個收發(fā)模塊.它是用于2.4 GHz ZigBee應用的一個片上系統(tǒng)解決方案，能夠以非常低的材料成本建立強大的網(wǎng)絡節(jié)點.該芯片結合了領先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，是業(yè)界標準的增強型8051CPU，系統(tǒng)內可編程閃存.CC2530具有不同的運行模式，使得它尤其適應超低功耗要求的系統(tǒng)[5-8]；同時，運行模式之間的轉換時間短進一步確保了低能源消耗.

具有傳感節(jié)點的吸附顆粒制作方法：選取普通的吸附顆粒，剖開后將傳感器節(jié)點元件嵌入吸附顆粒，并在紅外發(fā)光模塊和紅外接收模塊之間打通一條光通道，然后用膠粘合恢復成球狀.盡量少用膠并保證光通道和外表面原通路不被黏合.由于光通道是在吸附材料內部鉆出的細孔，所以它同外表面有許多細孔相通.多環(huán)芳烴及其他污染物可以通過這些細孔到達光通道，當累積到一定量后會阻塞光通道，紅外接收模塊將接收不到發(fā)光模塊發(fā)出的光信號，CC2530模塊將這一信號發(fā)往匯聚節(jié)點.當匯聚節(jié)點收到傳感節(jié)點發(fā)來的光通道堵塞的信號后，將送往單片機.單片機發(fā)出指令，通過電阻R1、三極管T1和第一繼電器，打開回收電磁閥，吸附顆粒將通過回收漏斗進入上回收管，經(jīng)由回收電磁閥和下回收管進入回收處理箱；同時，單片機發(fā)出指令，使加壓氣泵加壓，新的吸附顆粒將在壓力作用下經(jīng)由吸附顆粒上傳管進入到下篩網(wǎng)和上篩網(wǎng)之間，從而完成自動更換吸附材料，同時也完成了多環(huán)芳烴的吸附減排.

具有傳感節(jié)點的吸附顆粒同其他吸附顆粒按一定比例混合后加入吸附顆粒備料箱，建議比例為1∶100.具有傳感節(jié)點的吸附顆粒內的電子元件做防水及防有機溶劑處理，這樣可以多次重復使用；污染、使用過的吸附顆粒可利用有機溶劑溶解處理，干燥后可重復使用.

3 實驗及數(shù)據(jù)分析

隨機取上傳管內的吸附顆粒5個、下篩網(wǎng)上的吸附顆粒5個、回收處理箱內的吸附顆粒5個進行多環(huán)芳烴含量檢測.檢測方法：三氯甲烷浸泡、濃縮，然后吹干至恒重，檢測氯仿抽取物含量.實驗數(shù)據(jù)取5個樣品的平均值，測得的三個階段多環(huán)芳烴數(shù)據(jù)結果見表1.

表1 三個階段多環(huán)芳烴檢出結果

通過實驗數(shù)據(jù)可以看出，上傳管內的吸附顆粒沒有檢測出多環(huán)芳烴，說明此時吸附顆粒內無多環(huán)芳烴.下篩網(wǎng)上的吸附顆粒檢測出多環(huán)芳烴，說明此時顆粒吸附了由煙道內排出的多環(huán)芳烴.回收箱內吸附顆粒檢出的多環(huán)芳烴含量大于下篩網(wǎng)上的吸附顆粒，說明回收箱內的吸附顆粒起到了吸附多環(huán)芳烴的作用，同時也表明該系統(tǒng)吸附顆粒的傳輸運行正常.

該系統(tǒng)是利用物聯(lián)網(wǎng)技術進行環(huán)境凈化處理的具體應用，它將物聯(lián)網(wǎng)的精準控制同傳統(tǒng)的吸附技術進行了有機結合，解決了污染物排入大氣前對多環(huán)芳烴進行精準處理這一技術難題.此外，該系統(tǒng)具有易于工程實現(xiàn)的優(yōu)點，且適用于對老舊除塵設備的改造.