CN207081691U - 一种农田重金属污染在线监测预警与实时处理*** - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种农田重金属污染在线监测预警与实时处理***，该***包括重金属在线监测预警设备、重金属实时处理装置、重金属污染监控平台和控制处理单元。将现场在线监测预警与实时处理重金属污染过程相结合，具有测试快速简捷，结果准确、成本低廉、检测限低及灵敏度高的特点，对样品没有破坏性，且检测周期大大缩短，适合现场在线检测重金属的含量并实时处理重金属污染，降低了对操作人员的专业技能要求，实现了农田中重金属污染在线监测预警及实时处理一体化进行的技术目标。而且该***既可对区域内的某种重金属进行浓度测定，也可对区域内的总重金属污染程度进行测定，测试灵敏度较高，对任意重金属含量可同时进行检测。

Description

一种农田重金属污染在线监测预警与实时处理***

技术领域

本实用新型涉及重金属污染处理技术领域，更具体地，涉及一种农田重金属污染在线监测预警与实时处理***。

背景技术

近年来，土壤的重金属污染现象变得日益严重，主要是由于工业生产超标违规排放、城镇污水和生活垃圾的随意倾倒、农业生产中的污水灌溉以及农药、化肥的不合理使用等因素，使得重金属污染物通过多种方式进入农业土壤中。而重金属具有难降解、易累积的特点，富集在土壤中的重金属不易随水淋滤，不易被微生物降解，会随着植物根系的吸收作用进入农作物体内，影响作物的生长发育，当累积到一定程度后会引起作物的减产、绝产甚至死亡。更为严重的是，重金属会随着食物链进入人体，与人体的蛋白质、活性酶等结合，使其发生畸变，失去生理活性，从而使人体出现慢性或急性中毒等症状，对人体的健康造成严重危害，土壤重金属污染问题成为当今亟待解决的环境问题。

目前，重金属的检测方法主要有质谱分析法、原子光谱法、紫外-可见分光光度法、电化学分析法等。质谱分析法是用电场和磁场将运动的离子按质核比分离后进行检测的方法。不足之处在于仪器造价高，预处理过程繁琐，仪器自动化实现比较困难。原子光谱法能对样品中的重金属含量进行有效分析，但样品前处理复杂，分析时间长。紫外-可见吸收分光光度法是利用棱镜或光栅等单色器来获得单色光并对待测物质的吸光能力进行测定的方法，该方法的局限性在于谱线重叠引起的干扰性以及操作的繁琐性。电化学检测技术是近年来发展较快的一种方法，电化学分析法的检测限较低，测试灵敏度较高，是一种基本上对环境无污染的绿色技术，受到了国内外研究者的广泛重视。但该方法仪器复杂、操作过程较繁琐，不适用于现场实时快速检测。这些传统的检测方法操作复杂，花费高昂，每次只能检测一种或几种元素含量。

农田中重金属的去除方法主要有淋洗法、电热修复法、投加土壤改良剂、泵出处理法、生物修复法等。淋洗法是利用洗液或者加入可以提高重金属水溶性的化学物质的水将污染物冲到根的外层。淋洗法对于重金属的高度污染治理效果比较好，比较适合于轻质土壤，但其投资大，容易造成土壤的养分流失和地下水污染。电热修复法是对土壤加热，使其升温把有害污染物解析出来并统一收集处理，一般用于处理容易挥发的有害污染物，不足之处是这一修复技术会破坏土壤中的有机质及结构水。投加土壤改良剂的方法治理效果和费用适中，对污染不太严重的土壤适用，但重金属有可能会再度活化。泵出处理法是一种适用于土壤深层或蓄水层污染的就地去污方法，是将处理剂从注入井中注入土壤，使吸附固定在土壤颗粒上的污染物解析下来并随处理液向土体下部迁移，再通过另一端的抽水井将含污染物的处理液抽上来进行处理，但处理过程要消耗大量的水，且有的处理剂本身也会造成污染。另外，泵出处理难以保证污染物和处理剂充分接触，也难以确定处理的完全程度。生物修复法利用生物技术来治理污染的土壤，通过生物来削减净化土壤中的重金属或降低重金属毒性，这一方法易于操作，但生物量低，对金属有选择性，不适于多种金属复合污染的土壤。

目前的重金属检测方法和处理方法是分开进行的，存在花费高昂，操作繁琐，过程复杂等问题，这些操作方法的操作步骤或冗长繁琐，或干扰因素较多，或需要使用比较昂贵的大型分析仪器，而且对操作人员有很高的专业技能要求，大都只能在实验室内完成，不能满足现场、快速在线检测的技术要求。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种农田重金属污染在线监测预警与实时处理***，以解决目前重金属的监测及处理方法操作繁琐、过程复杂、检测限低以及难以实现现场在线检测等问题。

根据本实用新型的一个技术方案，提供一种农田重金属污染在线监测预警与实时处理***，该***包括重金属在线监测预警设备、重金属实时处理装置和控制处理单元，所述重金属在线监测预警设备与重金属实时处理装置分别与所述控制处理单元连接；

所述重金属在线监测预警设备用于监测土壤的重金属浓度，并根据土壤污染严重程度发出预警信号；

所述控制处理单元用于接收且分析预警信号并发出控制指令，以对各单元模块进行工作调度控制；

所述重金属实时处理装置用于接收控制指令，并对重金属进行吸附处理。

作为上述技术方案的进一步改进方案，所述重金属在线监测预警设备包括依次连接的取样装置、预处理装置、感知单元、变送器、模数转换器和预警装置。

所述取样装置包括钻头、延长杆、刮刀和土壤存储室，所述延长杆上标有刻度，用于对样品的土壤深度进行标定。

所述预处理装置包括研磨器和土壤样品瓶。

所述感知单元包括重金属传感器，所述重金属传感器由氮掺杂的有缺陷的石墨烯的材料制成。

所述变送器用于将所述重金属传感器的测量值转化为电信号。

作为上述技术方案的进一步改进方案，所述模数转换器内置有SPSS软件，SPSS软件用于对电阻值与目标重金属浓度值进行逐步回归得到目标重金属浓度与电阻参数关系式。

所述模数转换器用于采集变送器输出的电流/电压信号，通过模数转换为相应的数字信号，内置的SPSS软件可以对电阻值与目标重金属浓度值进行逐步回归得到目标重金属浓度与电阻参数关系式，提取该关系式系数，即为目标重金属浓度的运算公式中的运算参数的具体数值。

所述预警装置用于对重金属浓度监测数据进行判断处理，若监测数据超过某预设阈值，所述预警装置会发出声光报警信号进行报警。

作为上述技术方案的进一步改进方案，所述重金属实时处理装置包括重金属吸附器，所述重金属吸附器内设有吸附材料，所述吸附材料为氮掺杂的有缺陷的石墨烯。

所述控制处理单元收到预警信号后，发送控制指令以开启用于连通所述预处理装置和所述重金属实时处理装置的阀门，使预处理后的样品进入所述重金属实时处理装置进行吸附重金属处理。

作为上述技术方案的进一步改进方案，所述***还包括与所述控制处理单元连接的重金属污染监控平台，所述重金属污染监控平台用于根据所述控制处理单元的控制指令绘制区域重金属污染图。

所述重金属污染监控平台包括传感器节点、GPRS模块和电脑输出终端；

所述传感器节点为区域内的无线传感器网络节点；所述控制处理单元发送指令在区域内以某种部署方式部署无线传感器网络节点；

所述GPRS模块，用于收集所述传感器节点的地理位置信息并传输至所述控制处理单元；

所述电脑输出终端，用于分析所述控制处理单元发送的控制指令，绘制区域重金属污染图，为寻找重金属污染源以及防治重金属污染提供参考借鉴。

基于上述技术方案，本实用新型提出的农田重金属污染在线监测预警与实时处理***，将现场在线监测预警与实时处理重金属污染过程相结合，该***具有测试快速简捷，结果准确、成本低廉、检测限低及灵敏度高的特点，对样品没有破坏性，且检测周期大大缩短，适合现场在线检测重金属的含量并实时处理重金属污染，降低了对操作人员的专业技能要求，降低人力、财力的要求，实现了农田中重金属污染在线监测预警及实时处理一体化进行的技术目标。而且，该***既可对区域内的某种重金属进行浓度测定，也可对区域内的总重金属污染程度进行测定。传统的检测方法操作复杂，花费高昂，每次只能检测一种或几种元素含量。而本实用新型所使用的氮掺杂的石墨烯电化学传感器检测限较低，测试灵敏度较高，对任意重金属含量可同时进行检测。

附图说明

图1为根据本实用新型实施例的农田重金属污染在线监测预警及实时处理的***图；

图2为根据本实用新型实施例的重金属在线监测预警设备的结构示意图；

图3为根据本实用新型实施例的重金属传感器和吸附器材料的分子结构示意图；

图4为根据本实用新型实施例的农田重金属污染在线监测预警及实时处理方法的流程图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例及其之间任意组合，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

无线传感器网络作为一种自组织网络，摆脱了基础设施的制约，在***布设、维护和扩展方面非常灵活，因而在环境监测、特发污染事件，无线传感器有其难以替代的优势。纳米材料具有大的比表面积、优良的电子传递能力，功能化的纳米材料更具有独特优良的性能。电化学结合纳米技术所构建的电化学传感器在环境污染物检测方面操作简便，检测速度快。电化学传感器对电化学活性物质的检测是一个从固体或者液体样品到达电极表面的电荷传输及化学识别的过程。氮掺杂的石墨烯纳米材料具有优异的热学、力学及电学性质，如高导电性、完美的量子隧道效应、大的比表面积。因此氮掺杂的石墨烯制得的电化学传感器在重金属的检测方面有良好的性能。另外，氮掺杂的石墨烯纳米材料表面原子周围缺少相邻的原子，使得材料表面由于出现大量剩余的悬空键而具有不饱和的性质，这些带活性的化学键非常容易与外界物质相结合，从而提高了被测物质在电极表面的反应活性。

针对目前农药和化肥的不合理利用、矿山开采和城市生活垃圾的排放造成的土壤重金属污染问题，在根据本实用新型的一个实施例中，参考图1，提供一种农田重金属污染在线监测预警与实时处理***，该***包括重金属在线监测预警设备、重金属实时处理装置和控制处理单元，所述重金属在线监测预警设备与重金属实时处理装置分别与所述控制处理单元连接；

所述重金属在线监测预警设备用于监测土壤的重金属浓度，并根据土壤污染严重程度发出声光预警信号；所述控制处理单元用于接收且分析预警信号并发出控制指令，以对各单元模块进行工作调度控制；所述重金属实时处理装置用于接收控制指令，并对重金属进行吸附处理。

在根据本实用新型的一个实施例中，参考图2，所述重金属在线监测预警设备包括依次连接的取样装置、预处理装置、感知单元、变送器、模数转换器和预警装置。

所述取样装置包括钻头、延长杆、刮刀和土壤存储室，所述延长杆上标有刻度，用于对样品的土壤深度进行标定，单次取样量可以为0.1-1g，连续取样的最小间隔为3min。

所述预处理装置包括研磨器和土壤样品瓶，最大土壤样品瓶的数量优选为5个。

所述感知单元包括重金属传感器，所述重金属传感器由氮掺杂的有缺陷的石墨烯的材料制成，其分子结构如图3所示，其中，颜色较暗的a原子代表氮原子，颜色较浅的b原子代表碳原子。

所述变送器用于将所述重金属传感器的测量值转化为电信号，可选择输出为4-20mA的电流信号或0-10V的电压信号。

所述模数转换器内置有SPSS软件，SPSS软件用于对电阻值与目标重金属浓度值进行逐步回归得到目标重金属浓度与电阻参数关系式。

所述模数转换器用于采集变送器输出的电流/电压信号，通过模数转换为相应的数字信号，内置的SPSS软件可以对电阻值与目标重金属浓度值进行逐步回归得到目标重金属浓度与电阻参数关系式，提取该关系式系数，即为目标重金属浓度的运算公式中的运算参数的具体数值。

所述预警装置用于对重金属浓度监测数据进行判断处理，若监测数据超过某预设阈值，所述预警装置会发出声光报警信号进行报警。

在根据本实用新型的一个实施例中，所述重金属实时处理装置包括重金属吸附器，所述重金属吸附器内设有吸附材料，所述吸附材料为氮掺杂的有缺陷的石墨烯。

所述控制处理单元收到预警信号后，发送控制指令以开启用于连通所述预处理装置和所述重金属实时处理装置的阀门，使预处理后的样品进入所述重金属实时处理装置进行吸附重金属处理。

在根据本实用新型的一个实施例中，所述***还包括与所述控制处理单元连接的重金属污染监控平台，所述重金属污染监控平台用于根据所述控制处理单元的控制指令绘制区域重金属污染图。

在根据本实用新型的一个实施例中，所述重金属污染监控平台包括传感器节点、GPRS模块和电脑输出终端；

所述传感器节点为区域内的无线传感器网络节点；所述控制处理单元发送指令在区域内以某种部署方式部署无线传感器网络节点；

所述GPRS模块，用于收集所述传感器节点的地理位置信息并传输至所述控制处理单元；

所述电脑输出终端，用于分析所述控制处理单元发送的控制指令，绘制区域重金属污染图，为寻找重金属污染源以及防治重金属污染提供参考借鉴。

在根据本实用新型的一个实施例中，参考图4，上述农田重金属污染在线监测预警与实时处理***的应用方法包括：

步骤(1)：在待测点所在检测区域内安装农田重金属污染在线监测预警及实时处理***。

步骤(2)：通过***的取样装置对检测区域参考点进行取样。

步骤(3)：取样样品通过管道进入预处理装置进行预处理。

步骤(4)：预处理后的样品进入到感知单元，通过重金属传感器将感知的信号传送到变送器。其中感知单元包括由氮掺杂的有缺陷的石墨烯制成的重金属传感器。

步骤(5)：通过变送器把重金属传感器的测量值转化为电信号，并传输到模数转换器。

步骤(6)：模数转换器采集变送器输出的电流/电压信号，通过模数转换为相应的数字信号，内置的SPSS软件对电阻值与目标重金属元素浓度值进行逐步回归得到目标重金属元素浓度与电阻参数关系式，提取该关系式系数，即为重金属浓度计算公式的参数值。

步骤(7)：根据待测点观察到的电阻的数值，根据重金属浓度计算公式，得到待测点的重金属元素浓度值。重金属浓度计算公式为：

其中，c是重金属元素的浓度，R是测得的电阻数值，b₀，b₁和b₂是参数。把测得的土壤中各种重金属元素的浓度，分别标记为c₁，c₂，c₃，......c_n。

步骤(8)：根据步骤(7)中得到的待测点的重金属浓度计算待测点中各种重金属的污染因子，分别标记为p₁，p₂，p₃，p₄，.....p_n，计算公式可以表示为：

其中s_n是土壤中含有的第n种重金属元素的国家规定的标准限量。

步骤(9)：根据步骤(8)计算的待测点中各种重金属的污染因子，可得出样品中重金属综合污染因子：

其中，I为重金属综合污染因子，p_imax是重金属污染因子p₁，p₂，p₃，.....p_n中的最大值。

步骤(10)：当待测点的重金属综合污染因子I大于某预设值m时，优选地，本实施方案选取m作为I的判定阈值。

步骤(11)：若I>m，说明该待测点重金属污染严重，模数转换器传递信号到预警装置。

步骤(12)：预警装置发出声光预警信号到控制处理单元，控制处理单元发送命令启动用于连通所述预处理装置和所述重金属实时处理装置的阀门，使重金属实时处理装置对预处理后的土壤进行重金属吸附，减轻待测点的重金属污染，其中重金属实时处理装置是由氮掺杂的有缺陷的石墨烯制成。

步骤(13)：控制处理单元向重金属污染监控平台发送控制指令，在检测区域内以特定部署方式部署无线传感器网络节点，节点的地理位置信息经由GPRS模块传输给控制处理单元，控制处理单元发送指令给电脑输出终端绘制区域重金属污染图。

本实用新型实施例提出的农田重金属污染在线监测预警与实时处理***，将现场在线监测预警与实时处理重金属污染过程相结合，该***具有测试快速简捷，结果准确、成本低廉、检测限低及灵敏度高的特点，对样品没有破坏性，且检测周期大大缩短，适合现场在线检测重金属的含量并实时处理重金属污染，降低了对操作人员的专业技能要求，降低人力、财力的要求，实现了农田中重金属污染在线监测预警及实时处理一体化进行的技术目标。

本实用新型实施例解决了目前重金属的监测方法及去除方法花费高昂，操作繁琐，过程复杂、检测限低，不能追溯污染源头等问题，采用在线监测预警与实时去除重金属污染相结合的方法降低成本，简化操作，采用氮掺杂的石墨烯作为电化学传感器提高检测限灵敏度，采用GPRS模块监测节点的地理位置信息，为寻找重金属污染源以及防治重金属污染提供参考借鉴。

而且，本实用新型实施例的***既可对区域内的某种重金属进行浓度测定，也可对区域内的总重金属污染程度进行测定。传统的检测方法操作复杂，花费高昂，每次只能检测一种或几种元素含量。而本实用新型所使用的氮掺杂的石墨烯电化学传感器检测限较低，测试灵敏度较高，对任意重金属含量可同时进行检测。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种农田重金属污染在线监测预警与实时处理***，其特征在于，包括重金属在线监测预警设备、重金属实时处理装置和控制处理单元，所述重金属在线监测预警设备与重金属实时处理装置分别与所述控制处理单元连接；

所述重金属在线监测预警设备用于监测土壤的重金属浓度，并根据土壤污染严重程度发出预警信号；

所述控制处理单元用于接收且分析预警信号并发出控制指令；

所述重金属实时处理装置用于接收控制指令，并对重金属进行吸附处理。

2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述重金属在线监测预警设备包括依次连接的取样装置、预处理装置、感知单元、变送器、模数转换器和预警装置。

3.根据权利要求2所述的***，其特征在于，所述取样装置包括钻头、延长杆、刮刀和土壤存储室，所述延长杆上标有刻度。

4.根据权利要求2所述的***，其特征在于，所述预处理装置包括研磨器和土壤样品瓶。

5.根据权利要求2所述的***，其特征在于，所述感知单元包括重金属传感器，所述重金属传感器由氮掺杂的有缺陷的石墨烯的材料制成。

6.根据权利要求5所述的***，其特征在于，所述变送器将所述重金属传感器的测量值转化为电信号。

7.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述重金属实时处理装置包括重金属吸附器，所述重金属吸附器内设有吸附材料，所述吸附材料为氮掺杂的有缺陷的石墨烯。

8.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述***还包括与所述控制处理单元连接的重金属污染监控平台。

9.根据权利要求8所述的***，其特征在于，所述重金属污染监控平台包括传感器节点、GPRS模块和电脑输出终端；

所述传感器节点为区域内的无线传感器网络节点；

所述GPRS模块，用于收集所述传感器节点的地理位置信息并传输至所述控制处理单元；

所述电脑输出终端，用于分析所述控制处理单元发送的控制指令，绘制区域重金属污染图。