水中悬浮颗粒物的滤除方法研究概述

周欢 李恋

【摘 要】中国社会经济的飞速发展，带来严峻的环境污染问题。本文主要概述了悬浮颗粒物粒径大小和分布的测量方法，结果显示：当散射角度为15°、波长范围为450-500nm时可以精准的反演出悬浮颗粒物的粒径大小和分布。通过分析可以有效滤除水质中的悬浮颗粒物，这对于治理空气污染和净化水质都有着至关重要的影响。

【关键词】悬浮颗粒物;粒径分布;滤除方法;研究

中图分类号： O436.2 文献标识码： A 文章编号： 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

伴隨着社会居民生活水平的逐步提高，人们越来越多的关注环境污染问题。在大气污染方面，悬浮颗粒物伴随人类呼吸进入体内，人体自身机能只能过滤掉粒径较大的颗粒，而那些小粒径的悬浮颗粒物却会进入人体肺部，影响人类的身体健康。在饮用水的净化方面，悬浮颗粒物伴随液体介质进入人体内部，长期过滤不掉就会造成结石等身体问题，保障居民饮用水安全成为当下牵动国计民生的重要课题。

1 悬浮颗粒物简介

随着社会经济的快速发展，森林乱砍滥伐、土壤逐渐被侵蚀、焚烧引起浓烟雾霾，建筑作业导致粉末飞扬、以及工业生产排放大量废水废气等都造成严重的空气污染和水质污染。悬浮颗粒物指悬浮在空气中或者掺杂在水质中，空气动力学当量直径小于等于100μm的颗粒物。悬浮颗粒物的含量和分布是衡量大气质量评价体系中非常重要的指标[1]。

悬浮颗粒物对人体的危害程度主要决定于自身的粒度大小及化学组成。悬浮颗粒物中粒径大小大于10μm的物质，可以被人体的鼻腔和喉咙捕获，不伴随呼吸进入人体体内。而那些粒径大小小于10μm的悬浮颗粒物，称为PM10，进入人体呼吸道后沉积于肺泡，久而久之引发肺炎、肺癌等严重的肺部疾病。有研究表明，对人体危害最大的是悬浮颗粒物中粒径大小小于2.5μm的飘尘，称为PM2.5，常年接触导致人体呼吸系统病症与日俱增。

悬浮颗粒物在生活中处处可见，它们以不同的形态分散在气体介质中、液体介质中。随着社会经济的不断发展，悬浮颗粒物粒径分布的测量变得尤为重要。因此，提高悬浮颗粒物的粒径分布测量精度、找到有效滤除方法对保障人体健康和改善环境问题具有至关重要的研究价值和研究意义[2]。

2 粒径分析方法讨论

基于Mie散射理论，对悬浮颗粒物的粒径分布进行光学测量及分析，整体思路框架图如下图1所示。

通过搭建实验平台采集数据，测量悬浮颗粒物的散射光强，并使用MATLAB工具对数据进行预处理。对预处理后的数据进行统计分析，使用Origin绘图工具，分析每一散射角度下不同波长的散射系数随浓度的变化关系;每一散射波长下不同角度的散射系数随浓度的变化关系;每一散射角度下不同浓度的散射系数随波长的变化关系[3]。具体的技术研究路线如下图2所示。

3 实验结果与分析

基于小波变换方法[4]去噪，并对实验数据进行处理，通过分析得出当散射角度为15°散射波长为450 nm时，单粒径、单粒径直接相加、以及二者1：1比例混合的悬浮液散射系数随浓度的变化关系图，如下图3所示。

图3表明，悬浮颗粒物粒径的散射系数随着浓度的增大而增大，增大的趋势基本一致，只是增大的幅度略微有些差别。而增大的趋势不是特别明显，这是由于溶液的浓度过高导致的。

选取不同散射角度、不同散射波长范围的各种组合下粒径比的分布状况。通过与原始粒径分布1：1进行比较，分析误差，进而确定悬浮颗粒物粒径反演最合适的散射角度和最合适的波长范围。

其次，选取实验中几组不同波长下散射光谱的测量值，比较分析每组反演出的粒径分布比例以及误差，可以得到以下结果：

（1）当散射角度为15°时，反演出的粒径分布比进行归一化处理后为：1：1.09;1：1.12;1：0.58;（2）当散射角度为30°时，反演出的粒径分布比进行归一化处理后为：1：0.96;1：1.08;1：0.55;（3）当散射角度为45°时，反演出的粒径分布比进行归一化处理后为：1：0.99;1：0.84;1：0.54。

由上述数据可以看出，当散射波长超出500 nm左右时，粒径分布比与原始1：1的粒径比相差较大。

综上所述，当散射角度为15°，波长范围为450nm-500nm 时，经过反演计算得到的粒径分布与原始粒径比之间的误差最小。因此，对悬浮颗粒物粒径大小和分布进行光学测量和反演过程中，选择合适的散射角度和波长范围能够较为精准地反演其真实的粒径大小和分布，从而可以有效滤除水质中的悬浮颗粒物[5]。

4 总结

悬浮颗粒物是大气、水质中的主要成分，国内外已经在悬浮颗粒物粒径分布的测量领域取得了一些研究进展，这一课题也已经成为大气领域的研究热点，但是目前很少有人涉及水质中悬浮颗粒物粒径分布的测量和滤除工作[6]。本文针对水中悬浮颗粒物的粒径分布进行测量和反演，结果表明当散射角度为15°，波长范围为450-500nm 时可以高精度的反演出粒径的大小和分布。通过粒径分析能够有效滤除水中的悬浮颗粒物，这对于监测空气污染指数和检测水质纯净度具有重要的理论价值和研究意义。

【参考文献】

[1]周欢.水中二氧化硅颗粒粒径分布的光学测量研究[M]. 江苏：南京信息工程大学，2017.

[2]肖锦蓉.悬浮颗粒物粒径分布光学测量及反演方法研究[M].江苏：南京信息工程大学，2016.

[3]李宏伟，刘青，等.循环水养殖系统中悬浮颗粒物去除工艺研究概况[J].水产科学，2015，34（8）：527-532.

[4]王福贵.油田采出水常规处理工艺出水中颗粒物粒径分布及分析[J].特种油气藏，2006，13（3）：97-98+104.

[5]季明东，李海军，李建平，等.乌龟温室养殖水中悬浮颗粒物的沉降特性[J].农业工程学报，2018，24（21）：222-227.

[6]李挺.大气悬浮颗粒物的光散射特性研究[M].陕西：西安理工大学，2018.※基金项目：本文得到安徽新华学院校级重点科研项目——基于DTW与混合LPC的EOG和语音综合分析研究与应用（No.2017zr005）资助;本文得到国家教育部产学研协同育人项目——《互联网应用开发、Web前端开发校内联合实训基地建设》（No.201702030074）;安徽新华学院校级教研项目——《基于工程实践能力培养与云平台的软件项目管理课程的教学模式探索》（No.2017jy001）资助。