微波技術在水污染監測中的應用

朱小會　齊仁龍

摘要：文章應用微波監測系統對水污染的樣品進行檢測，利用各種金屬離子對電磁波具有不同的吸收衰減的特性，并通過大量的實驗建立數據表和得出相關結論，以此可以判斷出水污染的種類。

關鍵詞：水污染；微波監測；敏感頻率

水是生命之源，是人類賴以生存和發展的重要物質。目前，水污染已經嚴重影響了人們的生活質量和水平，成為一個急需解決的熱點問題。隨著科學技術的進步，人們已經清楚地認識到了水污染給生態環境及人體健康帶來的危害。污染水的物質主要包括氰化物、硫化物、各類酸堿性化合物以及多種重金屬物質（主要包括汞、鉛等），除此之外還有一些微生物、懸浮物等。

本文利用微波檢測技術對水污染進行監測。實驗表明，通過此方法可以判斷出水中污染物的種類，為水污染的檢測提供了一個新的方法和手段，對環境保護和人體的健康起到一定的作用。

1 微波檢測理論

微波技術是近代科學的重大成就之一，微波是指波長在1mm至100cm之間的電磁波，頻率高達300MHz到300GHz，故又稱之為超高頻波。目前，微波檢測技術已廣泛地應用于農業、工業、衛生、軍事、通信、環境保護等各個領域，微波檢測技術的應用基礎為微波與物質之間相互作用所表現出的不同特性，文章所使用的微波檢測技術是以微波與損耗媒質相互作用為研究基礎。所謂的損耗媒質是指，當電磁波在媒質中傳播時，造成電磁波能量衰減的媒質。

電磁波在待檢測水樣中傳播時，同污染物產生極化和磁化反應，導致電磁波在傳輸的過程中產生極化和磁化衰減。描述各種污染物（損耗媒質）的主要參數有電導率o、磁導率μ和相對介電常數ε。由大量的實驗測量數據可知，絕大多數物質（磁性體除外）的磁導率μ都近似等于真空中的磁導率μ₀。介質在微波場中的極化，表現為電場電流密度的損耗，介質的復介電常數ε_c以來表示，即：（1）

其中的實數部分為污染物的介電常數ε，它反映了該污染物的極化特性；虛數部分σ/ω表示媒質的導電情況，σ≠0說明媒質是有耗媒質。污染物質可以吸收部分的微波信號，可用污染物質的介質損耗角的正切值t gδ來描述吸收程度，t gδ越大，介質吸收微波的能力越強。（2）

經過大量的實驗可知，物質吸收微波能的有效程度與波形的頻率有關，微波頻率不同，對物質的影響程度和吸收程度有所不同。每一種污染物質都能找到一個影響較大的一個頻率，即特性頻率或敏感頻率，在該頻率下，微波的損耗最大，物質吸收微波能最有效。一般來說，水中污染物的電導率σ≠0，對電磁波的能量有吸收作用；某種頻率的電磁波還可能激發污染分子中的電子躍遷。因此電磁波在污染的水中進行傳播時，其場強的振幅將隨著傳播距離d的增加按指數規律衰減。電磁波能量的一部分被吸收。電導率σ越大，電磁波頻率越高，場強衰減越快。

根據參加極化的微觀粒子種類，電介質分子極化可分為電子極化、原子極化、偶極子轉向極化和界面極化，其中前兩種極化的弛豫時間在10^-15～10^-16S和10^-12～10^-13s，而微波交變電場振動一周的時間約為10^-9～10^-12s。因此微波場不會引起電子極化和原子極化。而偶極子轉向極化和界面極化的時間和微波的頻率剛好吻合。各種污染物對電磁波具有吸收作用，主要是因為介質在微波中發生取向極化和界面極化，剛好吻合了微波頻率的結果。

2 水污染微波檢測系統

為了對水污染樣品進行檢測，文章設計一基于微波的水污染檢測系統，該系統主要由信號源、功率放大器、小信號放大器、檢波器、發射天線、接收天線6個部分組成，系統結構框圖如1所示。

該檢測系統的發送和接收天線均采用的是自補型阿基米德平面螺旋天線，該類型天線的工作效率遠遠高于普通阿基米德平面螺旋天線，天線的頻帶的寬度達到10個倍頻程或以上，完全可以滿足微波檢測系統的要求。且天線具有收發互易性，發射天線和接收天線兩者可以互換。

輸入的微波信號經由功率放大器放大至足夠高的功率電平，以滿足發射天線或負載單元的要求。功率放大器的一個重要特點就是工作在大信號的非線性狀態。功率放大器的主要指標有：頻率范圍為200-2000MHz；增益為30+1dB，駐波比≤2：1。

在水污染中，重金屬污染主要有銅、鉛、鋅、硒、汞、鎘等幾種金屬離子。文章主要針對水中的重金屬物質進行檢測，經過前期大量的實驗可知，該微波檢測系統對金屬離子的吸收較為明顯，本實驗選取了鉛、銅、鋅3種離子進行討論分析，分別選用的化合物類型為硝酸鉛、五水硫酸銅和七水硫酸鋅。

3 實驗結果及數據分析

實驗初期，為了找出重金屬物質的吸收峰，以掃頻的方式在200-2000MHz頻率范圍內測量了五水硫酸銅、七水硫酸鋅等物質，找出了吸收峰的大概頻段在200～600MHz之間，然后將頻段設置在200～600MHz之間進行仔細觀察和實驗，最終，大量實驗測量數據驗證了微波檢測水污染方法的司行性。

3.1 實驗結果

在實驗的過程中，主要利用網絡分析儀進行數據的分析。網絡分析儀上可以設置6個不同的MARKER點，通過這些點的設置，讀出各個金屬離子的敏感頻率。經過多次測量，實驗選取了10組相對穩定的數據，不同濃度的金屬離子的敏感頻率如表1所示。

3.2 實驗結果與分析

實驗結果顯示，在250～350MHz的頻率范圍出現了明顯的峰值，污染物的種類不同，出現峰值的位置也不盡相同。

根據表1的實驗結果發現，各種金屬離子的敏感頻率隨著金屬離子濃度的變化而變化，但是變化幅度不大。鉛離子的敏感頻率在346～347MHz之間，五水硫酸銅的頻率變化范圍在276～280MHz之間。七水硫酸鋅的變化范圍在305～307MHz之間。

4 結語

通過初期的實驗研究，根據電磁波在媒質中傳播時具有固定的諧振吸收頻率這一事實，且驗證了微波檢測水污染這一方法的可行性。融合現有先進的計算機和通信技術，可以使得該檢測系統可視化和實時性，使之成為一個穩定、可靠、高效的水污染監測系統。