基于傳感器網的煙塵多環芳烴自動吸附系統研究

魏勝非，康 婷

(東北師范大學物理學院，吉林 長春 130024)

隨著社會經濟的快速發展，我國環境空氣污染特征發生了顯著變化，由PM2.5引起的區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濟的和諧發展.在產生的PM2.5中，部分是多環芳烴的產物，常被忽略[1-2].多環芳烴(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生的揮發性碳氫化合物，是重要的環境和食品污染物[3-4].迄今已發現200多種多環芳烴，其中有相當部分具有致癌性.多環芳烴廣泛分布于環境中，任何有機物加工、廢棄、燃燒或使用的地方都有可能產生多環芳烴.多環芳烴不易降解，危害大且具有生物累積性，同時是霧霾產生的一個不可忽略的因素.多環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-水分配系數比較高.

燃煤產生的多環芳烴一部分燃燒掉，一部分被排放.對于燃煤排放的多環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芳烴，但吸附材料的吸附孔經常會堵塞，需要及時更換，否則不僅起不到吸附多環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，降低多環芳烴的排放量，本文設計、研發了一種基于傳感器網的煙塵多環芳烴自動吸附減排系統，它可利用物聯網技術實現多環芳烴的精準排放.

1 系統結構設計

基于傳感器網的煙塵多環芳烴自動吸附減排系統主要由傳輸部分、傳感網節點、吸附顆粒、電路控制部分組成，系統結構如圖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、上篩網、排出端側壁、上傳管內管壁組成.具有傳感節點的吸附顆粒(傳感網節點)部分由紅外發光模塊、光通道、紅外接收模塊、傳感節點核心模塊組成.具有傳感節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 系統結構示意圖

圖2 具有傳感節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模塊是物聯網常用芯片，相當于一個單片機和一個收發模塊.它是用于2.4 GHz ZigBee應用的一個片上系統解決方案，能夠以非常低的材料成本建立強大的網絡節點.該芯片結合了領先的RF收發器的優良性能，是業界標準的增強型8051CPU，系統內可編程閃存.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[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，剖開后將傳感器節點元件嵌入吸附顆粒，并在紅外發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光模塊發出的光信號，CC2530模塊將這一信號發往匯聚節點.當匯聚節點收到傳感節點發來的光通道堵塞的信號后，將送往單片機.單片機發出指令，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，經由回收電磁閥和下回收管進入回收處理箱；同時，單片機發出指令，使加壓氣泵加壓，新的吸附顆粒將在壓力作用下經由吸附顆粒上傳管進入到下篩網和上篩網之間，從而完成自動更換吸附材料，同時也完成了多環芳烴的吸附減排.

具有傳感節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 實驗及數據分析

隨機取上傳管內的吸附顆粒5個、下篩網上的吸附顆粒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.實驗數據取5個樣品的平均值，測得的三個階段多環芳烴數據結果見表1.

表1 三個階段多環芳烴檢出結果

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

該系統是利用物聯網技術進行環境凈化處理的具體應用，它將物聯網的精準控制同傳統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芳烴進行精準處理這一技術難題.此外，該系統具有易于工程實現的優點，且適用于對老舊除塵設備的改造.