基于红外分光光度法的油烟检测装置设计

马伟文, 朱能武, 施召才, 宋小飞

(华南理工大学 环境与能源学院, 广东 广州　510006)



基于红外分光光度法的油烟检测装置设计

马伟文, 朱能武, 施召才, 宋小飞

(华南理工大学 环境与能源学院, 广东 广州510006)

在分析目前油烟检测技术优缺点的基础上,设计了基于红外分光光度法检测技术的油烟检测装置。该检测装置利用化学方法对油烟进行在线检测,拥有传统红外分光光度法的优点,并可自动检测,远程输送数据。进行了装置检测的可行性相关实验,验证了本设计的科学性。

油烟在线检测; 四氯化碳; 红外分光光度法

随着社会的发展,国内餐馆的数量急剧增加,饮食行业油烟污染已经成为城市环境污染的一大问题。油烟经初步处理后排放到大气中的污染物质主要为气溶胶,其中含有食用油和食品在高温下的挥发物,以及食用油及食品的氧化、裂解、水解而形成的醛类、酮类、链烷类和链烯类、多环芳烃等产物,成分极为复杂[1-3]。烹调油烟具有一定的吸入毒性、免疫毒性和致变毒性,是可疑致癌因子[4],会严重影响人体的健康,人体长期吸入高浓度油烟气会造成免疫功能下降,严重的会导致呼吸系统病变和血液遗传病变[5],因此须对其排放浓度进行有效的检测。

目前对油烟检测的方法有4种:传统红外分光光度法[6]、油烟快速检测——检气管法[7-8]、基于气体传感器(TGS2100)的油烟远程无线监测系统[9]、非分散红外技术检测法[10]。传统红外分光光度法具有测量精度高、准确性好的优点,但采样周期长、分析周期长、仪器成本高,而且无法实时监测油烟浓度。检气管法具有测量过程快速简便、成本低廉的优点,但精度不高,可以判别出油烟气的大致浓度,而且受油烟性质影响较大,也不能实时监测油烟浓度。基于气体传感器(TGS2100)的远程无线监测系统具有实时性强、能够实现远程监控的优点,但探测器易被油烟覆盖而导致使用寿命短,且经过金属滤网过滤之后的油烟与标准油烟差异较大。基于非分散红外实时检测油烟浓度技术,菜系及炒菜温度的变化会影响到油烟性质,油烟主吸收峰改变很大[11-12],而且测量气室受油类覆盖后,会对检测的准确度产生重大影响。

综上可见,目前还没有受菜系及炒菜温度影响小的在线油烟检测装置。本文设计的装置,实现了利用化学方法进行在线检测,拥有传统红外分光光度法的准确性,也解决了普通在线检测探头易受污染的问题。

1　检测装置设计原理

根据传统红外分光光度法的检测原理,再结合《饮食业油烟排放标准》(GB18483—2001及GB18483—

2014征求意见稿),本检测装置的设计原理为:用四氯化碳吸收一定量的油烟,然后用红外分光系统检测吸光度,再根据吸光度值计算油烟浓度。

2　检测装置结构设计

本检测装置的结构示意图见图1。

图1　油烟检测装置结构示意图

该装置的结构功能说明如下:

(1) 制冷系统。使整个石英检测管处于恒定的较低温度中,作用有:一是降低进气的温度,以免四氯化碳吸收油烟时温度升高、体积变化影响检测精度；二是使四氯化碳处于较低温度下,减少气化耗损,提高检测精度。

(2) 进气系统。由进气管、转换阀、气体流量控制系统、泵1等组成。此系统主要目的是使一定量的烟气较慢地进入四氯化碳石英检测管,气体流速不能过大,不可使四氯化碳层与水层混合,如此既可保证液体耗损较少,也能保证四氯化碳不混浊,利于红外检测。

(3) 吸收系统。由石英检测管、填料、四氯化碳液体层、纯水层等组成。烟气经过四氯化碳液体层时,油烟被吸收。填料使用玻璃滤芯,把大气泡变为微小气泡,增强四氯化碳吸收烟气中的油。纯水作为液封,减少四氯化碳的气化耗损。检测管用石英材料制成,一是石英材料的膨胀系数小,二是石英材料硬度大,不容易磨花,清洗容易。

(4) 检测系统。由红外分光检测系统组成。本红外检测类似于红外测油仪,波长可调,以适应油烟性质不同情况下的检测。

(5) 清洗系统。由废液桶、四氯化碳桶、纯水桶、酒精桶、泵2—泵5等组成。当石英检测管内的四氯化碳吸收大量的油烟、吸光度较大时,需要更换吸收液,并清洗检测管。一般清洗过程为:把旧的石英管内液体排入废液桶,然后用95%酒精清洗石英检测管,再泵入新鲜的四氯化碳及纯水。

(6) 微机控制系统。把整个装置的作业过程进行编程,然后存入微机,利用微机控制整个装置运作,并发送检测数据。

可在一套装置内装有二根检测管,实现不间断检测。

3　装置检测及清洗流程

3.1检测流程

(1) 启动制冷系统,控制水温在25 ℃。让装有四氯化碳的石英检测管浸泡在25 ℃的水浴中。

(2) 红外分光检测系统检测四氯化碳溶液的吸光度,记录初始吸光度。

(3) 转换阀旋转至进烟气通道开通,使烟气可进入石英检测管。

(4) 启动泵1,让烟气进入石英检测管,利用气体流量控制系统,使进入石英检测管的烟气为10 mL。

(5) 当气体流量控制系统测得进气量为10 mL时,泵1停止工作,转换阀关闭进气通道。

(6) 静置一段时间后,启动红外分光检测系统检测四氯化碳溶液的吸光度。微机系统对前后吸光度进行计算,得出烟气中的油烟浓度。

(7) 系统进入下一次的检测。

(8) 当石英检测管中的四氯化碳吸光度较高时,系统运行清洗流程。

3.2清洗流程

(1) 泵1关闭,转换阀转至排废管道开通,启动泵

5,使石英检测管内所有液体排空。

(2) 泵5关闭,泵2启动,使酒精(体积分数为95%)进入石英检测管。

(3) 待泵入一定量的酒精时,关闭泵2,转换阀转至进烟气通道开通,启动泵1。利用烟气搅动(进气流量大一些,形成较大的搅动)作用,用酒精清洗整个石英检测管。

(4) 进气一段时间后,关闭泵1,转换阀转至排废管道开通,启动泵5,使石英检测管内所有液体排空,然后关闭泵5。

(5) 转换阀转至进烟气通道开通,启动泵1,利用烟气把石英检测管吹干。

(6) 进烟气一段时间后,关闭泵1,启动泵4,泵入一定量的四氯化碳进入石英检测管；然后关闭泵4,启动泵3,泵入一定量的纯水,形成液封。

(7) 关闭泵3,整个系统处于待进气检测状态。

4　检测装置可行性相关实验

为了验证本设计装置检测的可行性,本文进行了相关实验:在试管中,加入1 mL食用油,15 mL四氯化碳,20 mL自来水(液封作用,在最上层)。用胶管把针筒与空心玻璃管连接,然后把空心玻璃管插入试管底部,用针筒往试管里鼓空气(考察不同的气体流速),每次10 mL液体,鼓10次后考察液体总重的减少情况。最后把试管内的液体倒掉,观察试管内壁是否干净。如果试管内壁不干净,用四氯化碳或95%的酒精清洗试管内壁,看哪类溶剂能清洗干净。

最后实验结果为:当气体流速较慢时,四氯化碳层不会变混浊,试管内壁也无气泡贴附,二类液体的分界层明显,可以进行比色检测；当气体流速较大时,四氯化碳层会有一点混浊,而且也有气泡贴附在试管内壁,二类液体的分界层不明显,会夹带气泡,难于进行比色检测。在气体流速较慢的情况下,鼓10次空气(每次10 mL),液体总质量减少0.2 g,说明液体气化量在鼓气前后变化量很少,几乎不影响检测精度。

把试管内的液体倒掉后,试管内壁会有液滴贴附,用95%的酒精可以很快把试管内壁清洗干净,说明清洗剂既可溶解水,又可溶解四氯化碳的溶剂,选用酒精最合适。

综上可证,本检测装置的可行性较高。

5　结论

(1) 本装置实现了利用化学方法进行在线检测,拥有传统红外分光光度法的优点(测量精度高,准确性好),检测装置还可自动完成检测,并实验数据远程传输。

(2) 本装置每次检测需要烟气量及药剂量较少,检测成本低,只需定期倒废液并补充四氯化碳、纯水及95%的酒精。

(3) 本装置体积不大,安全,造价低,主机重量较轻,制冷系统、废液桶及其他药剂桶可外置,安装方便,具有较大的开发前景。

References)

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Design of lampblack detection device based on infrared spectrophotometry

Ma Weiwen, Zhu Nengwu, Shi Zhaocai, Song Xiaofei

(College of Environment and Energy, South China University of Technology, Guangzhou 510006, China)

Based on the analysis of the current lampblack testing technology, this paper designs a lampblack detection device by the infrared spectrophotometry. This detection device can realize on-line detection using the chemical method, has the advantages of the traditional infrared spectrophotometry and automatic detection, can transport the experimental data remotely. Finally this paper completes the feasibility experiment of this device, which demonstrates that this design is scientific.

lampblack online detection; carbon tetrachloride; infrared spectrophotometry

10.16791/j.cnki.sjg.2016.02.020

2015- 07- 16

马伟文(1982— ),男,广东梅州,硕士,实验师,研究方向为实验教学、环境分析技术等.

E-mail:wwma@scut.edu.cn

X831

A

1002-4956(2016)2- 0069- 03