基于传感器网的烟尘多环芳烃自动吸附系统研究

魏胜非，康 婷

(东北师范大学物理学院，吉林 长春 130024)

随着社会经济的快速发展，我国环境空气污染特征发生了显著变化，由PM2.5引起的区域性大气污染问题日趋突出，严重影响人们的健康和社会经济的和谐发展.在产生的PM2.5中，部分是多环芳烃的产物，常被忽略[1-2].多环芳烃(polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs)是煤、石油、木材、烟草、有机高分子化合物等有机物不完全燃烧时产生的挥发性碳氢化合物，是重要的环境和食品污染物[3-4].迄今已发现200多种多环芳烃，其中有相当部分具有致癌性.多环芳烃广泛分布于环境中，任何有机物加工、废弃、燃烧或使用的地方都有可能产生多环芳烃.多环芳烃不易降解，危害大且具有生物累积性，同时是雾霾产生的一个不可忽略的因素.多环芳烃大部分是无色或淡黄色的结晶，个别具深色，熔点及沸点较高，蒸汽压很小，大多不溶于水，易溶于苯类芳香性溶剂，微溶于其他有机溶剂，辛醇-水分配系数比较高.

燃煤产生的多环芳烃一部分燃烧掉，一部分被排放.对于燃煤排放的多环芳烃目前还没有好的方法直接从烟道排出口进行处理，排入大气后处理更加困难.采用活性炭等吸附材料可以有效吸附多环芳烃，但吸附材料的吸附孔经常会堵塞，需要及时更换，否则不仅起不到吸附多环芳烃的作用还增大了排烟阻力.为了能够及时、自动更换吸附材料，降低多环芳烃的排放量，本文设计、研发了一种基于传感器网的烟尘多环芳烃自动吸附减排系统，它可利用物联网技术实现多环芳烃的精准排放.

1 系统结构设计

基于传感器网的烟尘多环芳烃自动吸附减排系统主要由传输部分、传感网节点、吸附颗粒、电路控制部分组成，系统结构如图1所示.传输部分由回收漏斗、上回收管、回收电磁阀、回收管固定栓、下回收管、回收处理箱、加压气泵固定栓、加压气泵、吸附颗粒备料箱、吸附颗粒上传管、上传管下固定栓、上传管上固定栓、上传管外管壁、上传管上壁、下筛网、上筛网、排出端侧壁、上传管内管壁组成.具有传感节点的吸附颗粒(传感网节点)部分由红外发光模块、光通道、红外接收模块、传感节点核心模块组成.具有传感节点的吸附颗粒结构如图2所示.电路控制部分由单片机、汇聚节点模块、第一继电器、第二继电器、CC2530模块、红外光敏二极管、555集成块组成，电路示意图如图3所示.

图1 系统结构示意图

图2 具有传感节点的吸附颗粒结构示意图

图3 控制电路示意图

2 工作原理

CC2530模块是物联网常用芯片，相当于一个单片机和一个收发模块.它是用于2.4 GHz ZigBee应用的一个片上系统解决方案，能够以非常低的材料成本建立强大的网络节点.该芯片结合了领先的RF收发器的优良性能，是业界标准的增强型8051CPU，系统内可编程闪存.CC2530具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统[5-8]；同时，运行模式之间的转换时间短进一步确保了低能源消耗.

具有传感节点的吸附颗粒制作方法：选取普通的吸附颗粒，剖开后将传感器节点元件嵌入吸附颗粒，并在红外发光模块和红外接收模块之间打通一条光通道，然后用胶粘合恢复成球状.尽量少用胶并保证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内部钻出的细孔，所以它同外表面有许多细孔相通.多环芳烃及其他污染物可以通过这些细孔到达光通道，当累积到一定量后会阻塞光通道，红外接收模块将接收不到发光模块发出的光信号，CC2530模块将这一信号发往汇聚节点.当汇聚节点收到传感节点发来的光通道堵塞的信号后，将送往单片机.单片机发出指令，通过电阻R1、三极管T1和第一继电器，打开回收电磁阀，吸附颗粒将通过回收漏斗进入上回收管，经由回收电磁阀和下回收管进入回收处理箱；同时，单片机发出指令，使加压气泵加压，新的吸附颗粒将在压力作用下经由吸附颗粒上传管进入到下筛网和上筛网之间，从而完成自动更换吸附材料，同时也完成了多环芳烃的吸附减排.

具有传感节点的吸附颗粒同其他吸附颗粒按一定比例混合后加入吸附颗粒备料箱，建议比例为1∶100.具有传感节点的吸附颗粒内的电子元件做防水及防有机溶剂处理，这样可以多次重复使用；污染、使用过的吸附颗粒可利用有机溶剂溶解处理，干燥后可重复使用.

3 实验及数据分析

随机取上传管内的吸附颗粒5个、下筛网上的吸附颗粒5个、回收处理箱内的吸附颗粒5个进行多环芳烃含量检测.检测方法：三氯甲烷浸泡、浓缩，然后吹干至恒重，检测氯仿抽取物含量.实验数据取5个样品的平均值，测得的三个阶段多环芳烃数据结果见表1.

表1 三个阶段多环芳烃检出结果

通过实验数据可以看出，上传管内的吸附颗粒没有检测出多环芳烃，说明此时吸附颗粒内无多环芳烃.下筛网上的吸附颗粒检测出多环芳烃，说明此时颗粒吸附了由烟道内排出的多环芳烃.回收箱内吸附颗粒检出的多环芳烃含量大于下筛网上的吸附颗粒，说明回收箱内的吸附颗粒起到了吸附多环芳烃的作用，同时也表明该系统吸附颗粒的传输运行正常.

该系统是利用物联网技术进行环境净化处理的具体应用，它将物联网的精准控制同传统的吸附技术进行了有机结合，解决了污染物排入大气前对多环芳烃进行精准处理这一技术难题.此外，该系统具有易于工程实现的优点，且适用于对老旧除尘设备的改造.