一种投弃式海洋微塑料浓度现场测量装置及方法与流程

1.本发明涉及海洋环境监测技术领域，特别是涉及一种投弃式海洋微塑料浓度现场测量装置及方法。


背景技术：

2.塑料是日常生活和工业生产中最为常见高分子化合物。伴随着世界工业的急剧发展，人类向海洋倾倒和排放大量塑料垃圾。据统计，每年约有10％的塑料通过各种途径进入海洋造成海洋塑料垃圾呈指数性增长。然而，塑料在自然海洋环境中很难降解，彻底分解需要上百年时间，给海洋生态造成严重威胁。通常认为，海洋中的微塑料，是指粒径小于5mm的塑料颗粒。与“白色污染”塑料相比，微塑料的危害体现在其颗粒直径微小上，对于环境的危害程度更深。微塑料的来源主要有两种，分别为初生微塑料和次生微塑料。初生微塑料最初的形式是塑料小颗粒，之后被用到研磨剂、注塑和合成纤维上，这些轻小的塑料颗粒很容易转移或者排放到河流进而进入海洋中。次生微塑料污染来源于大的塑料制品垃圾，如塑料制品，消费产品的塑料成份等，经氧化、紫外线照射、波浪和海流、海岸的撞击，分解成小片，密度大的沉积到海底沉积物中。部分塑料经过物理、化学和生物过程造成分裂和体积减小形成塑料碎片，浮力较大的塑料材料漂浮在海面上，由于洋流的作用而被聚集在一起形成大面积的塑料污染。
3.大量塑料垃圾日益威胁到海洋生物的生存，因为海洋生物有可能会吞食这些微塑料，引起海洋鱼类和动物大量死亡，并且当微塑料被食物链中的低营养级生物摄取后,可能会通过海洋食物链富集并最终进入人体，影响人体的健康。
4.随着海洋微塑料污染呈指数性增加，海洋微塑料污染短期内不会消失。因此发展海洋微塑料测量技术以帮助科学家认识海洋塑料污染十分紧迫，对于海洋环境保护具有重要意义。在海洋环境中，需要低成本的微塑料检测系统来监测生态环境中的微塑料，以保护环境和保障人们的健康。当前海洋微塑料现场测量方法是在船后拖浮游生物网，在收集到样品后由人工对其进行筛选，去掉一些非塑料杂物再进行计数。然后由人工分析收集到的微塑料颗粒，根据流过网筛的海水体积，计算微塑料的浓度，这样的方法不仅需要大型的海洋科考船出海作业，需要大量的资金和人力，还需要人为地进行干预，因此存在测量不准确的问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种投弃式海洋微塑料浓度现场测量装置及方法，以提高海洋微塑料浓度检测的准确性，降低成本。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种投弃式海洋微塑料浓度现场测量装置，所述装置包括：
7.外壳、第一端盖、第二端盖、主循环泵、次循环泵、微塑料收集簇、光电传感器和采集控制电路板；
8.所述主循环泵、所述次循环泵、所述微塑料收集簇、所述光电传感器和所述采集控制电路板均设置在所述外壳内部，所述第一端盖和所述第二端盖分别设置所述外壳的两端，总进水口贯穿所述第二端盖分别与所述主循环泵的进水口和所述微塑料收集簇的一端连接，所述微塑料收集簇的另一端与所述次循环泵的进水口连接，所述主循环泵的出水口和所述次循环泵的出水口均贯穿所述第二端盖，且通过硅胶塑料软管与总出水口连接，所述光电传感器对应设置在所述主循环泵与总出水口之间的所述硅胶塑料软管处，所述光电传感器、所述主循环泵和所述次循环泵均与所述采集控制电路板连接；
9.所述采集控制电路板获取每次采样的采样信号，并根据所述采样信号控制打开所述主循环泵和所述光电传感器，使待测海水通过总进水口进入所述主循环泵以及所述硅胶塑料软管，所述光电传感器检测所述硅胶塑料软管内是否有塑料微粒通过，当没有塑料微粒时，抽取的待测海水通过总出水口排出；当有塑料微粒通过时，所述光电传感器会产生一个脉冲，并发送至所述采集控制电路板，当所述采集控制电路板采集到此脉冲后，所述采集控制电路板控制打开所述次循环泵，关闭所述主循环泵，使含有塑料微粒的待测海水被驱赶到所述微塑料收集簇进行微塑料收集，过滤后的待测海水依次通过所述次循环泵和总出水口排出，记录当前采集时间，等待一段时间后，所述采集控制电路板控制打开所述主循环泵，关闭所述次循环泵，重复上述过程，直至抽取设定容量的待测海水，所述采集控制电路板记录微塑料颗粒数目，并根据微塑料颗粒数目和设定容量计算微塑料颗粒浓度。
10.可选地，所述装置还包括：
11.gps天线，设置在所述第一端盖上，与所述采集控制电路板连接，用于获取所述装置采样前和采样后的当前位置信息，并将采样前的当前位置信息和采样后的当前位置信息发送至所述采集控制电路板，以使所述采集控制电路板根据采样前的当前位置信息和采样后的当前位置信息确定海水取样位置；
12.铱星天线，设置在所述第一端盖上，与所述采集控制电路板连接，用于将当前采集时间、所述海水取样位置、微塑料颗粒数目以及微塑料颗粒浓度中至少一种发送至用户。
13.可选地，所述装置还包括：
14.线性驱动器，与所述采集控制电路板连接，用于根据所述采集控制电路板发送的移动指令进行线型移动，以使更换所述微塑料收集簇内的不锈钢过滤器。
15.可选地，所述装置还包括：
16.至少2根螺柱和4块隔板，所述4块隔板分别为第一隔板、第二隔板、第三隔板和第四隔板；所述螺柱贯穿所述第一隔板、所述第二隔板、所述第三隔板和所述第四隔板分别与所述第一端盖和所述第二端盖连接，所述螺柱用于支撑所述第一端盖和所述第二端盖；
17.所述次循环泵设置在所述第一隔板上，所述主循环泵设置在所述第二隔板上，所述线性驱动器设置在所述第三隔板上，所述微塑料收集簇和所述采集控制板均设置在所述第四隔板上。
18.可选地，所述光电传感器包括激光发送器和接收器；所述激光发送器和所述接收器分别安装在所述主循环泵与总出水口之间的所述硅胶塑料软管两侧；所述激光发送器和所述接收器分别与所述采集控制电路板连接；
19.所述激光发送器用于根据所述采集控制电路板的指令发送激光；
20.所述接收器用于接收所述激光，当未接收到激光时，则向所述采集控制电路板发
送一个脉冲。
21.可选地，所述装置还包括：清洗注射器，设置在所述第四隔板上；
22.所述采集控制电路板通过控制电机推动所述清洗注射器的推杆注入消毒剂，清理内部各管路。
23.可选地，所述装置还包括：
24.第一三通管和第二三通管；所述第一三通管和所述第二三通管均设置在所述外壳内部，总进水口贯穿所述第二端盖与所述第一三通管的第一端连接，所述第一三通管的第二端与所述主循环泵的进水口连接，所述第一三通管的第三端与所述微塑料收集簇的一端连接，所述次循环泵的出水口与所述第二三通管的第一端连接，所述第二三通管的第二端与所述主循环泵的出水口连接，所述第二三通管的第三端贯穿所述第二端盖与总出水口连接。
25.可选地，所述装置还包括：过滤网，设置在总进水口处，用于过滤杂物。
26.本发明还提供一种投弃式海洋微塑料浓度现场测量方法，所述方法包括：
27.步骤s1：等待接收采样信号；
28.步骤s2：记录采样前的当前位置信息；
29.步骤s3：根据所述采样信号控制打开主循环泵，以使待测海水流过主循环泵；
30.步骤s4：判断过滤的待测海水是否达到设定容量；如果达到设定容量，则关闭主循环泵，并记录采样后的当前位置信息和微塑料颗粒数目，根据微塑料颗粒数目和设定容量计算微塑料颗粒浓度，根据采样前的当前位置信息和采样后的当前位置信息确定海水取样位置；如果没有达到设定容量，则执行“步骤s5”；
31.步骤s5：判断是否检测到塑料微粒；如果检测到塑料微粒，则控制打开所述次循环泵，关闭所述主循环泵，使含有塑料微粒的待测海水被驱赶到微塑料收集簇中进行微塑料收集，记录当前采集时间，等待一段时间后，控制打开所述主循环泵，关闭所述次循环泵，并执行“步骤s6”；如果没有塑料微粒时，返回“步骤s4”；
32.步骤s6：判断是否完成采样任务；如果完成采样任务，则关机；如果没有完成采样任务，则等待接收采样信号，并返回“步骤s3”。
33.可选地，在步骤s6之前还包括：
34.步骤s7：控制线性驱动器线型移动，更换所述微塑料收集簇内的不锈钢过滤器；
35.步骤s8：通过控制电机推动所述清洗注射器的推杆注入消毒剂，清理内部各管路。
36.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
37.本发明公开一种投弃式海洋微塑料浓度现场测量装置及方法，采用间歇工作方式通过船舶投放到相关的海域进行现场微塑料实时监测，满足海洋微塑料浓度实时监测的多样性、灵活性和机动性需要，可适应新的海洋观测任务需求；该装置还可以追踪和跟随海洋微塑料的聚集区域，能够自动计算海洋微塑料数据和收集微塑料，无需人工干预，因此提高了测量精度；另外，本发明公开的方案无需大型的海洋科考船出海作业，因此可以节省大量人力、物力和财力。
附图说明
38.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所
需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
39.图1为本发明投弃式海洋微塑料浓度现场测量装置内部原理图；
40.图2为本发明投弃式海洋微塑料浓度现场测量装置总体结构图；
41.图3为本发明投弃式海洋微塑料浓度现场测量方法流程图；
42.符号说明：
43.1、铱星天线，2、gps天线，3、第一端盖，4、隔板，5、主循环泵，6、硅胶塑料软管，7、接收器，8、激光发送器，9、清洗注射器，10、采集控制电路板，11、螺柱，12、锂电池，13、第二端盖，14、总进水口，15、水温和盐度传感器，16、总出水口，17、配重，18、微塑料收集簇，19、线性驱动器，20、次循环泵，21、水帆，22、外壳。
具体实施方式
44.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
45.本发明的目的是提供一种投弃式海洋微塑料浓度现场测量装置及方法，以提高海洋微塑料浓度检测的准确性，降低成本。
46.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
47.实施例1
48.如图1和图2所示，本发明公开一种投弃式海洋微塑料浓度现场测量装置，所述装置包括：外壳22、第一端盖3、第二端盖13、主循环泵5、次循环泵20、微塑料收集簇18、光电传感器和采集控制电路板10；所述主循环泵5、所述次循环泵20、所述微塑料收集簇18、所述光电传感器和所述采集控制电路板10均设置在所述外壳22内部，所述第一端盖3和所述第二端盖13分别设置所述外壳22的两端，总进水口14贯穿所述第二端盖13分别与所述主循环泵5的进水口和所述微塑料收集簇18的一端连接，所述微塑料收集簇18的另一端与所述次循环泵20的进水口连接，所述主循环泵5的出水口和所述次循环泵20的出水口均贯穿所述第二端盖13，且通过硅胶塑料软管6与总出水口16连接，所述光电传感器对应设置在所述主循环泵5与总出水口16之间的所述硅胶塑料软管6处，所述光电传感器、所述主循环泵5和所述次循环泵20均与所述采集控制电路板10连接。本实施例中，所述光电传感器、所述主循环泵5和所述次循环泵20均与所述采集控制电路板10之间的连接为电连接之外，其余各器件之间的连接均为管路连接，管路连接均采用硅胶塑料软管6连通。
49.所述采集控制电路板10获取每次采样的采样信号，并根据所述采样信号控制打开所述主循环泵5和所述光电传感器，使待测海水通过总进水口14进入所述主循环泵5以及所述硅胶塑料软管6，所述光电传感器检测所述硅胶塑料软管6内是否有塑料微粒通过，当没有塑料微粒时，抽取的待测海水通过总出水口16排出；当有塑料微粒通过时，所述光电传感器会产生一个脉冲，并发送至所述采集控制电路板10，当所述采集控制电路板10采集到此
脉冲后，所述采集控制电路板10控制打开所述次循环泵20，关闭所述主循环泵5，使含有塑料微粒的待测海水被驱赶到所述微塑料收集簇18进行微塑料收集，过滤后的待测海水依次通过所述次循环泵20和总出水口16排出，记录当前采集时间，等待一段时间后，所述采集控制电路板10控制打开所述主循环泵5，关闭所述次循环泵20，重复上述过程，直至抽取设定容量的待测海水，所述采集控制电路板10记录微塑料颗粒数目，并根据微塑料颗粒数目和设定容量计算微塑料颗粒浓度。
50.本实施例中，光电传感器按固定时间打开，当采集控制电路板10接收光电传感器的一个脉冲后，采集控制电路板10就会对塑料微粒进行计数加一。另外，一段时间设置为5秒，也就是说采集控制电路板10控制次循环泵20打开5秒后，关闭次循环泵20，保证塑料颗粒可以有足够的时间被推送并捕获至微塑料收集簇18的不锈钢过滤器。接下来打开主循环泵5，利用采集控制电路板10根据设定流速与流通时间计算待测海水的容量，直到体积达到设定容量时，根据检测到的微塑料颗粒数目和设定容量计算微塑料颗粒浓度。所述硅胶塑料软管6优选为7mm的硅胶塑料软管6。
51.本实施例中外壳22优选为pvc外壳，在pvc外壳的外侧设置有柔性的水帆21，用于增加装置随流飘移的能力，这些柔性的水帆21可以确保装置在很大测量范围内移动。
52.作为一种可选的实施方式，本发明所述装置还包括：温度和盐度传感器15，所述温度和盐度传感器15与所述采集控制电路板10电连接，所述温度和盐度传感器15用于获取待测海水的温度和盐度，并将海水的温度和盐度发送至所述采集控制电路板10，以使采集控制电路板10将待测海水的温度和盐度发送至用户或用户终端。
53.作为一种可选的实施方式，本发明所述装置还包括：gps天线2和铱星天线1；所述gps天线2和所述铱星天线1均设置在所述第一端盖3上，所述gps天线2和所述铱星天线1均与所述采集控制电路板10连接；所述gps天线2用于获取所述装置采样前的当前位置信息和采样后的当前位置信息，并将采样前的当前位置信息和采样后的当前位置信息发送至所述采集控制电路板10，以使所述采集控制电路板10根据采样前的当前位置信息和采样后的当前位置信息确定海水取样位置；所述铱星天线1用于将传输数据发送至用户，所述传输数据为当前采集时间、所述海水取样位置、微塑料颗粒数目以及微塑料颗粒浓度中至少一种。本实施例中，所述传输数据既可以通过邮箱发送至用户，用户可以在远程的电脑上登录邮箱，查看相关的数据。还可以直接发送到用户对应的移动终端，所述移动终端既可以是电脑，也可以是手机等。还可以将传输数据写进sd卡中，后续通过卫星发送至用户的电子邮箱或用户终端。本发明根据采样前的当前位置信息和采样后的当前位置信息确定海水取样位置，以提高确定海水取样位置的准确性。另外，本发明只有进行传输数据发送时，所述采集控制电路板10控制电源给所述铱星天线1提供电能，使所述铱星天线1将传输数据发送至用户或用户终端，不发送传输数据时，则停止电源给所述铱星天线1提供电能，以使节约电能。
54.通过本实施例中，gps天线2和铱星天线1安装于上端盖(即第一端盖3)，铱星天线1突出于上端盖10cm，以确保gps定位准确定位和铱星数据的接收效果。
55.本发明所述装置的运行电压是12v，所述采集控制电路板10需要12v电压，所述主循环泵5和所述次循环泵20需要12v电压，所述线性驱动器19需要9v电压。本发明提供的供电电池采用具有高容量、大电流输出能力、小体积、安全性高的锂锰电池，电池连接方案采用4节电池串联为一组，每组的供电电压为12v，考虑电源冗余，再采用6组并联的形式，实际
容量30ah。在采集控制电路板10内部将12v电压变成系统运行所需要的各种电压。采集控制电路板10上的微控制器通过编程将最大限度地节省电量，在每次采样后进入睡眠模式，将系统的总体电流消耗至最少。在每次采样期间，采集控制电路板10控制锂电池12给所述水温和盐度传感器15、主循环泵5、所述次循环泵20、线性驱动器19、高扭矩电机、光电传感器、gps天线2和铱星天线1供电。
56.作为一种可选的实施方式，本发明所述装置还包括：线性驱动器19；所述线性驱动器19与所述采集控制电路板10连接；所述线性驱动器19用于根据所述采集控制电路板10发送的移动指令进行线型移动，以使更换所述微塑料收集簇18内的不锈钢过滤器。本实施例中，待测海水达到设定容量后，线性驱动器19推动丝杠将过微塑料收集簇18移到下一下空的不锈钢过滤器，准备接收下一个微塑料颗粒样本。通过这样的方法，每次采样只有一个不锈钢过滤器可以通过待测海水，当25个不锈钢过滤器都收集完成后，则完成任务。
57.作为一种可选的实施方式，本发明所述装置还包括：至少2根螺柱11和4块隔板4，所述4块隔板分别为第一隔板、第二隔板、第三隔板和第四隔板；所述螺柱11贯穿所述第一隔板、所述第二隔板、所述第三隔板和所述第四隔板分别与所述第一端盖3和所述第二端盖13连接，所述螺柱11用于支撑所述第一端盖3和所述第二端盖13；所述次循环泵20设置在所述第一隔板上，所述主循环泵5设置在所述第二隔板上，所述线性驱动器19设置在所述第三隔板上，所述微塑料收集簇18和所述采集控制板均设置在所述第四隔板上。
58.图1中在所述外壳22内部设置4根螺柱11，所述螺柱11为φ5mm的不锈钢长螺柱，装置内部空间利用4根螺柱11和4块隔板4分隔成不同的舱室，以使将各组件被安装在各螺柱11上或各隔板4上。另外，本实施例中的4块隔板4均为pvc板。
59.作为一种可选的实施方式，本发明所述光电传感器包括激光发送器8和接收器7；所述激光发送器8和所述接收器7分别安装在所述主循环泵5与总出水口16之间的所述硅胶塑料软管6两侧；所述激光发送器8和所述接收器7分别与所述采集控制电路板10连接；所述激光发送器8用于根据所述采集控制电路板10的指令发送激光；所述接收器7用于接收所述激光，当未接收到激光时，则向所述采集控制电路板10发送一个脉冲。本实施例中，激光发送器8和接收器7分别选为200khz/5mw红光激光发射器和光学检测器来完成。
60.作为一种可选的实施方式，本发明所述装置还包括：清洗注射器9；所述清洗注射器9设置在所述第四隔板上；所述采集控制电路板10通过控制电机推动所述清洗注射器9的推杆注向各管路内注入消毒剂，静置10min后，启动主循环泵5排出，清理内部各管路。本实施例中，注射器的容量是50ml，每次样本使用2ml，电机为高扭矩电机。在每次采样结束后，向各管路注入少量的清洁剂清洁，因为管内的生物附着污染将对海水的流动制造阻力，影响微塑料颗粒进入仪器，同时对光学系统造成污染，所以用清洁剂清洗管路是非常必要的。
61.作为一种可选的实施方式，本发明所述装置还包括：第一三通管和第二三通管；所述第一三通管和所述第二三通管均设置在所述外壳22内部，总进水口14贯穿所述第二端盖13与所述第一三通管的第一端连接，所述第一三通管的第二端与所述主循环泵5的进水口连接，所述第一三通管的第三端与所述微塑料收集簇18的一端连接，所述次循环泵20的出水口与所述第二三通管的第一端连接，所述第二三通管的第二端与所述主循环泵5的出水口连接，所述第二三通管的第三端贯穿所述第二端盖13与总出水口16连接。
62.作为一种可选的实施方式，本发明所述装置还包括：配重17和过滤网，所述配重17
设置在螺柱11上，所述过滤网设置在总进水口14处；由于配重17压舱作用，整个装置漂浮在海面上，水线距离平静的海面约30cm，总进水口14位于下端盖(即第二端盖13)上。另外，如果没有检测到微粒，所述主循环泵5就会源源不断地将海水抽入和排出，为了避免大块异物和海洋生物被吸入，堵塞所述主循环泵5，因此在总进水口14设置有279um的过滤网过滤杂物。
63.作为一种可选的实施方式，本发明所述装置还包括：o型密封圈；所述o型密封圈用于密封所述第一端盖3和所述第二端盖13与所述外壳22的两端，以提高所述第一端盖3和所述第二端盖13与所述外壳22之间的密封性。
64.作为一种可选的实施方式，本发明所述微塑料收集簇18包括：设定个数的不锈钢过滤器，每次采样只有一个不锈钢过滤器过滤待测海水。具体的，本实施例中，微塑料收集簇18的材质是pvc管，内设有25个500um的不锈钢过滤器。
65.本发明选择c8051f微控制器平台作为采集控制电路板10，编程语言采用c语言和汇编语言混合编程，用来编制软件的各种模块，采用keil ide软件用来编译和下载控制软件。
66.实施例2
67.如图3所示，本发明还公开一种投弃式海洋微塑料浓度现场测量方法，以下步骤中省略了执行主体“采集控制电路板”，所述方法包括：
68.步骤s1：等待接收采样信号。
69.步骤s2：记录采样前的当前位置信息。
70.步骤s3：根据所述采样信号控制打开主循环泵，以使待测海水流过主循环泵。
71.步骤s4：判断过滤的待测海水是否达到设定容量；如果达到设定容量，则关闭主循环泵，并记录采样后的当前位置信息和微塑料颗粒数目，根据微塑料颗粒数目和设定容量计算微塑料颗粒浓度，根据采样前的当前位置信息和采样后的当前位置信息确定海水取样位置；如果没有达到设定容量，则执行“步骤s5”。
72.步骤s5：判断是否检测到塑料微粒；如果检测到塑料微粒，则控制打开所述次循环泵，关闭所述主循环泵，使含有塑料微粒的待测海水被驱赶到微塑料收集簇中进行微塑料收集，记录当前采集时间，等待一段时间后，控制打开所述主循环泵，关闭所述次循环泵，并执行“步骤s6”；如果没有塑料微粒时，返回“步骤s4”。
73.步骤s6：判断是否完成采样任务；如果完成采样任务，则关机；如果没有完成采样任务，则等待接收采样信号，并返回“步骤s3”。
74.进一步地，在步骤s6之前还包括：
75.步骤s7：控制线性驱动器线型移动，更换所述微塑料收集簇内的不锈钢过滤器；
76.步骤s8：通过控制电机推动所述清洗注射器的推杆注入消毒剂，清理内部各管路。
77.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
78.本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。