環(huán)境污染監(jiān)測(cè)的光學(xué)和光譜學(xué)技術(shù)研究

高俊巖+陳霄龍+邢沖+梅禹珊

摘要隨著社會(huì)不斷進(jìn)步，人們環(huán)保意識(shí)的不斷提升，環(huán)境污染問題已經(jīng)受到國際普遍的關(guān)注，就環(huán)境污染的監(jiān)測(cè)技術(shù)，世界各國進(jìn)行了不斷的開發(fā)與研制，同時(shí)也取得了非常多的研究成果。而光學(xué)與光譜學(xué)具有選擇性好、時(shí)間分辨率佳、能進(jìn)行遙測(cè)、動(dòng)態(tài)范圍大一級(jí)便于操作等優(yōu)勢(shì)，從而使其被廣泛的研究與應(yīng)用在環(huán)境污染監(jiān)測(cè)。本文首先對(duì)光學(xué)與光譜學(xué)遙測(cè)原理加以簡要的介紹，之后對(duì)目前普遍的技術(shù)進(jìn)行重點(diǎn)分析，從而對(duì)我國今后的環(huán)境污染監(jiān)測(cè)有所幫助作用。

關(guān)鍵詞環(huán)境污染監(jiān)測(cè)：光學(xué)和光譜學(xué)；多污染組分分析：污染自動(dòng)遙測(cè)

環(huán)境污染依然受到人們的廣泛關(guān)注，對(duì)環(huán)境污染展開監(jiān)測(cè)可以對(duì)今后的污染治理以及環(huán)境保護(hù)有著非常重要的意義。以往進(jìn)行的污染監(jiān)測(cè)通常是人工進(jìn)行定點(diǎn)取樣，以及實(shí)驗(yàn)室分析為主要手段，但是依然有著很大的弊端。即便現(xiàn)在已經(jīng)將大量的儀器設(shè)備應(yīng)用在環(huán)境監(jiān)測(cè)中，從而對(duì)環(huán)境污染監(jiān)測(cè)有著很好的推動(dòng)作用，但是依舊存在定點(diǎn)測(cè)量的弊端。而采用光學(xué)與光譜學(xué)進(jìn)行遙感監(jiān)測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、多組分以及大范圍監(jiān)測(cè)，已經(jīng)成為當(dāng)前時(shí)期主要的應(yīng)用工具。

1光學(xué)與光譜學(xué)遙測(cè)原理

光譜遙測(cè)主要是基于電磁輻射和分子或原子間進(jìn)行相互作用來對(duì)污染物責(zé)成以及特性加以監(jiān)測(cè)，依照環(huán)境中存在的痕量污染物在不同光譜波段擁有不同的吸收特征來推斷出其相應(yīng)的濃度。光學(xué)遙測(cè)主要是利用遠(yuǎn)光程來對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)存在的取樣池加以替代，通過發(fā)出光束穿過待測(cè)氣體，又另一測(cè)的接受裝置進(jìn)行接收。光程主要是由發(fā)射器和接收器之間存在的距離來確定的，測(cè)量的主要原理為比爾定律，其可用如下公式表示：

2 DOAS技術(shù)

DOAS即差分光學(xué)吸收光譜。DOAS技術(shù)主要應(yīng)用在可見光與紫外光波段范圍，可以對(duì)處于該波段擁有特征吸收光譜氣體進(jìn)行檢測(cè)，監(jiān)測(cè)的主要污染物有氮氧化物、臭氧、二氧化硫、苯、甲苯、二甲苯、甲醛等，其主要的測(cè)量種類僅僅局限在該波段范圍內(nèi)擁有較窄吸收譜線方面的氣體成分。然而該方法在大氣平流層可以對(duì)易于反應(yīng)的HONO、0H以及N0等氣體有著非常明顯的測(cè)量效果。DOAS主要是依據(jù)大氣環(huán)境中存在的痕量氣體處于可見與紫外光譜范圍內(nèi)擁有的吸收特性，來反推出大氣中所含有的污染物種類以及濃度。DOAS系統(tǒng)不僅可以應(yīng)用在城市空氣監(jiān)測(cè)，同時(shí)也可以被應(yīng)用于污染源方面的監(jiān)測(cè)，諸如化工廠、煉鋼廠以及水泥場等。此外，將DOAS技術(shù)應(yīng)用于在對(duì)大氣層流中的二氧化碳以及氮氧化物的測(cè)量，并對(duì)氧化溴分布加以測(cè)定，對(duì)于北極等溫層內(nèi)存在的臭氧破壞過程進(jìn)行研究。

3 FTIR技術(shù)

FTIR即付里葉變換紅外光譜。該方法可以對(duì)大氣中存在的眾多的污染物成分所具有的光譜信息，諸如酸性有機(jī)物以及有機(jī)大分子等。FTIR對(duì)于紅外光譜分析具有非常顯著地優(yōu)勢(shì)，其可以實(shí)現(xiàn)對(duì)2μm～15μm內(nèi)的全部光譜進(jìn)行全部獲??；而且對(duì)于光強(qiáng)有著非常好的利用率，不再需要使用棱鏡等分關(guān)元件；此外可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多組分展開一并的測(cè)量。通過FTIR技術(shù)能夠測(cè)定火山煙羽，火山煙羽的組成主要有二氧化碳、二氧化硫、水、硫化氫、氯化氫等，其探測(cè)極限最小可以達(dá)到幾ppb，單位時(shí)間內(nèi)能偶獲取到500～6000范圍內(nèi)的全部光譜，分辨率可以在0.5cm-1，通常一同獲取4條以上的干涉圖譜，從而對(duì)發(fā)射信噪比加以有效地改善。FTIR技術(shù)不僅可以使用人工光源，對(duì)于自然光源如太陽或者月亮等。

4 TDLAS技術(shù)

TDLAS即可調(diào)諧二極管激光吸收光譜學(xué)。激光擁有高強(qiáng)度、高單色性以及方向性等特點(diǎn)，從而其已經(jīng)成為一種作為大氣監(jiān)測(cè)方面的新型工具。在進(jìn)行激光長程測(cè)定過程中，根據(jù)光源功率、連續(xù)形式以及脈沖方式等方面的不同，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光程為幾千米進(jìn)行很好的測(cè)量，可以探測(cè)出1%左右的差分吸收，擁有很好的靈敏性。由于其所具有的單色性可以實(shí)現(xiàn)對(duì)混合污染物中存在的不同成分加以區(qū)分，可以有效地規(guī)避了光譜的干擾。采取激光長程技術(shù)進(jìn)行測(cè)量的污染物主要是大氣中含量極低的污染物，諸如氯化氫、氟化氫、氨氣、甲醛等，以及空氣標(biāo)準(zhǔn)污染物如甲烷、一氧化碳、氮氧化物以及硫氧化物等。對(duì)于相對(duì)較為靈敏的檢測(cè)方式，激光長程擁有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)快以及精度高等優(yōu)勢(shì)，并且所使用的二極管激光器擁有相對(duì)較低的成本，是今后重點(diǎn)發(fā)展的一個(gè)方向。

5 DIAL技術(shù)

DIAL即差分吸收激光雷達(dá)。伴隨可調(diào)諧激光的不斷創(chuàng)新發(fā)展，DIAL技術(shù)也相應(yīng)的得到了發(fā)展與運(yùn)用。激光差分雷達(dá)主要是根據(jù)大氣自身所具有的向后散射回波展開測(cè)量的一項(xiàng)技術(shù)。大氣中存在的氣溶膠擁有較大的向后散射截面，而且回波強(qiáng)度相對(duì)較強(qiáng)，因此使其便于接收與測(cè)量，能夠?qū)崿F(xiàn)極高的分辨率以及大范圍實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)。通常情況下測(cè)量光程能夠在幾十公里范圍內(nèi)，只要測(cè)量范圍是大氣平流層以及大氣對(duì)流層中存在的氣體成分。但是DIAL技術(shù)由于其系統(tǒng)較為復(fù)雜、成本高，而且所要求的光源要可調(diào)諧、功率大、脈寬窄。目前，DIAL技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)臭氧、氯氣、一氧化碳、二氧化氮、汞蒸汽等進(jìn)行測(cè)量。

6 LIF技術(shù)

LIF即激光誘導(dǎo)熒光。根據(jù)物質(zhì)受到紫外線照射會(huì)產(chǎn)生表征其特性的熒光，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)的定量以及定性的分析的技術(shù)便是熒光分析。隨著其被發(fā)明出來便受到了廣泛的關(guān)注，已經(jīng)在實(shí)際中得到了普遍的應(yīng)用。利用激光作為熒光光源可以對(duì)傳統(tǒng)光源存在的缺點(diǎn)進(jìn)行很好的彌補(bǔ)，而且可以有效的提升熒光分析法的選擇性。此外，熒光分析法擁有著取樣方便、試樣量少、方法便捷等優(yōu)勢(shì)。

7結(jié)論

綜上所述，將光學(xué)與光譜學(xué)技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境污染監(jiān)測(cè)中，是一種極為有效的遙感測(cè)量方式，可以對(duì)大氣環(huán)境中存在的各類有害污染物實(shí)現(xiàn)很好的測(cè)定，但是各種技術(shù)均存在自身應(yīng)用局限性，因此在實(shí)際測(cè)量選取過程中應(yīng)該根據(jù)監(jiān)測(cè)內(nèi)容的不同來選取適當(dāng)?shù)氖侄?，從而?duì)大氣內(nèi)存在的污染物加以有效的監(jiān)測(cè)。同時(shí)對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果采用遙感技術(shù)可以更為準(zhǔn)確，對(duì)于污染防治有著很好的技術(shù)支持，因此今后要對(duì)其加以重點(diǎn)的應(yīng)用于研究，從而對(duì)我國今后的污染治理有著極大的推動(dòng)作用。endprint