吸收光譜分析法在氮氧化物檢測(cè)的應(yīng)用

馬素艷

（山西興新安全生產(chǎn)技術(shù)服務(wù)有限公司，山西 太原 030024）

引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源需求量的不斷增加，我國(guó)能源結(jié)構(gòu)主要以煤為主，煤炭的利用會(huì)帶來極大的環(huán)境污染，尤其是氣體污染，污染物主要為二氧化硫、氮氧化物。因此，控制污染物的直接排放，保證排放至空氣中的污染物滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，并通過有效手段對(duì)污染物進(jìn)行測(cè)定是十分有必要的[1]。目前，針對(duì)二氧化硫、氮氧化物污染物的監(jiān)測(cè)可采用化學(xué)方法和光學(xué)方法。其中，光學(xué)方法可通過測(cè)定光強(qiáng)度的變化對(duì)氣體濃度進(jìn)行測(cè)量，還可通過光譜技術(shù)對(duì)氣體濃度進(jìn)行測(cè)量。光譜分析法對(duì)氣體濃度的監(jiān)測(cè)不會(huì)受到其他氣體的影響。本文重點(diǎn)研究吸收光譜分析法在氮氧化物濃度檢測(cè)中的應(yīng)用。

1 吸收光譜分析法的原理

在前人研究的基礎(chǔ)上，學(xué)者們?cè)诓煌镔|(zhì)對(duì)光吸收程度和吸收介質(zhì)厚度之間存在一定的關(guān)系。當(dāng)光線穿過待測(cè)氣體時(shí)，待測(cè)氣體可對(duì)光線的能量進(jìn)行吸收。

但是，基于光譜分析法對(duì)氣體濃度測(cè)定需要在一定的前提條件下才能實(shí)現(xiàn)，包括以下幾個(gè)方面：

1）光源所發(fā)射處的光線為平行單色光，且光線的強(qiáng)度較小；

2）待測(cè)氣體為均勻非散射體系；

3）待測(cè)氣體的質(zhì)點(diǎn)之間不存在相互作用的關(guān)系；

4）光線與待測(cè)氣體之間只存在光線能量吸收的作用，不會(huì)發(fā)生熒光或光化學(xué)反應(yīng)[2]。

在上述原理分析的基礎(chǔ)上，本文將重點(diǎn)對(duì)基于光譜分析法對(duì)一氧化氮、二氧化氮?dú)怏w濃度的檢測(cè)開展研究。

2 吸收光譜分析法在一氧化氮檢測(cè)中的應(yīng)用

在空氣污染物中氮氧化物主要以一氧化氮為主，其含量高達(dá)95%。目前，針對(duì)一氧化氮濃度的檢測(cè)可采用基于化學(xué)原理的檢測(cè)方法和基于光學(xué)原理的檢測(cè)方法[3]。本節(jié)重點(diǎn)研究基于紫外線吸收光譜法對(duì)一氧化氮?dú)怏w濃度的檢測(cè)。

2.1 一氧化氮吸收光譜檢測(cè)方案的設(shè)計(jì)

從理論上講，一氧化氮?dú)怏w在紫外線區(qū)域中具有較大的吸收界面；與二氧化硫氣體不同的是，二氧化硫的光譜吸收呈現(xiàn)連續(xù)震蕩的形式；而對(duì)于一氧化氮而言，其對(duì)應(yīng)的光譜吸收呈現(xiàn)三個(gè)分離的尖峰，主要集中在204.5 nm、214.6 nm 和226 nm 三個(gè)吸收峰，如圖1 所示?？赏ㄟ^對(duì)上述三個(gè)吸收峰能量的吸收強(qiáng)度確定待測(cè)氣體的濃度。

圖1 一氧化氮?dú)怏w吸收截面

但是，在實(shí)際操作中需要選擇哪一個(gè)吸收峰對(duì)吸收強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)定與所配套的光傳輸器件和探測(cè)器對(duì)光的響應(yīng)程度有關(guān)。主要影響機(jī)理為：隨著光線的波長(zhǎng)越長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)光損失越小。一般選用氘燈作為光源，該類光源的在波長(zhǎng)為200 nm～230 nm 之間的強(qiáng)度較大。但是，所配套的探測(cè)器在204 nm 和214 nm 兩個(gè)吸收峰所接受的光強(qiáng)度非常小；同時(shí)，二氧化硫氣體在上述兩個(gè)吸收峰對(duì)光強(qiáng)度的吸收值非常大[4]。因此，為了減小二氧化硫氣體對(duì)一氧化氮?dú)怏w的干擾，最終確定通過226 nm 吸收峰能量來確定一氧化氮?dú)怏w的濃度。

2.2 光譜分析法在一氧化氮檢測(cè)中的實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

在上述對(duì)光譜分析法測(cè)定一氧化氮?dú)怏w濃度原理和方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，本節(jié)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)節(jié)搭建實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)研究光譜分析法的測(cè)定情況。本次實(shí)驗(yàn)所選用的光源為氘燈，氘燈所發(fā)射的光線在石英透鏡的作用下變?yōu)槠叫泄?；平行光分別通過50 cm 的二氧化硫和一氧化氮石英窗口樣品池；再次在石英透鏡的作用下耦合至光纖中，有光譜分析以對(duì)光纖中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。通過實(shí)驗(yàn)表明，通過光譜分析法對(duì)一氧化氮?dú)怏w濃度檢測(cè)具備如下能力：

1）可檢測(cè)出一氧化氮濃度[w（NO）]的最小值為0.8×10-6；

（2）基于上述光譜分析法檢測(cè)一氧化氮濃度的相對(duì)誤差非常小，僅為0.6%，而且測(cè)量所得結(jié)果穩(wěn)定。

以一氧化氮濃度[w（NO）]分別為53.4×10-6和338×10-6對(duì)上述檢測(cè)方法的精確度進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1 所示。

綜合分析表1 中的數(shù)據(jù)，當(dāng)濃度為53.4×10-6時(shí)實(shí)際測(cè)量值的漂移量小于0.5%；當(dāng)濃度為338×10-6時(shí)實(shí)際測(cè)量值的漂移量小于0.6%。

3 吸收光譜分析法在二氧化氮檢測(cè)中的應(yīng)用

與一氧化氮?dú)怏w不同的是，二氧化氮?dú)怏w對(duì)應(yīng)吸收截面分為兩個(gè)波段，分別為200 nm～250 nm 和300 nm～600 nm。其中，二氧化硫、一氧化氮?dú)怏w存在于200 nm～250 nm這個(gè)波段范圍之內(nèi)；因此，初步確定以300 nm～600 nm這個(gè)波段測(cè)定二氧化氮?dú)怏w的濃度。同時(shí)，考慮到在該波段范圍之內(nèi)的某些區(qū)域內(nèi)物明顯的震蕩吸收特征。因此，最終確定在420 nm～512 nm這個(gè)波段通過測(cè)定吸收強(qiáng)度得出二氧化氮?dú)怏w的濃度。

針對(duì)二氧化氮吸收波段與一氧化氮的區(qū)別，采用鎢燈作為光源，該類型光源可在350 nm～600 nm的波段范圍之內(nèi)發(fā)射較為平滑的光線，可完全滿足測(cè)定需求[5]。同樣根據(jù)基于光譜分析測(cè)定二氧化氮?dú)怏w濃度的原理和方案，設(shè)計(jì)如圖2 所示的試驗(yàn)平臺(tái)：

圖2 光譜分析法測(cè)定二氧化氮濃度實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)

通過實(shí)驗(yàn)表明，通過光譜分析法對(duì)二氧化氮?dú)怏w濃度檢測(cè)具備如下能力：

1）可檢測(cè)出二氧化氮濃度[w（NO）]的最小值為1×10-6；

2）基于上述光譜分析法檢測(cè)二氧化氮濃度的相對(duì)誤差非常小，以理論濃度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為361×10-6的二氧化氮?dú)怏w為例，所測(cè)定的實(shí)際平均值為361.1×10-6，測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)偏差僅為1.8×10-6，測(cè)量的最大相對(duì)誤差僅為0.5%，而且測(cè)量所得結(jié)果穩(wěn)定。

4 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前環(huán)境污染是人們備受關(guān)注的問題，為解決或減輕環(huán)境污染的問題，在工業(yè)生產(chǎn)中均采取了一定的措施。但是，還缺乏有效、準(zhǔn)確的手段對(duì)空氣中的污染物進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)定的手段。針對(duì)傳統(tǒng)電化學(xué)分析測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確、易受干擾的問題。本文重點(diǎn)研究基于光譜分析法對(duì)一氧化氮和二氧化氮?dú)怏w濃度的測(cè)定，并總結(jié)如下：

1）基于光譜分析需根據(jù)被測(cè)氣體的性質(zhì)確定光源的類型，對(duì)于一氧化氮選用氘燈，對(duì)于二氧化氮選用鎢燈。

2）實(shí)驗(yàn)表明：基于氘燈測(cè)定一氧化氮?dú)怏w的濃度，當(dāng)w（NO）=53.4×10-6時(shí)實(shí)際測(cè)量值的漂移量小于0.5%；當(dāng)w（NO）=338×10-6時(shí)實(shí)際測(cè)量值的漂移量小于0.6%。

3）基于鎢燈測(cè)定二氧化氮?dú)怏w的濃度，以理論濃度w（NO2）=361×10-6的二氧化氮?dú)怏w為例，所測(cè)定的實(shí)際平均值為361.1×10-6，測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)偏差僅為1.8×10-6，測(cè)量的最大相對(duì)誤差僅為0.5%，而且測(cè)量所得結(jié)果穩(wěn)定。