林大星，許良元，胡相翠，邢銀龍， 馬 標(biāo) (安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，安徽 合肥 230036)

一種農(nóng)用車(chē)尾氣中SO2濃度檢測(cè)系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)

林大星，許良元，胡相翠，邢銀龍， 馬 標(biāo) (安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，安徽 合肥 230036)

詳細(xì)介紹了一種基于熒光光譜法來(lái)檢測(cè)農(nóng)用車(chē)尾氣中SO2濃度的測(cè)試系統(tǒng)。闡述了熒光光譜法的測(cè)量原理，以及檢測(cè)系統(tǒng)的組成、功能和特點(diǎn)。通過(guò)對(duì)所采集到的尾氣進(jìn)行檢測(cè)分析，得到了農(nóng)用車(chē)尾氣中SO2分子的熒光光譜圖和激發(fā)光譜圖，確定了農(nóng)用車(chē)尾氣中SO2分子的最佳激發(fā)波長(zhǎng)和熒光發(fā)射波長(zhǎng)，為計(jì)算農(nóng)用車(chē)尾氣中SO2濃度打好了基礎(chǔ)。

農(nóng)用車(chē)尾氣；二氧化硫；熒光光譜檢測(cè)；激發(fā)波長(zhǎng)；發(fā)射波長(zhǎng)

近幾年，農(nóng)用工程機(jī)械發(fā)展迅速，農(nóng)用機(jī)械大批次生產(chǎn)，其中，對(duì)于農(nóng)用車(chē)的使用更是越來(lái)越普及。農(nóng)用車(chē)已成為農(nóng)業(yè)交通運(yùn)輸?shù)闹匾ぞ?，這些車(chē)輛屬于高排放型車(chē)輛，對(duì)大氣污染相當(dāng)嚴(yán)重，農(nóng)用車(chē)尾氣治理勢(shì)在必行。其排放的主要成分如顆粒排放物PM10、一氧化碳、二氧化硫、氮氧化合物、光化學(xué)物質(zhì)O3等[1-2]對(duì)環(huán)境的影響和對(duì)人體的直接傷害非常嚴(yán)重。

面對(duì)這種現(xiàn)狀，研制出適合我國(guó)國(guó)情的農(nóng)用車(chē)尾氣檢測(cè)系統(tǒng)是加快推廣環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)快速健康發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題之一。所以，筆者利用熒光光譜法來(lái)檢測(cè)農(nóng)用車(chē)尾氣成分含量。熒光光譜技術(shù)，相比于其他光學(xué)分析法其優(yōu)點(diǎn)有靈敏度高，測(cè)量速度快，無(wú)需用試劑，維護(hù)成本低，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率高，而且它采集農(nóng)用車(chē)尾氣作為樣氣，中間不再添加其他樣劑，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)、連續(xù)測(cè)量[3-4]。所以，它在環(huán)境氣體檢測(cè)領(lǐng)域具有一定的優(yōu)越性。

1 測(cè)量原理

1.1熒光發(fā)光原理

根據(jù)某些物質(zhì)分子吸收光譜和熒光光譜能級(jí)躍遷機(jī)理，具有吸收光子能力的物質(zhì)在特定波長(zhǎng)的光源照射下，會(huì)在瞬間發(fā)出熒光[5]。二氧化硫受激發(fā)光源照射后，處于激發(fā)態(tài)的二氧化硫分子在返回基態(tài)時(shí)發(fā)出熒光。

根據(jù)美國(guó)API紫外熒光法SO2空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀(M100E)[6]可知，當(dāng)激發(fā)波長(zhǎng)在190～230nm范圍內(nèi)時(shí)，激發(fā)SO2后，可產(chǎn)生熒光。這個(gè)過(guò)程有2個(gè)反應(yīng)：

第1步 當(dāng)SO2被適合的激發(fā)波長(zhǎng)照射時(shí)，可以激發(fā)處于基態(tài)的SO2分子，引起SO2分子中的一個(gè)電子躍遷到一個(gè)更高的能量軌道。其反應(yīng)方程式為：

(1)

第2步 該反應(yīng)發(fā)生在SO2受激發(fā)成為激發(fā)態(tài)以后。此時(shí)處在激發(fā)態(tài)的SO2分子會(huì)很快回到基態(tài)。并以熒光光子的形式釋放能量。這個(gè)過(guò)程的反應(yīng)方程式為：

(2)

式中，v2表示熒光發(fā)射波長(zhǎng)。

1.2二氧化硫濃度與熒光強(qiáng)度的關(guān)系

當(dāng)單色光入射光強(qiáng)保持不變時(shí)，低濃度SO2的熒光強(qiáng)度與其濃度呈正比關(guān)系[7]。此時(shí)，熒光總強(qiáng)度

I與SO2濃度之間的關(guān)系式為[8]：

I=KC

(3)

式中，C表示SO2濃度；K表示為一定物質(zhì)、一定測(cè)定條件下的比例系數(shù)。比例系數(shù)K一般與反應(yīng)室的長(zhǎng)度、溫度、材料、SO2的吸收系數(shù)、空氣分子質(zhì)量、熒光的淬滅時(shí)間、熒光出口面積以及出口透鏡的透過(guò)率等參數(shù)有關(guān)[8-10]。當(dāng)檢測(cè)系統(tǒng)確定后，在穩(wěn)定的條件下，這些參數(shù)也隨之確定，此時(shí)K可視為常數(shù)。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1系統(tǒng)的組成

圖1 檢測(cè)系統(tǒng)的組成

整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)是由光源、單色儀、樣品池、光纖探頭、光譜儀、計(jì)算機(jī)等幾部分構(gòu)成，如圖1所示。

光源采用的是一個(gè)高壓球形氙燈，它采用電子穩(wěn)流電路，具有較好的穩(wěn)定性和可靠性，從紫外光區(qū)至近紅外光區(qū)范圍內(nèi)有較強(qiáng)的能量輻射。該系統(tǒng)利用Y型光纖探頭分別與單色儀和光譜儀進(jìn)行耦合，激發(fā)光通過(guò)光纖探頭照射到樣品池中，樣品池中SO2分子受到激發(fā)躍遷為激發(fā)態(tài)并很快回到基態(tài)，并發(fā)出熒光，再通過(guò)探頭來(lái)檢測(cè)熒光信號(hào)，然后將信號(hào)通過(guò)光纖送入光譜儀進(jìn)行分析，分析的結(jié)果最終將傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中。

2.2系統(tǒng)工作過(guò)程

首先，將采集到的農(nóng)用車(chē)尾氣通入樣品池中。打開(kāi)光源，預(yù)熱30min。打開(kāi)測(cè)試系統(tǒng)，通過(guò)單色儀調(diào)節(jié)光源的激發(fā)波長(zhǎng)，再將不同激發(fā)波長(zhǎng)下的入射光通過(guò)光纖探頭照射到樣品池中。樣品池中的SO2分子將會(huì)受到激發(fā)躍遷為激發(fā)態(tài)，處于激發(fā)態(tài)的SO2分子很快回到基態(tài)，并發(fā)出熒光。此時(shí)光纖探頭將檢測(cè)到熒光信號(hào)并將該信號(hào)送入光譜分析儀中，經(jīng)過(guò)光譜儀的分析后最終將此信號(hào)送入計(jì)算機(jī)中，并以光譜圖的形式在計(jì)算機(jī)中顯示。通過(guò)對(duì)不同激發(fā)波長(zhǎng)下所得到的熒光光譜圖的分析，確定了SO2分子的最佳發(fā)射波長(zhǎng)、熒光強(qiáng)度等信息。然后，固定SO2分子的最佳熒光發(fā)射波長(zhǎng)，確定SO2分子的最佳激發(fā)波長(zhǎng)。

3 SO2的最佳激發(fā)波長(zhǎng)和最佳發(fā)射波長(zhǎng)的確定

根據(jù)SO2分子在激發(fā)波長(zhǎng)為190～230nm范圍內(nèi)的光的照射下會(huì)產(chǎn)生熒光的特性，通過(guò)檢測(cè)系統(tǒng)做了一組試驗(yàn)來(lái)確定SO2的最佳激發(fā)波長(zhǎng)和最佳發(fā)射波長(zhǎng)。

3.1最佳發(fā)射波長(zhǎng)的測(cè)量

在190～230nm范圍內(nèi)，系統(tǒng)分別測(cè)試了激發(fā)波長(zhǎng)在210，214，230nm時(shí)SO2的熒光光譜圖，所得熒光光譜圖如圖2所示。由圖2可知，不同激發(fā)波長(zhǎng)下，其所對(duì)應(yīng)熒光光譜在358.5nm時(shí)，熒光強(qiáng)度最強(qiáng)。由此，初步得到農(nóng)用車(chē)尾氣中SO2分子的最佳發(fā)射波長(zhǎng)為358.5nm。

3.2最佳激發(fā)波長(zhǎng)的測(cè)量

在190～230nm范圍內(nèi)，將發(fā)射波長(zhǎng)固定在358.5nm左右，利用該系統(tǒng)測(cè)得該發(fā)射波長(zhǎng)下SO2分子熒光強(qiáng)度與激發(fā)波長(zhǎng)的關(guān)系圖(見(jiàn)圖3)。由圖3可知，當(dāng)激發(fā)波長(zhǎng)在216.9nm時(shí)熒光強(qiáng)度最大，所以初步確定該波長(zhǎng)為農(nóng)用車(chē)尾氣中SO2分子的最佳激發(fā)波長(zhǎng)。

4 結(jié)語(yǔ)

檢測(cè)系統(tǒng)利用熒光光譜法原理來(lái)檢測(cè)農(nóng)用車(chē)尾氣中SO2的濃度，通過(guò)實(shí)驗(yàn)初步得到了農(nóng)用車(chē)中SO2分子的最佳激發(fā)波長(zhǎng)和發(fā)射波長(zhǎng)。后期將會(huì)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步完善，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)用車(chē)尾氣中SO2濃度實(shí)時(shí)、連續(xù)的測(cè)量。

圖2 不同激發(fā)波長(zhǎng)下SO2分子的熒光光譜圖 圖3 SO2分子熒光強(qiáng)度與激發(fā)波長(zhǎng)的關(guān)系

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[編輯] 洪云飛

O433.1；TH744.16

A

1673-1409(2013)22-0060-02

2013-05-16

林大星(1989-)，男，碩士生，現(xiàn)主要從事光譜檢測(cè)方面的研究工作。

許良元(1973-)，男，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，現(xiàn)主要從事檢測(cè)技術(shù)等方面的教學(xué)與研究工作；E-mail: xlyjwh@136.com。