馬素艷

（山西興新安全生產技術服務有限公司，山西 太原 030024）

引言

隨著經濟的快速發(fā)展，能源需求量的不斷增加，我國能源結構主要以煤為主，煤炭的利用會帶來極大的環(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標準要求，并通過有效手段對污染物進行測定是十分有必要的[1]。目前，針對二氧化硫、氮氧化物污染物的監(jiān)測可采用化學方法和光學方法。其中，光學方法可通過測定光強度的變化對氣體濃度進行測量，還可通過光譜技術對氣體濃度進行測量。光譜分析法對氣體濃度的監(jiān)測不會受到其他氣體的影響。本文重點研究吸收光譜分析法在氮氧化物濃度檢測中的應用。

1 吸收光譜分析法的原理

在前人研究的基礎上，學者們在不同物質對光吸收程度和吸收介質厚度之間存在一定的關系。當光線穿過待測氣體時，待測氣體可對光線的能量進行吸收。

但是，基于光譜分析法對氣體濃度測定需要在一定的前提條件下才能實現，包括以下幾個方面：

1）光源所發(fā)射處的光線為平行單色光，且光線的強度較??；

2）待測氣體為均勻非散射體系；

3）待測氣體的質點之間不存在相互作用的關系；

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

在上述原理分析的基礎上，本文將重點對基于光譜分析法對一氧化氮、二氧化氮氣體濃度的檢測開展研究。

2 吸收光譜分析法在一氧化氮檢測中的應用

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95%。目前，針對一氧化氮濃度的檢測可采用基于化學原理的檢測方法和基于光學原理的檢測方法[3]。本節(jié)重點研究基于紫外線吸收光譜法對一氧化氮氣體濃度的檢測。

2.1 一氧化氮吸收光譜檢測方案的設計

從理論上講，一氧化氮氣體在紫外線區(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連續(xù)震蕩的形式；而對于一氧化氮而言，其對應的光譜吸收呈現三個分離的尖峰，主要集中在204.5 nm、214.6 nm 和226 nm 三個吸收峰，如圖1 所示?？赏ㄟ^對上述三個吸收峰能量的吸收強度確定待測氣體的濃度。

圖1 一氧化氮氣體吸收截面

但是，在實際操作中需要選擇哪一個吸收峰對吸收強度進行測定與所配套的光傳輸器件和探測器對光的響應程度有關。主要影響機理為：隨著光線的波長越長，對應光損失越小。一般選用氘燈作為光源，該類光源的在波長為200 nm～230 nm 之間的強度較大。但是，所配套的探測器在204 nm 和214 nm 兩個吸收峰所接受的光強度非常??；同時，二氧化硫氣體在上述兩個吸收峰對光強度的吸收值非常大[4]。因此，為了減小二氧化硫氣體對一氧化氮氣體的干擾，最終確定通過226 nm 吸收峰能量來確定一氧化氮氣體的濃度。

2.2 光譜分析法在一氧化氮檢測中的實驗應用

在上述對光譜分析法測定一氧化氮氣體濃度原理和方案設計的基礎上，本節(jié)在實驗室環(huán)節(jié)搭建實驗室平臺研究光譜分析法的測定情況。本次實驗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，有光譜分析以對光纖中的數據進行分析。通過實驗表明，通過光譜分析法對一氧化氮氣體濃度檢測具備如下能力：

1）可檢測出一氧化氮濃度[w（NO）]的最小值為0.8×10-6；

（2）基于上述光譜分析法檢測一氧化氮濃度的相對誤差非常小，僅為0.6%，而且測量所得結果穩(wěn)定。

以一氧化氮濃度[w（NO）]分別為53.4×10-6和338×10-6對上述檢測方法的精確度進行測試，測試結果如表1 所示。

綜合分析表1 中的數據，當濃度為53.4×10-6時實際測量值的漂移量小于0.5%；當濃度為338×10-6時實際測量值的漂移量小于0.6%。

3 吸收光譜分析法在二氧化氮檢測中的應用

與一氧化氮氣體不同的是，二氧化氮氣體對應吸收截面分為兩個波段，分別為200 nm～250 nm 和300 nm～600 nm。其中，二氧化硫、一氧化氮氣體存在于200 nm～250 nm這個波段范圍之內；因此，初步確定以300 nm～600 nm這個波段測定二氧化氮氣體的濃度。同時，考慮到在該波段范圍之內的某些區(qū)域內物明顯的震蕩吸收特征。因此，最終確定在420 nm～512 nm這個波段通過測定吸收強度得出二氧化氮氣體的濃度。

針對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的波段范圍之內發(fā)射較為平滑的光線，可完全滿足測定需求[5]。同樣根據基于光譜分析測定二氧化氮氣體濃度的原理和方案，設計如圖2 所示的試驗平臺：

圖2 光譜分析法測定二氧化氮濃度實驗室平臺

通過實驗表明，通過光譜分析法對二氧化氮氣體濃度檢測具備如下能力：

1）可檢測出二氧化氮濃度[w（NO）]的最小值為1×10-6；

2）基于上述光譜分析法檢測二氧化氮濃度的相對誤差非常小，以理論濃度（質量分數）為361×10-6的二氧化氮氣體為例，所測定的實際平均值為361.1×10-6，測定的標準偏差僅為1.8×10-6，測量的最大相對誤差僅為0.5%，而且測量所得結果穩(wěn)定。

4 結語

當前環(huán)境污染是人們備受關注的問題，為解決或減輕環(huán)境污染的問題，在工業(yè)生產中均采取了一定的措施。但是，還缺乏有效、準確的手段對空氣中的污染物進行準確測定的手段。針對傳統(tǒng)電化學分析測量結果不準確、易受干擾的問題。本文重點研究基于光譜分析法對一氧化氮和二氧化氮氣體濃度的測定，并總結如下：

1）基于光譜分析需根據被測氣體的性質確定光源的類型，對于一氧化氮選用氘燈，對于二氧化氮選用鎢燈。

2）實驗表明：基于氘燈測定一氧化氮氣體的濃度，當w（NO）=53.4×10-6時實際測量值的漂移量小于0.5%；當w（NO）=338×10-6時實際測量值的漂移量小于0.6%。

3）基于鎢燈測定二氧化氮氣體的濃度，以理論濃度w（NO2）=361×10-6的二氧化氮氣體為例，所測定的實際平均值為361.1×10-6，測定的標準偏差僅為1.8×10-6，測量的最大相對誤差僅為0.5%，而且測量所得結果穩(wěn)定。