吸收光谱分析法在氮氧化物检测的应用

马素艳

（山西兴新安全生产技术服务有限公司，山西 太原 030024）

引言

随着经济的快速发展，能源需求量的不断增加，我国能源结构主要以煤为主，煤炭的利用会带来极大的环境污染，尤其是气体污染，污染物主要为二氧化硫、氮氧化物。因此，控制污染物的直接排放，保证排放至空气中的污染物满足相关标准要求，并通过有效手段对污染物进行测定是十分有必要的[1]。目前，针对二氧化硫、氮氧化物污染物的监测可采用化学方法和光学方法。其中，光学方法可通过测定光强度的变化对气体浓度进行测量，还可通过光谱技术对气体浓度进行测量。光谱分析法对气体浓度的监测不会受到其他气体的影响。本文重点研究吸收光谱分析法在氮氧化物浓度检测中的应用。

1 吸收光谱分析法的原理

在前人研究的基础上，学者们在不同物质对光吸收程度和吸收介质厚度之间存在一定的关系。当光线穿过待测气体时，待测气体可对光线的能量进行吸收。

但是，基于光谱分析法对气体浓度测定需要在一定的前提条件下才能实现，包括以下几个方面：

1）光源所发射处的光线为平行单色光，且光线的强度较小；

2）待测气体为均匀非散射体系；

3）待测气体的质点之间不存在相互作用的关系；

4）光线与待测气体之间只存在光线能量吸收的作用，不会发生荧光或光化学反应[2]。

在上述原理分析的基础上，本文将重点对基于光谱分析法对一氧化氮、二氧化氮气体浓度的检测开展研究。

2 吸收光谱分析法在一氧化氮检测中的应用

在空气污染物中氮氧化物主要以一氧化氮为主，其含量高达95%。目前，针对一氧化氮浓度的检测可采用基于化学原理的检测方法和基于光学原理的检测方法[3]。本节重点研究基于紫外线吸收光谱法对一氧化氮气体浓度的检测。

2.1 一氧化氮吸收光谱检测方案的设计

从理论上讲，一氧化氮气体在紫外线区域中具有较大的吸收界面；与二氧化硫气体不同的是，二氧化硫的光谱吸收呈现连续震荡的形式；而对于一氧化氮而言，其对应的光谱吸收呈现三个分离的尖峰，主要集中在204.5 nm、214.6 nm 和226 nm 三个吸收峰，如图1 所示。可通过对上述三个吸收峰能量的吸收强度确定待测气体的浓度。

图1 一氧化氮气体吸收截面

但是，在实际操作中需要选择哪一个吸收峰对吸收强度进行测定与所配套的光传输器件和探测器对光的响应程度有关。主要影响机理为：随着光线的波长越长，对应光损失越小。一般选用氘灯作为光源，该类光源的在波长为200 nm～230 nm 之间的强度较大。但是，所配套的探测器在204 nm 和214 nm 两个吸收峰所接受的光强度非常小；同时，二氧化硫气体在上述两个吸收峰对光强度的吸收值非常大[4]。因此，为了减小二氧化硫气体对一氧化氮气体的干扰，最终确定通过226 nm 吸收峰能量来确定一氧化氮气体的浓度。

2.2 光谱分析法在一氧化氮检测中的实验应用

在上述对光谱分析法测定一氧化氮气体浓度原理和方案设计的基础上，本节在实验室环节搭建实验室平台研究光谱分析法的测定情况。本次实验所选用的光源为氘灯，氘灯所发射的光线在石英透镜的作用下变为平行光；平行光分别通过50 cm 的二氧化硫和一氧化氮石英窗口样品池；再次在石英透镜的作用下耦合至光纤中，有光谱分析以对光纤中的数据进行分析。通过实验表明，通过光谱分析法对一氧化氮气体浓度检测具备如下能力：

1）可检测出一氧化氮浓度[w（NO）]的最小值为0.8×10-6；

（2）基于上述光谱分析法检测一氧化氮浓度的相对误差非常小，仅为0.6%，而且测量所得结果稳定。

以一氧化氮浓度[w（NO）]分别为53.4×10-6和338×10-6对上述检测方法的精确度进行测试，测试结果如表1 所示。

综合分析表1 中的数据，当浓度为53.4×10-6时实际测量值的漂移量小于0.5%；当浓度为338×10-6时实际测量值的漂移量小于0.6%。

3 吸收光谱分析法在二氧化氮检测中的应用

与一氧化氮气体不同的是，二氧化氮气体对应吸收截面分为两个波段，分别为200 nm～250 nm 和300 nm～600 nm。其中，二氧化硫、一氧化氮气体存在于200 nm～250 nm这个波段范围之内；因此，初步确定以300 nm～600 nm这个波段测定二氧化氮气体的浓度。同时，考虑到在该波段范围之内的某些区域内物明显的震荡吸收特征。因此，最终确定在420 nm～512 nm这个波段通过测定吸收强度得出二氧化氮气体的浓度。

针对二氧化氮吸收波段与一氧化氮的区别，采用钨灯作为光源，该类型光源可在350 nm～600 nm的波段范围之内发射较为平滑的光线，可完全满足测定需求[5]。同样根据基于光谱分析测定二氧化氮气体浓度的原理和方案，设计如图2 所示的试验平台：

图2 光谱分析法测定二氧化氮浓度实验室平台

通过实验表明，通过光谱分析法对二氧化氮气体浓度检测具备如下能力：

1）可检测出二氧化氮浓度[w（NO）]的最小值为1×10-6；

2）基于上述光谱分析法检测二氧化氮浓度的相对误差非常小，以理论浓度（质量分数）为361×10-6的二氧化氮气体为例，所测定的实际平均值为361.1×10-6，测定的标准偏差仅为1.8×10-6，测量的最大相对误差仅为0.5%，而且测量所得结果稳定。

4 结语

当前环境污染是人们备受关注的问题，为解决或减轻环境污染的问题，在工业生产中均采取了一定的措施。但是，还缺乏有效、准确的手段对空气中的污染物进行准确测定的手段。针对传统电化学分析测量结果不准确、易受干扰的问题。本文重点研究基于光谱分析法对一氧化氮和二氧化氮气体浓度的测定，并总结如下：

1）基于光谱分析需根据被测气体的性质确定光源的类型，对于一氧化氮选用氘灯，对于二氧化氮选用钨灯。

2）实验表明：基于氘灯测定一氧化氮气体的浓度，当w（NO）=53.4×10-6时实际测量值的漂移量小于0.5%；当w（NO）=338×10-6时实际测量值的漂移量小于0.6%。

3）基于钨灯测定二氧化氮气体的浓度，以理论浓度w（NO2）=361×10-6的二氧化氮气体为例，所测定的实际平均值为361.1×10-6，测定的标准偏差仅为1.8×10-6，测量的最大相对误差仅为0.5%，而且测量所得结果稳定。