傅里叶红外光谱分析仪在化工园区大气预警监测中的应用

黄增威

(广东中联兴环保科技有限公司，广东 广州 510000)

由于化工园区风险聚集，一旦发生突发环境事件极易造成群死群伤等重大事故。通过大气预警监测体系的建设与应用，及时掌握园区大气污染时空分布与趋势演变，对超标浓度实时预警与溯源，可以有效预防和减少突发性污染事件的发生[1]。傅里叶红外光谱分析作为预警监测的新型应用技术，笔者结合某些化工园区实际案例总结了该项技术的实际应用情况，为预警监测设备选型与应用提供可借鉴的思路。

1 仪器与工作原理

1.1 仪 器

FACE series开放式傅里叶红外光谱分析仪(以下简称FTIR)，台湾硕杰企业股份有限公司。

1.2 工作原理

红外光在一般的光能中属于较低频的能量，全波长范围为0.78～1000 μm，中红外光光谱的波长范围为2.5～25 μm，由于大部分有机化合物或含重元素的分子震动频率都包含在这一区域内，且对于化学键种类相同而几何结构不同的原子组成的分子也能有效识别[2]，因此极适合用于研究化合物的分子组成和结构。

FTIR将调制后的红外光，通过开放空间经由反射镜反射后导入仪器内置的检测器，经过数据处理(包括傅里叶变换、光谱解析、存储等)[3]，获得干涉图谱，经由Smart IR软件可将干涉图谱转换成穿透或吸收的光谱进行比对。根据Beer-Lambert定律，气体分子的吸收强度与浓度呈线性关系，因此可计算通过光路的气体种类及浓度等信息。

2 FTIR在化工园区预警监测中的应用

园区大气预警监测的点位布设是基于园区摸底现状，在“风险源、厂界、敏感点/扩散途径”形成三级预警体系[4]，根据生态环境部2019年发布的《有毒有害气体环境风险预警体系建设技术导则》(征求意见稿)，对于有条件的区域可采用移动站预警、架设视频监控设备等补充方式。FTIR因具备同时测定频率内所有物质信息(普遍300种以上)、扫描与出数的速度快、灵敏度高、与质谱、色谱仪器联用等特征[5-7]，在敏感点/扩散途径、移动站甚至厂界站逐渐开展部署，近年来持续在园区重点风险源与特征因子识别、日常排放监管监察、突发应急监测及辅助等方面发挥重要作用，为相关部门提供污染溯源数据，已经成为化工园区管控的重要技术支撑。

3 案例研究

3.1 案例样本概况

以甘河工业园区环境监测监察能力建设项目、南沙小虎化工园区有毒有害气体预警监测体系建设项目、沧州临港经济技术开发区有毒有害气体预警体系建设试点项目、长寿经济技术开发区有毒有害气体环境见险(突发环境事件)预警体系建设试点项目等7个化工园区为研究案例，园区普遍涉及石油炼制与石油化工、基础化学原料制造、储存与运输、涂料生产、合成材料生产等行业，样本囊括的企业较多且涉及风险物质较为复杂，具备一定的普遍性。

3.2 监测方案

本案例涉及的FTIR数量共25台，均采用开放反射式，按照各项目需求全部架设于化工园区范围内，将FTIR所监测到的物质误判情况与准判情况进行分析，进而统计仪器对哪些物质反应较为灵敏及准判率的情况。FTIR质控规范主要参照《环境空气和废气挥发性有机物组分便携式傅里叶红外监测仪技术要求及检测方法》(HJ1011-2018)、台湾环保署发布的《空氣中揮發性化合物篩檢方法-開徑式傅立葉轉換紅外光光譜分析法(NIEA A002.10C)》及厂家质控流程相关规定。

3.3 监测结果与分析

3.3.1 监测结果

根据各项目地2019年全年期间FTIR的实际使用状况，对准判与误判结果进行梳理，共收录准判情况1345条，误判情况1119条。统计结果显示，准判物质有29种，浓度区间为0.0077～17.8595 ppm，准判最多的物质为氯乙烯(310次)、其次为甲醇(275次)；出现误判物质共42种，浓度区间为0.0033～28.4617 ppm，误判最多的物质为一氧化二氮(207次)，其次为2-甲基戊烷(106次)。各统计物质相关信息分别见表1、表2。

表1 准判物质信息及占比

表2 误判物质信息、占比及特征峰波段

3.3.2 结果分析

监测结果显示，准判次数前五高的物质及其所测最低浓度分别为：氯乙烯(0.217 ppm)、甲醇(0.007 ppm)、乙炔(0.008 ppm)、一氧化碳(0.068 ppm)、一氧化二氮(0.042 ppm)，次数合计比重高达86.9%，可见准判物质出现频率非常集中，通过结合准判物质的次数与检出浓度进行分析，可知甲基叔丁基醚(0.0523 ppm)、十二烷(0.1478 ppm)、氨(0.3453 ppm)、光气(0.0104 ppm)、氯化氢(0.2347 ppm)、二氧化硫(0.2367 ppm)、丙烯(0.2562 ppm)均反应灵敏，易被FTIR所识别。准判过程如图1所示(以甲醇为例)。

图1 FTIR监测结果准判过程

误判次数前五高的物质分别为：一氧化二氮、2-甲基戊烷、甲醇、乙炔、一氧化碳，次数合计比重达47.9%，反复误判物质的种类相对集中。通过对比误判物质与干扰物质特征峰波段的情况，发现并不与常见干扰物质一氧化碳(除开该监测因子本身)、二氧化碳、一氧化氮等重叠。除了水汽对会整个光谱造成干扰外，在空气湿度并不高的情况下出现误判的原因经分析一般有：(1)光谱状况；(2)特征峰干扰。光谱状况由环境因素、设备因素、人为因素等多重因素影响，在环境条件尚可情况下如果误判率过高，可以关注SNR(噪声比)的运行数值，当数值低于700时，调整容忍度为0.5左右能有效屏蔽一些低浓度误判的干扰；当判定为特征峰干扰时(此时干扰峰往往是各种物质的化学键)，可从光谱内部调整定量区间，尽可能避开干扰峰的波段区间。

经整理分析，得知FTIR在化工园区大气预警监测中的实际应用情况如表3所示。

表3 FTIR实际应用情况

4 结 论

本文介绍了一种基于傅里叶红外光谱技术的化工园区大气预警监测设备应用情况，数据涉及7个化工园区、25台设备在2019年全年监测结果。

本文初步揭露了FTIR在化工园区常见准判物质与误判物质的情况，以及造成误判可能解决思路。根据监测结果分析可知，FTIR在实际应用中，准判与误判概率偏差不是很大，对于碳5以下因子反应较灵敏，碳5及碳5以上因子反应灵敏度及准判率均有所下降。

总体来说，FTIR作为一种新型大气预警监测技术，可以快速识别化工园区多种复杂污染因子的浓度状况，但是在实际应用中仍受到诸多因素限制，需要综合考虑设备、污染因子、周边环境条件等进行合理布设。