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毒性氣體檢測的研究現狀
發布者: 發布時間:2017/2/20 閱讀:1007

毒性氣體檢測的研究現狀

相關學者很早就開始對毒氣檢測方法和檢測技術進行了研究,20世紀30年代起,國外就開始進行研究開發氣體傳感器的工作,當時主要是用於廠礦和家庭的煤氣、液化石油氣、天然氣以及瓦斯等有害氣體的檢測、控製和報警,並取得突出的成就;進入20世紀90年代以來,隨著科學技術以及社會的發展,湧現出了各種毒氣檢測的新技術和新方法。在毒氣檢測的發展曆程中,曾出現過三大類檢測方法:濕化學法、基於氣體傳感器的傳統檢測法(不使用分光鏡)和光學檢測法(借助分光鏡)

國外的毒氣檢測技術具有多樣性的特點,其中基於光譜分析的檢測技術是當前比較流行的一種檢測技術,該方法具有檢測範圍廣、精度高、響應速度快等特點,可滿足定性、定量檢測等不同檢測需求,其檢測精度最高可達到ppb級。

差分吸收光譜技術(DOAS)的雛形於20世紀70年代由Noxon提出,而後Platt和Perner又將該技術推廣並應用於對流層大氣的研究,由於其具有連續、實時監測的優點,DOAS技術從此便在國外迅速發展,在大氣汙染監測、火山氣體檢測和煙氣環境監測等中應用廣泛。它是指,當光在大氣中傳輸時,根據痕量汙染氣體成分在紫外和可見光波段的吸收光譜特征來反演其種類和濃度。目前,在氣體汙染物在線實時檢測領域,美國AIM公司擁有發散紫外DOAS測量技術,包括開路式、探頭式和抽取式氣體檢測儀,基於發散紫外DOAS測量技術的產品有AIM-9050、AIM-9060和AIM-9070,AIM-9070如圖1所示;還有意大利ETG公司的UV Sentinel紫外大氣環境監測儀,也采用了發散紫外DOAS測量技術。

20世紀90年代中期,David W. T. Griffith和Bo Galle利用用於外場測量的開放光程傅裏葉變換紅外光譜(FTIR)係統檢測環境氣體,開始了使用FTIR係統檢測大氣環境的研究;而後,Rainer Haus和Klaus Schafer用FTIR研究大氣痕量氣體發射和吸收光譜。FTIR係統中,紅外光源發射的輻射光經準直後以平行光出射,曆經幾百米光程後由望遠係統接收,然後再經幹涉儀後匯聚到紅外探測器上進行信號的獲取。幹涉儀是FTIR係統中的關鍵器件,接收的光束分成兩束分別射向兩麵反射鏡,一麵反射鏡可以前後移動,並使兩束光產生相位差,相位差由光譜的組分決定,同時,具有相位差的兩束光幹涉產生信號幅值變化,由探測器探測到幹涉圖後,經快速傅裏葉變換得到氣體組分的光譜數據。根據氣體對特定波長的入射光的吸收作用,由該波長處的吸收峰值可以得到氣體的濃度。

同樣,還出現了可調諧激光二極管激光吸收光譜(TDLAS)技術、氣相色譜柱-離子遷移率譜(GC-IMS)氣體檢測技術和基於MDS(Metal Dielectric Semiconduct-or)傳感器的氣體檢測技術等等。TDLAS是最近發展起來的一種高靈敏、高分辨率的大氣痕量氣體吸收光譜檢測技術,國外基於TDLAS技術的氣體濃度檢測研究開展比較早,目前已實現對CH4、H2O、CO和CO2等氣體的高靈敏度檢測;國外GC-IMS係統已經被設計成便攜手持式裝置並投入使用,該裝置對許多化學組分都具有很好的敏感性以及相對較好的選擇性;基於MDS傳感器的氣體檢測技術也是目前國內少有報道的一種檢測技術,該技術可實現對H2S,NO2,NH3等多種氣體的檢測,精度可達到5200ppb,但是由於檢測原理的限製,該技術的檢測範圍受到較大限製。

國外毒氣檢測方法的研究具有前沿性,技術和儀器也比較領先,但是一個突出的問題便是儀器價格昂貴,這影響了毒氣檢測儀器的推廣使用。

相對於國外的毒氣檢測研究,國內研究起步較晚,各種檢測方法、技術和儀器相對較少,應用於實際中的氣體檢測儀種類也不多,用途也相對集中,主要是針對已知氣體的檢測和控製。基於金屬氣敏傳感器的氣體識別技術相對成熟,主要是利用一個帶有金屬氣敏傳感器的檢測電路對被測氣體進行檢測,通過氣體作用於金屬傳感器,導致傳感器電阻性質發生變化,從而對被測氣體進行定性和定量檢測。這一技術又可以分為:單一傳感器檢測技術和基於傳感器陣列的檢測技術兩種。

國內隻有少數單位對DOAS技術以及係統進行了相關研究和開發,中科院安徽光機所主持開發了具有自主知識產權的機動車尾氣在線監測係統——“可調諧紅外激光差分吸收汽車尾氣道邊監測技術與係統研究”;天津大學精密儀器與光電子工程學院的吳楨等進行了“DOAS係統設計及數據處理”研究;在實際測量中,由於係統噪聲疊加在吸收光譜上,會影響測量精度,針對此問題,中科院安徽光機所的李素文等對“基於小波變換的差分吸收光譜數據處理方法”進行了研究,提出利用軟閾值小波變換去躁,並得出軟閾值小波去躁可以提高差分吸收光譜係統的測量精度和降低檢測限的結論;被測氣體周圍環境對DOAS係統的測量精度有一定的影響,針對此問題,上海理工大學鄭海明和蔡小舒對“二氧化氮可見光區內壓力對吸收特性的影響”做了研究;東南大學潔淨煤發電及燃燒技術教育部重點實驗室的邵理堂等對“溫度對NO2差分吸收光譜特性影響的實驗研究”做了相關研究和論述;東南大學能源與環境學院的湯光華等對“差分吸收光譜法在線測量煙氣濃度實驗研究”進行了相關論述;國內采用FTIR以及TDLAS技術技術對氣體濃度進行檢測也處於起步階段,僅有少數學者進行相關方麵的研究。

    (貴陽氣體)

 
 

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