大气中挥发性有机物鉴别检测技术分析

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 大气中挥发性有机物鉴别检测技术 分析 摘 要：随着我国经济的不断发 展和产业需求，危险化学品的水上运输 以及沿岸加工、储存量呈现快速增长， 水上危险品泄漏事故风险持续增大。且 随着产业需求的不断拓展，水运危险化 学品的类型和性质也越发复杂，加之我 国海域辽阔，南北跨度大，区域差异显 著，水上危险化学品污染风险防治难度 大。因此，相关管理部门越来越重视对 泄漏事故的日常监视监测，将事故应急 的关口前移，尽可能降低事故风险。本 文通过调研大气中 VOCs 鉴别检测技术 现状，主要对比分析了气相色谱质谱联 用技术、电子鼻技术、催化发光技术和 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 红外光谱技术。简要描述了各种技术的 检测原理和特点。旨在为水运中 VOCs 泄漏检测起到一定的指导作用。 中国论文网 /2/view-12936141.htm 关键词：VOCs；鉴别；气相色 谱质谱联用技术；电子鼻技术；催化发 光技术；红外光谱技术 中图分类号：X831 文献标识码： A 文章编号：10067973 （2018）01- 0069-03 VOCs 是可挥发性有机物 （volatile organic compounds）的缩写。 VOCs 主要包括以下几类物质：苯系物、 氯化物、氟里昂、有机酮、醇、酯、醚、 酸、胺等。成分是烃类、卤代烃、氧烃 和氮烃。当大气中 VOCs 含量达到一定 量时，会引起头痛、恶心等症状，甚至 引发抽搐、昏迷，伤害大脑神经系统， 造成记忆力衰退等严重后果。随着我国 经济的不断发展和产业需求，危险化学 品的水上运输以及沿岸加工、存储量都 快速增长，水上危险化学品泄漏风险不 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 断增大，且随着产业不断拓展，水上危 险化学品的类型和性质也越来越复杂， 加之我国海域辽阔，南北跨度大，区域 差异显著，水上危险化学品污染风险防 治难度大。因此，相关管理部门越来越 重视对泄漏事故的日常监视监测，将事 故应急的关口前移，尽可能降低事故风 险。为此，本文对比分析了几种 VOCs 的检测技术，旨在为水运中 VOCs 检测 起到一定的指导作用。 1 国内外 VOCs 检测技术现状 1.1 方法汇总 目前，大气中 VOCs 检测技术按 检测原理分类，主要可以分为气相色谱 质谱联用技术、电子鼻技术、催化发光 技术和红外光谱技术等。不同的检测技 术基于不同的探测原理，具有不同的特 点，本文对这几种检测技术进行详细的 分析和对比。表 1 列出了本文涉及的传 感器的属性和特点。 1.2 气相色谱质谱联用技术 气相色谱法基于吸附剂对不同组 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 分气体具有不同的吸附能力的分离原理， 可以将多组分的混合样品进行分离，具 有高效率、高灵敏度、高选择性、分离 能力强和应用范围广等特点，尤其针对 同分异构体和多组分混合物的定性、定 量分析，更能发挥其优势，因而该技术 在 VOCs 检测方面得到了广泛的应用。 气相色谱法虽然具有强分离能力， 但是却不具有检测气体成分的能力；因 此与鉴别检测技术相结合探测 VOCs 的 方法应运而生。常见的和气相色谱仪联 用的检测技术是质谱仪。质谱仪是一种 测量离子荷质比的分析仪器，对未知化 合物具有独特的鉴别能力，并且灵敏度 很高。结合两者的优势，气相色谱-质 谱联用技术可以用于固体、气体、液体 中的 VOCs 成分的鉴别和含量的探测。 如图 1 所示，气相色谱 -质谱联 用系统由气相色谱单元、质谱单元、接 口和计算机系统四大部件组成。其中气 相色谱单元由载气及流速控制系统、进 样系统、色谱柱系统和温控系统组成； -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 质谱单元由离子源、质量分析系统、离 子检测系统和记录系统构成；接口是连 接气相色谱仪和质谱仪的传输线，是它 们的气流和气压的匹配器；计算机系统 是一起的控制中心，用于稻莸牟杉 、 存储、处理和仪器的自动控制。 色谱柱中放置有吸附剂，当多组 分混合气体进入色谱柱后，不同组分将 由于吸附能力不同先后通过色谱柱，顺 序进入质谱仪，吸附力弱的组分先离开 色谱柱进入质谱仪，而吸附力强的组分 不容易通过，后离开色谱柱。依次进入 质谱仪的组分被离子源电离后，失去电 子，变成带正电荷的带电粒子，不同的 分子电离产生的带电粒子具有不同的荷 质比，带电粒子经电场加速后进入质量 分析器。在质量分析器中，不同速度的 带电粒子发生不同的偏转，它们聚焦后 得到质谱图，根据离子聚焦的位置可以 确定其质量，检测器和计算机系统鉴定 先后进入质谱仪的物质成分同时记录其 相应含量的多少。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 气相色谱质谱联用技术分辨率高， 灵敏度高，主要用于鉴别沸点低、热稳 定性好的化合物，检测精度高，但是检 测过程相对复杂。 1.3 电子鼻技术 电子鼻是通过气体传感器阵列的 响应图像来识别气体成分的电子系统， 它可以在几天乃至数月的时间内实时连 续的检测特定位置的气体成分。它作为 一种快速、无损的气体检测手段，已广 泛用于果蔬、肉禽、茶酒和油脂等各类 食品质量检测中。目前，在大气检测中， 电子鼻可用于 VOCs 检测和其他复合气 体的检测。 电子鼻是由多个响应彼此重叠的 气体传感器组成的具有识别复杂气体能 力的装置。主要由气体取样器、气体传 感器阵列和信号处理系统组成。电子鼻 识别的机理是基于阵列中的每个传感器 对不同气体的灵敏度差异，不同传感器 对同一气体具有不同的响应。通过对多 个气敏传感器的信号进行叠加处理，可 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 以确定组分的成分和相应的含量。 电子鼻响应速度快，检测时间短， 不需要对样品预处理，检测范围广，可 以检测各种气体；重复性好；在许多领 域尤其是食品方面发挥着重要的作用。 1.4 催化发光技术 催化发光指的是物质在催化材料 表面发生反应时产生的发光现象，利用 催化发光现象的技术是催化发光技术， 它作为一种重要的化学分析方法，在药 物分析、食品分析以及环境监测等方面 有广泛的应用。 催化发光的机理是因为物质在进 行化学反应时，吸收反应时产生的化学 能，使反应产物由基态跃迁至激发态， 当激发态的分子回到基态时，释放出多 余的能量，便发出一定波长的光。根据 催化发光反应在某一时刻的发光波长可 以确定组分的成分，根据发光强度可以 确定组分含量。 催化发光技术的发展起源于 1976 年 Breysse 等人首次发现 CO 在 ThO2 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 表面催化氧化过程中会产生微弱的发光 现象。后来，人们陆续对催化发光的应 用进一步研究，研发了各种气体传感器， 张润坤等人研究了二甲醚气体通过石英 加热管表面时的二甲醚传感器。后来随 着纳米科学的发展，纳米催化材料得到 了迅速的发展。胡明江等人研究设计了 一种将 CeO2-Co3O4 纳米纤维作为催化 材料的甲醛传感器，刘永慧等人对丙烯 醛气体传感器的催化材料进行了优化。 目前催化发光技术气体传感器朝着阵列 化的方向发展，任珂珂设计了阵列催化 材料进行混合物的鉴别。 催化 发光具有一种催化剂只能检测一种物质， 同一种被测气体可以用多种催化剂作为 气敏材料的特点。优点是反应灵敏度快 速、工作稳定、不消耗催化剂、能长时 间工作。主要缺点是具有光背景、重现 性差。 1.5 红外光谱技术 红外光谱吸收技术具有分析速度 快、准确、无损高效、样品无须预处理 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 等优点，广泛应用于石化、食品、医药、 农业、环保等多个行业领域的定性定量 分析。由于 VOCs 有显著的红外特征光 谱曲线，所以红外光谱吸收法被用于测 大气中 VOCs 含量。高闽光等人使用傅 里叶红外光谱仪对大气中 VOCs 进行了 被动遥测实验，并提出了复杂背景下定 量遥测污染气体浓度的算法。胡淼等人 对红外光谱吸收法测 VOCs 进行了改进， 针对傅里叶红外光谱仪中的干涉系统进 行研究，设计了基于弹光调制进行光程 扫描的干涉系统。 当使用连续频率的红外光照射样 品时，有机物分子可以吸收某些特定频 率的红外辐射，被分子吸收的光谱称为 红外光谱。利用物质对红外光的吸收效 应进行物质探测的方法叫做红外光谱吸 收法。极性分子吸收红外光谱后，会引 起分子偶极矩的变化，使分子振动或转 动能级从基态跃迁到激发态。可以吸收 的红外光的频率反映了分子的结构特点， 据此可以鉴别未知物的化学结构或基团； -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 而红外光吸收的强度则与化学基团的含 量相关，据此可以定量检测化合物的含 量以及纯度鉴定。图 2 所示为异辛烷的 光谱吸收性曲线。 异辛烷的特征吸收峰位置在 29003000cm-1 之间。所以如果得到 的红外吸收光谱图在 29003000cm-1 则可以判断被测物质中含有异辛烷。 样品吸收红外光需要两个条件： 红外光可以满足分子发生跃迁所需要 的能量；红外光与物质之间有相互偶 合作用。由于非极性对称分子没有偶极 矩，所以辐射不能产生共振。故而红外 光谱吸收法测 VOCs 可以排除大气中 O2、N2 的影响。 图 3 所示为傅里叶红外光谱仪工 作原理示意图。傅里叶红外光谱仪由干 涉仪，检测器和计算机组成。测量过程 分两步：第一步是测量红外干涉图，这 是时域图，即光强随时间的变化曲线； 第二步是通过对得到的干涉图进行傅里 叶变换，从而得到光强随波长变化的曲 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 线，即是红外光谱图。 傅里叶红外光谱仪和传统红外光 谱仪相比，它去掉了狭缝和色散元件， 不仅有效提高光能利用率，同时使测定 光谱范围更宽，分辨率更高，波数更准 确，扫描速度更快。然而它的分辨率受 测量层和背景层的温度差的影响。 2 总结 综上所述，目前 VOCs 的检测