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          超高精度氣體分析案例一:二氧化氮(NO2)

          閱讀:175      發(fā)布時間:2024-10-26
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          歡迎閱讀我們的“高精度氣體分析”系列文章,我們將在這此深入探索影響我們環(huán)境和健康的大氣污染物和溫室氣體。我們將聚焦二氧化氮(NO2),這是一種工業(yè)科研領(lǐng)域非常重要的化合物,其對人體和環(huán)境可造成的負面影響如下:

          • 人類健康:短期接觸二氧化氮可能會加重呼吸道疾病,長時間接觸高濃度的二氧化氮可能會導(dǎo)致哮喘,并可能增加對呼吸道感染的易感性。

          • 環(huán)境:二氧化氮可以與大氣中的水相互作用,形成酸雨。

           

          二氧化氮是一種紅外活性自由基分子,沸點與室溫大致相同(21.2°C),與其二聚體 N2O4可以形成平衡混合物。它是一種紅棕色氣體,是常見的氮氧化物(NOX)之一。它主要是在自然來源和人為來源的高溫燃燒過程中形成的。其中,一些常見的來源包括:

          (一) 車輛排放:二氧化氮是汽車、卡車和其他車輛發(fā)動機燃燒后的副產(chǎn)品。在交通繁忙的地區(qū),容易出現(xiàn)二氧化氮濃度升高的情況(約占總排放量的64%);

          (二) 住宅供暖系統(tǒng):通常燃燒化石燃料,會釋放二氧化氮(約占總排放量的7%);

          (三) 工業(yè)活動:燃燒類型的發(fā)電廠和工廠會向大氣中排放二氧化氮(僅占總排放量的3%);

          (四) 農(nóng)業(yè)活動/燃燒和化肥:同樣在二氧化氮排放中占據(jù)了一席之地(但通常只是局部污染問題)。

           

          如果二氧化氮排放量過高,超過了世衛(wèi)組織(WHO)發(fā)布的《全球空氣質(zhì)量指南》,那么有時需要采取嚴(yán)厲的措施,來保護人類健康、環(huán)境和氣候,荷蘭的情況就是如此。2019年,氮危機,也稱“stikstofcrisis”,席卷了整個荷蘭工業(yè),導(dǎo)致住房等各種項目被立即叫停,這加劇了荷蘭持續(xù)已久的住房短缺問題,還導(dǎo)致政府計劃大幅減少牲畜數(shù)量,并降低高速公路的限速。

          大氣中氮氣(例如,NO2和NH3)監(jiān)測的重要性,這將有助于相關(guān)部門采取有效的措施,以減少排放。

           

          測量方法

          目前,二氧化氮的監(jiān)測和量化技術(shù)有很多,每種技術(shù)都有其各自的優(yōu)缺點:

          化學(xué)發(fā)光法(CLD)是目前較廣為使用的二氧化氮測量方法,也為各國所信賴。CLD是一種間接檢測方法,它通過將二氧化氮轉(zhuǎn)化為一氧化氮,再將一氧化氮與臭氧發(fā)生反應(yīng),形成激發(fā)態(tài)二氧化氮。這種激發(fā)態(tài)的二氧化氮分子會因為失活而發(fā)光(化學(xué)發(fā)光),從而實現(xiàn)測量。這種方法非常靈敏,成本適中,并且可以提供實時測量結(jié)果。CLD儀器通常符合EN 14211標(biāo)準(zhǔn)(《環(huán)境空氣質(zhì)量-利用化學(xué)發(fā)光測量二氧化氮和一氧化氮濃度的標(biāo)準(zhǔn)方法》)所規(guī)定的條件。主要缺點是,由于CLD可能受到其他含氮分子(例如,PAN或NH3)的干擾,需要進行復(fù)雜的校準(zhǔn)和維護,并且檢測到的發(fā)光信號包含了環(huán)境中二氧化氮與一氧化氮的總和。

          另一種常用的技術(shù)是差分光學(xué)吸收光譜法(DOAS)。這種方法對二氧化氮靈敏度很高,在遙感應(yīng)用方面大有用處。它可以提供大氣中二氧化氮分布和來源方面的見解。主要缺點是,DOAS需要具備專門的設(shè)備和專業(yè)知識;天氣條件和其他干擾氣體可能會影響測量結(jié)果,導(dǎo)致在某些情況下使用受限。

          被動或擴散采樣法無需電源,可由非科研人員在沒有技術(shù)支持的情況下操作。它是一種簡單、輕便且廉價的技術(shù),適用于獲取二氧化氮濃度變化的長期趨勢。但由于提供的是平均測量值,因此不適合獲取短期的峰值或變化。在二氧化氮濃度波動的地區(qū),該方法的準(zhǔn)確性可能會受到影響。

          電化學(xué)傳感器具有便攜性和實時監(jiān)測的特點,適用于二氧化氮泄漏評估。主要缺點是,該方法對其他氣體和環(huán)境條件具有交叉敏感性,會影響傳感器的精度。因此,傳感器的校準(zhǔn)和維護是獲得可靠的測量結(jié)果的關(guān)鍵。

          腔衰減相移光譜法(CAPS)是一種具有較高靈敏度、選擇性且十分精確的光譜技術(shù),它通過分析光穿過高精度光學(xué)腔時的相位變化,來直接測量氣體的吸收情況。主要缺點是,儀器本身較為復(fù)雜和專業(yè),初始成本和運營成本較高,需要技藝嫻熟的用戶進行復(fù)雜的校準(zhǔn)和驗證。

          MIRO Analytical使用中紅外直接激光吸收光譜法,來監(jiān)測和分析環(huán)境空氣中的污染物和溫室氣體。該技術(shù)將高靈敏度和高識別度結(jié)合,通過測量振動躍遷,即便在復(fù)雜的大氣混合物中,也能準(zhǔn)確鑒別和量化二氧化氮的濃度。因此,可以說它是較準(zhǔn)確和通用的二氧化氮監(jiān)測方法。輔以先進的儀器和數(shù)據(jù)處理技術(shù),該方法可以以1赫茲或10赫茲的測量速率,進行實時監(jiān)測。

           

          參考案例

           

          MGA- NO2儀器自2020年6月安裝于瑞士國家空氣污染監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)(NABEL)的少女峰監(jiān)測站(海拔3571米)起,便一直在報告實時二氧化氮數(shù)據(jù),由此NABEL/Empa的Christoph Hüglin博士給出評價:

          “在少女峰高山站點運行的MIRO激光二氧化氮光譜儀的表現(xiàn)非常出色。它具有很高的靈敏度、精確度和可靠性,加上較低的維護成本,非常適合我們在這個偏遠地區(qū)展開工作。”

           

          圖片

          圖:蘇黎世州廢物、水、能源和空氣辦公室(AWEL)的J. Sintermann使用車載MGA10記錄到的蘇黎世氮氧化物(NOX)排放圖

           

          在蘇黎世州AWEL的合作下,MGA憑借其穩(wěn)健性、移動性、靈敏度、精確性和高時間分辨率,展開了基于小型貨車的城市溫室氣體和污染物移動式實時監(jiān)測活動。

          在測量期間,車輛在蘇黎世周圍行駛,并持續(xù)測量溫室氣體和污染物(包括二氧化氮)。通過這項工作,可識別出主要的排放源。

           

          二氧化氮是我國大氣常規(guī)指標(biāo)中必須要監(jiān)控的氣體組分,對人體和環(huán)境空氣都具有一定程度的危害。通過分析動力學(xué)分析,利用先進的MIRO檢測技術(shù),可以精準(zhǔn)、快速的監(jiān)控NO2濃度和分布及動向。

           

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          圖:MIRO Analytical的多合一氣體分析儀MGA能夠以高精度同時監(jiān)測多達10種不同的溫室氣體和污染性氣體。

           

          MGA是我們的多合一氣體分析儀,僅憑一臺儀器就可同時測量多達10種不同的溫室氣體和污染性氣體。

           

           

           

           

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