NO氣體紫外差分吸收截面的測量

馮　銳, 李永華

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北保定071003)

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NO氣體紫外差分吸收截面的測量

馮銳, 李永華

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北保定071003)

摘要：氣體吸收截面的測量是影響差分吸收光譜技術(DOAS)測量精度的主要因素。為了得到吸收特征明顯的NO氣體吸收截面，采用分辨率為0.1 nm的高精度光譜儀、氘燈光源和自制的封閉式實驗測量系統(tǒng)。將吸收截面分解為快變部分和慢變部分，并利用多項式擬合的方法對結果進行了修正。實驗得到了NO氣體在200～230 nm紫外波段的吸收截面。結果表明：相較于傳統(tǒng)的測量方法，采用高分辨率的光譜儀和封閉式測量系統(tǒng)得到的吸收截面具有更好的吸收特性。利用多項式擬合的方法分離慢變部分可以提高測量精度。

關鍵詞：差分吸收光譜；吸收截面；一氧化氮；多項式擬合

0引言

煤炭是中國的基礎能源，燃煤發(fā)電量占整個裝機容量的60%-70%[1]。煤炭燃燒會產(chǎn)生大量的氮氧化物(NOX)，是大氣的主要污染物之一，因此對氮氧化物濃度的測量技術的研究具有十分重要的現(xiàn)實意義。

差分吸收光譜法，即DOAS(DifferentialOpticalAbsorptionSpectroscopy)，是目前監(jiān)測大氣污染氣體濃度的常用方法。20世紀80年代初期，NOXON首先提出了DOAS技術的雛形[2]。之后，德國海德堡大學的Platt.U和Perner.D在NOXON工作的基礎上，提出了差分吸收光譜(DOAS)的思想，并將其成功應用于對流層大氣研究[3，4]。差分吸收光譜技術已在多個領域廣泛應用于各種污染氣體濃度的在線監(jiān)測。差分吸收光譜技術是利用污染物氣體分子在光譜的紫外到可見波段具有特征吸收來測量氣體濃度的方法，具有測量原理簡單、測量準確性和靈敏度高等優(yōu)點。為確保測量的準確性，需要選擇合適的測量波段，即氣體分子吸收較強，受其他成分影響較小的波段，才能獲得最佳的差分吸收截面。可以看出，吸收截面的測量和選擇是影響DOAS技術測量精度的主要因素。

目前常用的吸收截面的獲取方法有兩種：(1)從已知的數(shù)據(jù)庫中查找，如哈佛大學的HITRAN數(shù)據(jù)庫。(2)通過實驗室測定的方法確定。由于NO分子帶有自由基[5]，化學性質(zhì)活潑，在大氣中不能穩(wěn)定存在，因此HITRAN數(shù)據(jù)庫中并未給出NO氣體的吸收截面。此外，由于實驗條件不同，光譜分辨率、所需波段要求有差異，前人[6，7]關于NO氣體吸收截面的研究成果不能直接應用。利用AVS-DESKTOP-USB2型高分辨率光纖光譜儀，采用了特制的封閉式實驗系統(tǒng)，在實驗室條件下測量并獲得了NO氣體在紫外波段較為理想的吸收截面，并利用高次多項式擬合的方法對結果進行了修正，得到的吸收截面較文獻中的結果具有更為明顯的吸收特性和更高的光譜分辨率，可以更加準確的反演NO氣體濃度。

1實驗原理

通常，光的吸收由Beer-Lambert定律描述：入射光通過氣體之后，某一種或多種氣體對該段光的吸收程度與通過氣體的厚度成正比。如圖1所示，強度為I0的入射光經(jīng)過濃度為n的氣體，隨著氣體分子的差分吸收而衰減，光束經(jīng)過厚度為dL的氣體，衰減量dI與此處光強I成正比，即：

(1)

式中：α(ν)是吸收系數(shù)，與光強無關。積分得:

(2)

圖1　Beer-Lambert示意圖

用能級躍遷理論分析[8]：設入射光為hν，分子能級差為ε1-ε2，當hν=ε1-ε2時，電子發(fā)生躍遷，吸收入射光。對于厚度為dL的分子層，強度為I的入射光衰減量為dI，正比于能級1上的粒子數(shù)與輻射場能量密度的乘積，即：

(3)

式中：B12為愛因斯坦吸收系數(shù)；ρ(ν)為能量密度； N1為能級1的粒子數(shù)。而：

(4)

式中：c為光速，于是：

(5)

積分得：

(6)

由(2)式和(6)得到吸收系數(shù)為：

(7)

定義吸收截面為：

(8)

則吸收系數(shù)為：

(9)

將吸收截面代入(6)式得：

(10)

用波長表示為：

(11)

式中：n表示單位體積內(nèi)分子數(shù)濃度，mol/cm3；λ是波長，mm；L是光程，cm；σ是吸收截面，cm2/mol。令D(λ)=ln[I0(λ)/I(λ)]，則氣體吸收截面為：

(12)

由理想氣體狀態(tài)方程：

PV=nRT

(13)

式中：P為壓力，V為體積，T為溫度，n為摩爾數(shù)，R為普適氣體常數(shù)。在標準狀態(tài)下：P0=1.013×105Pa，V0=1cm3，T0=273.16K，R=8.314 34J/(mol·K)，可以得到n0=2.687×1019mol/cm3，即為標準狀態(tài)下單位體積內(nèi)的分子數(shù)密度。因此，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程得：

(14)

代入(12)式得:

(15)

2實驗系統(tǒng)

圖2為測量系統(tǒng)示意圖，主要包括配氣系統(tǒng)、光源發(fā)射及接收系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)等。

1-氣瓶；2-質(zhì)量流量計；3-氣體混合室；4-真空泵；5-壓力表；6-廢氣處理裝置；7-氘燈光源；8-準直透鏡；9-實驗氣室；10-聚焦透鏡；11-傳輸光纖；12-光纖光譜儀；13-PC圖2　實驗系統(tǒng)圖

實驗采用德國Heraeus公司生產(chǎn)的氘燈作為實驗光源，可以在紫外190～370nm波段發(fā)射連續(xù)平滑的光譜。采用石英光纖作為實驗的傳輸光纖，紫外光透過率達到了95%。光譜儀為荷蘭Avantes公司生產(chǎn)的AVS-DESKTOP-USB2型光纖光譜儀，分辨率可達0.12nm。實驗過程中，氘燈發(fā)射的光束經(jīng)準直透鏡進入長度為40cm的實驗氣室，出射光經(jīng)會聚透鏡聚焦并由傳輸光纖進入光譜儀進行數(shù)據(jù)采集。

配氣系統(tǒng)由氣瓶、真空泵、氣體混合室、質(zhì)量流量計以及壓力表等組成。標準濃度的NO氣體和高純度N2氣體由高精度的質(zhì)量流量計控制，按一定比例進入氣體混合室進行充分預混后通入實驗氣室內(nèi)進行測量，最終排入廢氣處理裝置。本次實驗配制的NO氣體濃度為200mL/m3，并控制氣體壓強為一個大氣壓。實驗室配有空調(diào)及吸塵裝置，實驗系統(tǒng)配有壓力表及溫度計，保證實驗在常溫、常壓、無塵情況下完成，確保了測量的準確性。

3測量結果及分析

具體測量過程如下：

(1)打開光譜儀進行一段時間預熱，確保光譜不會因溫度的改變發(fā)生漂移和拉伸，并用汞燈對光譜儀的波長進行校對。

(2)關閉光源或封閉光路，記錄系統(tǒng)暗電流強度，消除暗背景對測量精確度的影響。

(3)用真空泵將封閉氣室抽空，打開光源，預熱一段時間后記錄光強，將減去暗背景的光譜記錄為實驗參考光譜I0。

(4)通過控制質(zhì)量流量計，向氣體混合室內(nèi)按一定比例通入標準濃度的待測氣體及高純氮氣，充分混合后進入測量氣室至一個大氣壓。

(5)記錄減去暗背景的實驗光譜I，同時記錄待測氣體分壓和實驗溫度，將所需參數(shù)代入(15)式進行計算。

將實驗室條件下得到的光譜及相關數(shù)據(jù)代入(15)式，得到了NO氣體在紫外190～370nm波段的吸收截面。如圖3所示，可以看出在200-230nm波段有較好的吸收結構，并且有三個明顯的吸收峰。

圖3　NO吸收截面圖

實際上，直接測量得到的光譜并非純凈的光譜，其中還摻雜多種因素的影響，需要先對測得的光譜進行相應的數(shù)學處理，然后再進行計算得到吸收截面[9]。影響光譜測量的主要因素有：水蒸氣及其他氣體的吸收、各種光學元件造成的折射和光強衰減、顆粒物和氣溶膠造成的Mie散射、空氣分子造成的Rayleigh散射消光等[10]。其中，Mie散射和Rayleigh散射等因素引起的光譜隨波長的變化為慢變(低頻)部分，可等效為一個吸收截面σ1；NO氣體分子差分吸收引起的光譜隨波長的變化為快變(高頻)部分，記為吸收截面σ2，則式(11)可改寫為：

(16)

圖4　200～230 nm波段的吸收截面

為了消除各種干擾因素對測量光譜的影響，對D(λ)進行了5次多項式擬合，得到的擬合曲線可認為是光譜D(λ)中的慢變部分[11]。將光譜信息中的慢變部分分離出去以后，計算并得到了所需的快變部分，即NO氣體吸收截面。圖4為經(jīng)過多項式擬合后處理得到的200-230nm波段的吸收截面。在反演NO氣體濃度時，需要選取具有明顯吸收特性的波段，以避免增加信息量少的譜線影響反演精度。如圖5所示，參考國內(nèi)其他學者對NO氣體吸收結構的研究[12-14]可以看出，實驗得到的吸收截面具有更好的光譜分辨率和峰谷吸收結構，可以較好地提高氣體反演的精度。

圖5　論文中的NO吸收截面

4結論

利用高分辨率光譜儀測得了NO氣體在紫外190～370nm波段的吸收截面。通過實驗結果可以看出，可用于反演的吸收光譜帶主要位于200～230nm波段，吸收波譜帶具有明顯的峰谷特性，峰谷間隔約為1nm。其中，在205nm、215nm和226nm處有明顯的特征吸收峰，三個波峰間隔約為10nm，峰谷差可達20×10-19cm2左右。該波段光譜結構明顯，分辨率較高，適用于差分吸收原理，可以用于對未知濃度的NO氣體的濃度反演。

200～230nm波段NO吸收截面可以分解為快變部分和慢變部分，要得到精度更高的吸收截面，需要對光譜進行預處理后再進行計算。考慮到Mie散射和Rayleigh散射等因素的影響，對實驗采集到的光譜進行5次多項式擬合，去除了低頻部分，提取了因NO氣體的差分吸收引起的光譜變化信息(快變部分)，提高了吸收截面的測量精度，獲得了較為“純凈”的NO紫外波段的吸收截面。本次實驗得到的結果可以用于對未知濃度的NO氣體進行濃度反演，為進一步研究DOAS技術提供實驗基礎和理論依據(jù)。

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Measurement of the Ultraviolet Differential Absorption Cross Section of Nitric Oxide

FENGRui，LIYonghua

(SchoolofEnergyPowerandMechanicalEngineering,NorthChinaElectricPowerUniversity,Baoding071003,China)

Abstract：As the main factor affecting the precision of the differential optical absorption spectrometry (DOAS), the absorption cross section is measured by a spectrometer with the resolution 0.1nm, a deuterium lamp and a self-fabricated closed sample cell, and the measurement theory is studied. The absorption cross section is decomposed into fast and slowly varying parts, and the results are modified by the method of polynomial fitting. The absorption cross section of NO gas in 200-230nm ultraviolet band is obtained. The results indicate that the absorption cross section obtained by the high resolution spectrometer and closed measurement system has better absorption characteristics compared with the traditional measurement method. Measurement accuracy can be improved by using polynomial fitting method.

Keywords：differential optical absorption spectroscopy；absorption cross section；nitric oxide；polynomial fitting method

收稿日期：2016-03-18。

基金項目：國家自然科學基金(51276064)。

作者簡介：馮銳(1991-)，男，碩士研究生，研究方向為潔凈煤發(fā)電技術，E-mail：459767710@qq.com。

中圖分類號:X511

文獻標識碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2016.05.010