典型毒害气体的FTIR吸收光谱分析.docx
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典型毒害气体的FTIR吸收光谱分析
第20卷第2期
2004年4月
中国环境监测
EnvironmentalMonitoringinChina
VOL2ONO.2
Apt.2004
典型毒害气体的FTIR吸收光谱分析
连晨舟,吕子安,徐旭常（清华大学热能工程系，北京100084）
摘要:
傅立叶变换红外（fMR）光谱技术可以对空气，生物气以及各种x.-业生产过程中的排气，废气进行实时在线监
测.但是由于废气的成分复杂，红外吸收光谱互相干扰，重叠，往往难以辨认,本文用fTrlR研究工业废气中主要物质的
红外吸收光谱特性，确定光谱分析时废气各组分的特征红外频率，分析对象包括水蒸气，一氧化碳，二氧化碳，氯气，氟
化氢，氯化氢,氟化氢，一氧化氯，二氧化氮，二氧化硫,甲醛和丙稀醛十二种物质.
关键词:
傅立叶变换红外分析仪（7以）;光谱分析;废气
中图分类号：
X831文献标识码:
A文章编号:
1002.6002（2004）02.0017.03
FTIRspectroscopicanalysisoftheexitgasinindustry
LIANChen-zhou,LUZi-an,XUXu
chang（DepartmentofThermalEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing,100084,China）Abstract:
Fouriertransfbrminfraredspectroseopy（fTrIR）canbeusedfUrthecontinuouslyon—linedetectionoftheair.bioticgasandexit
gascomponentsinindustry.Ifssometimesdifficulttoidentifythecomplexcomponentsoftheexhaustgas.sincethespectraareover—
lappedandinterfered.Inthispaper.manycommongaseousproductsinindustrywerestudiedbyFTr-IRspectroscopyandtheircharacter—
istiespectralbandsinthelRabsorptionregionsofthespectrawereidentified.Thesubjectsinvestigatedincludethefollowinggases:
H20?
CO,CO2,NH35HCl,HCN,HF,NO,NO!
?
SO!
HCHO（fbrmaldehyde）andCH!
CHCHO（acrolein）.
Keywords:
FT兀R:
spectroscopicanalysis:
exitgas随着工业的高度发展，环境问题日益受到人们的关注，空气污染已成为最突出的问题之一.长期以来，人们为了认识和研究各种气体的化学性质及其含量，采取了不同的分析检测方法，例如气相色谱法，质谱法以及比色法.然而，这些方法往往很难实现“在线”监测.
近年来，傅立叶变换红外分析仪（FTrIR）在气体分析中发挥了十分重要的作用.，在很短时间内便应用于各种气体分析和气体研究领域.目前国际上很多研究机构都已经将傅立叶变换红外分析仪（FTIR）作为工业废气的实时”在线“分析工具.它的优点在于:
⑴检测响应时间短,有利于对动态过程和瞬间变化的研究，能够在线连续分析燃烧产生的烟气;
（2）利用计算机储存和多次累加，信噪比大大提高,可以进行物质的痕量测定；（3）分辨率高,可以同时监测废气中的多种组分.1光谱分析
分析峰的选择是光谱分析成败的关键之一，应该选择那些比较孤立，受干扰较少的吸收峰进行分析.分析峰对气体混合物中的某组分来说应该是特征的,且能够灵敏地反映该组分浓度变化并较好地遵守比尔定律.当对应不同定量组分而选择两个以上的分析峰时,这些峰的强度在测量的浓度区域内应尽量保持在相同的数量级.
图1为工业废气中常见物质（水蒸气,一氧化
碳，二氧化碳，氨气，氟化氢，氯化氢,氟化氢，一氧化氮，二氧化氮，二氧化硫，甲醛和丙稀醛）的傅立叶变换红外（FTrIR）吸收光谱图.
从图1可以看出，这十二种物质的红外特征吸收峰互相干扰，因此正确选择它们的光谱分析峰显得尤为重要.
水蒸气（H0）的红外吸收谱带很宽，涵盖了
中红外光谱图范围的1/2以上，对很多物质产生干扰，大大增加了分析的难度.本文选取水分子弯曲振动产生的红外吸收峰1580—1614cm来分析.
氟化氢（HF）气体在3600—4300cm范围内出现8个红外吸收峰，分别是3788.9,3834.3,3878.4,3921.0,4001.7,4039.7,4076.0和收稿日期:
2003—05—26
基金项目:
国家973计划基金项目（2001CB409605）
作者简介:
连晨舟（1980—），男，福建仙游人，清华大学硕士研究生
中国环境监测第2（1卷第2期2004年4月COA
J
HcHOJAk
3500300025o0200015001000波数/era.
图1工业废气中常见物质的FTIR吸收光谱
4110.7em〜.氯化氢（HCI）气体在2600〜
3100em范围内也有8个明显的红外特征峰，分
另IJ是2275.4,2798.5,2821.7,2842.8,2906.7,
2925.9,2945.2和2962.1em〜.做标定时可以选择它们作为氟化氢气体和氯化氢气体的光谱分析峰.
氧化氢（HCN）的分子结构为线型，主要振动类型是C—H的弯曲振动和伸缩振动，对应的红外吸收频率范围分别为615~815em和3210〜3405em~
.但这两个红外吸收谱带又分别受水，二氧化碳以及氨气的干扰.
氧化碳（CO）在2000〜2250em范围内有
很强的光谱吸收，而二氧化碳（CO,）分子的不对称伸缩振动使得它在2250~2400em范围内也有很强的红外吸收峰.它们在2250em附近会互相干扰.
甲醛（HCHO）在980—1280em的吸收峰受到氨气的干扰,而它在2300~2400em又会受到二氧化碳的干扰，因此选择2800~3050em作为它的分析峰.
二氧化硫（SO,）在1300〜1400em和1100—1200em出现相对较宽的吸收峰,与之对应的分别是分子的不对称伸缩振动和对称伸缩振动，强度依次减弱.
表1总结了工业废气中常见物质的特征红外吸收频率以及各自的光谱分析峰.
2混合气体的光谱定量分析
由于红外光谱的谱带较多,选择的余地大，所以能方便地对单组分和多组分气体进行定量分析.红外光谱定量分析的理论基础是郎勃特.比尔（Lambert.Beer）定律.
0
=o1ODA=lgTo=sbc
其中A为吸光度;为透射辐射光通量;.
为入射辐射光通量;b为光路长度;£为摩尔吸光系数,在给定实验条件下是常数;c为物质的量浓度
当吸光度A<0.5时,比尔定律才能成立.
这是因为A>0.5时，气体对红外光的吸收已经接近或达到饱和，这个吸收峰就不再含有定量信息.
比尔定律具有加和性，对于M个组分的混合气体来说，如果每个组分都符合比尔定律,那么在任一波数i处的总吸光度如下：
M
A=Ec,（i=l,2,—,）
式中A.为第i个波数处M个组分的总吸光度.对混合气体（水蒸气，二氧化碳，一氧化碳和
氧化氮）进行定量时,VrlR气体池的温度为185oC,压力为650torr,吸收光程长0.8m,采样参数为分辨率0.5em〜,扫描方式为双面双向，扫描次数为59次.
表1工业废气中常见物质的红外吸收特征
连晨舟等:
典型毒害气体的vriR吸收光谱分析
2.1水蒸气（H:
0）定量分析
图2为浓度3%的水蒸气在1625〜1575cm上的红外吸收光谱.从图中可以看出水蒸气在
1580~1614cm范围内吸收峰的吸光度大约是0.1A,符合比尔定律.
图2H0【3%）的FTIR吸收光谱一1625—1575cm2.2二氧化碳（CO:
）定量分析
图3是标准浓度为10%二氧化碳的红外光谱.其中大多数吸收峰的吸光度都大于0.5,红外吸收接近饱和，在本文实验条件下不能用于定量分析.
300020001000
波数/er"
图3co2（10%）的FTIR吸收光谱一40oo一600cm趟
督
图4c02【10%）和H2o（3%）的
FTIR吸收光谱-800710cm
分析二氧化碳和水蒸气在710〜800cm的标准光谱（图4）,可以看出在724〜739cm-和745
768cm两个吸收频率范围内，二氧化碳的吸收光度A小于0.5,而且远大于测量噪声水平0.0001,可以用于定量计算.由于水蒸气在这两个波数范围内也有一些强度较弱的吸收峰，因此在定量分析时要考虑这一点，尤其当样品中水蒸气含量较高时需要扣除水蒸气的吸收.
2.3一氧化碳（CO）和一氧化氮（NO）定量分析图5和图6是一定标准浓度下一氧化碳和水的FTIR吸收光谱.从前面的分析知道，一氧化碳在2000〜2250cm有很强的光谱吸收，但是水蒸气在这个波数范围内也有吸收峰,尤其当水蒸气浓度较大时,其中很多峰的吸光度都大于0.05,为避开水蒸气的这些吸收峰，我们选取2165〜2181cm和2189〜2203cm进行分析，从图6可以看出标准浓度为1%的一氧化碳在这两个波数范围内的吸光度都略低于0.5,符合比尔定律.
趟
督
22002loo
波数/em，
图5CO[1%）和H2o[9.2%）的
FTIR吸收光谱一2250—2000cm波数/er"
图6CO和Ho的FTIR吸收光谱一2250—2140cm—
氧化氮在1720〜1980cm有明显的红外
吸收，但是水蒸气在这个范围内也有很强的吸收，并完全将其覆盖，如图7所示.
对比图8和图5可以看出水蒸气对一氧化氮的干扰比对一氧化碳的干扰更强.这是因为水蒸气在一氧化氮特征光谱频率范围内的吸收强度更大，而且峰与峰的间隔更窄.因此选取较窄波数范围1899〜1905cm对一氧化氮进行定量计算，0000000
趟督
1100000
趟督
20fj国环境监测第20卷第2期2004年4月
1-6
121.0
o.8
螫0.6
0?
4
0-2
0.0
图7NO（500ppm）和H2O（3%）的
FTIR吸收光谱一40o0—1000cm
图9为500ppm的一氧化氮和3%水蒸气在这个波数范围内的标准光谱.
波数/era
图8NO和H20的FTIR吸收光谱一1950—1800cm
螫
0.035
0.030
0.025
0.020
015
O1O
005
Ooo
005
190419021900
波数/em.
图9N0和H2o的FTIR吸收光谱一19os-1899cm
3结论
⑴本文研究了十二种典型毒害气体的傅立叶变换红外（FTIR）吸收光谱分析方法，并以混合气体水蒸气，二氧化碳，一氧化碳和一氧化氮为例，进行定量分析.
（2）分析峰位置处的吸光度A和物质浓度C应符台线性比尔定律，吸光度的值不大于0.5A.
（3）为了减小各组分间的互相干扰，应选择吸收系数差别大的分析峰.
（4）由于工业废气的成分复杂，种类繁多，因此在做红外光谱的定性和定量分析时尽量选择不受其他物质干扰的特征峰,较强峰作为分析峰.
参考文献：
HDuquesne?
Sophie;LeBras,Michel,11Analysisoffiregasesrele
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