6.24--环境污染监测的光学和光谱学技术.docx

环境污染监测的光学和光谱学技术摘 要:现阶段，环境污染问题已得到全球范围的高度重视。具备操作性简单、遥控性可控、时效分析辨别强、动静态范围广、选择性能多样的光学和光谱学技术得到了科学家广泛的研究和大众的兴趣。文章通过对不同光源：激光、可见光、红外光的光学和光谱学方式性能分析及对差分光学吸收光谱技术、可调谐二极管激光吸收光谱学技术、差分吸收激光雷达技术、激光诱导荧光技术的技术方法特点分析，了解到以上技术应用在环境污染的检验测试中的作用。关键词：光学和光谱学技术、环境污染监测、污染组分环境污染问题引起人们的关注，监测污染源、控制污染途径、提高治理污染技术十分重要。传统的单点测量技术：取样试验分析技术、化学湿式技术已不能满足对环境污染有效、准确、实时的监测。而具备多波段多污染物监测，反应广阔地域污染程度，设备系统敏捷性能高、升级便捷、运作试验费用较低的光学和光谱学技术成为监测环境污染物发展趋势、污染物化学成分指标，在线实时监测的主流技术和污染监测技术的主要研究方向。1、 光谱学遥测原理根据环境中污染气体在可见光、紫外线等光谱的性质特征，演算成分浓度，运用分子与电能辐射的互相作用探测出污染物的分量及特质。通过确定发射装置与接收器的距离，待测污染气体经过光束通过在双站接收，这样的光学遥感方法运用千米进制单位确定光程，相比传统取样污染物，实验室研究的方法更具有先进性、可靠性、准确性。可见光谱区域主要吸收蒸汽分子、二氧化碳，紫外波段主要吸收氧气、臭氧。在云雾、降雨等天气条件下散射性强、水汽含量大、大气温度低会影响信号的波动及减弱，因此充分考虑分子的吸收及辐射、大气的折射变化等因素，提高光学和光谱学的遥感测量中光辐射传输的精度。2、 差分光学吸收光谱技术差分光学吸收光谱(DOAS)是上世纪80年代环境物理科学家Platt教授提出的应用于可见波段和紫外线范围内的能够监测臭氧、甲醛、二氧化硫、芳香有机物、甲苯等污染气体浓度的大气环境监测技术。DOAS利用空气分子的窄带吸收性质来鉴别污染气体成分，并根据窄带的吸收能力推算出污染粒子的浓度。国外对DOAS技术的应用已经十分广泛，技术思想先进准确度高。国内由于对污染物推演方法、DOAS技术原理及环境污染监测领域的投入限制导致了对新兴技术的应用匮乏。DOAS基于痕量污染气体分子的窄带吸收特性的检验测试。遵守Lambert-Beer吸收定律，考虑瑞利散射（Rayleigh）、米散射（Mie）的影响。 差分光学吸收光谱技术的基本思想是通过采用滤波技术将包含在可见光谱中的污染分子吸收引起的光谱波动分离出来，消除瑞利散射（Rayleigh）、米散射（Mie）等的影响。低频部分的宽带光谱由散射引起，高频部分的窄带光谱由分子吸收引起。窄带光谱会随高通滤波器的波长快速变化被分离出，运用参考光谱拟合被分离出的分子吸收光谱，计量测算出被测气体的光吸收物质浓度。 三、可调谐二极管激光吸收光谱学(TDLAS)技术激光的投射能力强、定向发光行、亮度极高、颜色极钝，使其成为大气环境监测的可靠技术。由于可调性二极管激光器的性能改造红外区测量长度的增加促进了TDLAS技术的发展。为了克服检测气体成分过程中的灵敏度降低，TDLAS技术过程中采用双频率调节制导技术和数字信号处理技术，通过对小赫兹的锯齿波与几千赫兹的振幅正弦波同时输出功率。通过探究波长调制谐波探测原理，当尾气经过非线性数学方法计算得到，从而与HITRAN数据库建立密切的换算关系，进一步通过线性函数的数学理论在特定的试验环境下计算出来，环境的压强及温湿度直接影响到待测样品的可靠数据。最后可以直接得到与光谱分辨率相差不大的吸收光谱，这样的探测原理可以直接面对复杂、重叠的光谱现象，从而得到可靠的数据。可调谐范围要经过对电流及温度的有效控制，从而促使波段的微调TDLAS的高分辨度及高灵敏度保证了其实际监测标准可以达到ppm量级以上；波长在一定范围的可调性，可以丰富分析方法的多样性，从而分析出污染环境物质的不同种类；同步测量多种污染气体，分析气体的吸收峰值精密腿上气体的成分及浓度；设备价格合理、反应速率快、构造简单等特点；以上优点都有力证明了可调谐二极管激光吸收光谱学技术成为主要污染物质成分分析和污染源在线监测的先进技术和主要研究方向。4、 差分吸收激光雷达（DIAL）技术DIAL技术在大气对流层、平流层的测量利用大气气体溶胶的米散射（Mie）后具有大区域的后向散射效果，更加高效的接受到回波强度的准确数据，得到光程距离效果达到几十公里的污染成分的分辨数据。通过两束激光于DIAL激光雷达发射出，此激光波长相近。待测气体会强力吸收其中一激光，而另一激光则没有被待测气体吸收或者吸收少量，由此，可以根据两激光的散射回波强度的不同来确定待测气体的浓度。DIAL技术先期主要应用于二氧化氮的污染成分的大气监测，但是随着雷达激光技术的大力发展，DIAL技术在不同激光器的作用下，成功有效的对红外线下的蒸汽、二氧化硫、一氧化碳、二氧化氮、Hg等污染物进行数据分析、精密测量。5、 激光诱导荧光（LIF）技术某种常温物质经过x射线的照射后会进入激发状态，这些物质会激发出比入射波长长的通常波长为可见光的不同颜色和强度的光波，但是当入射光一旦停止照射，发光现象产生的光线会立即很快的消失。具有这种物质特性的出射光线称为荧光。利用这种性能对物质进行定性分析和量性分析的方法被称之为荧光分析。荧光分析深受人们的关注和科学家的深入研究，通过高速的运营及发展，到现阶段在科学研究、医疗药品、工业技术、环境保护、农业种植和司法鉴定各个领域中得到广泛的应用，使其成为一项重要的分析鉴定、数据整理的分析方法。荧光分析一般根据荧光物质的不同选择波长不同的激发光源，常用的一般是高压汞灯、紫外灯、氙灯、LED、激光等。365nm谱线、405nm和436nm线状谱线是高压汞蒸汽灯发射的，其发出的谱线相对于单一并且强度差距很大，不能激发需求各种波长的不同物质。250700nm的连续谱线是氙弧灯发射的，但是其在某一特定区域内输出的效果不明显，达不到理想的结果。但是操作方法简便、样本选择容易、重复呈现性能优越、样本需求量少的激光诱导荧光技术在激光器快速发展的基础上代替上述两种光源，成为更加有效的精确度更高的分析技术。结语：总而言之，光学和光谱学技术的实际应用和研究分析对环境污染监测问题提供了很多切实可靠、行之有效具有先进科学依据的测量分析技术。本文介绍了目前为止在环境污染监测问题上，采取的最常用的、效果显著的和发展潜力巨大的光学技术。差分光学吸收光谱（DOAS）技术对大气层痕量气体浓度、研究北极上空的O3 漏洞研究、大气平流层的稀有气体状态、大气对流层的氮氧化物及CO2浓度提供有效的研究技术；可调谐二极管激光吸收光谱学(TDLAS)技术对甲醛、NH3、HF、氯化氢等ppb小的低浓度气体成分的分析，甲烷、一氧化碳、SOX、NOX等标准污染物灵敏监测，提供切合实际的探测技术；差分吸收激光雷达（DIAL）技术的空间状态下的高辨别度，精密测量数据的特点为三维浓度分析、气溶胶趋势线路提供严谨的科学指导；激光诱导荧光（LIF）技术成为检测灵敏度为千亿分之几的低浓度分子的可靠技术；当然，还有很多的具有精密数据分析、高灵敏测算、适应性广、成本合理的环境监测和污染跟踪治理的技术，如关联光谱技术（COSP