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1 引言
课题研究的背景
地球上的大气是环境系统的重要组成要素之一,是维持生命所必需的物质。大气犹如一个保护性的覆盖层,它给生活在地球上的生命体以营养物,并且保护它们免受外层空间造成的有害影响,大气又是植物进行光合作用所需的二氧化碳和生命体呼吸作用的氧的源泉。大气层具有一种保护生命体的重要作用。来自外层空间的宇宙射线,穿过大气层时大部分被大气所吸收,从而使生活在地球表面的生命体免受宇宙射线之害。大气层可以将太阳发射的高能电磁辐射中波长短于300nm的紫外辐射滤掉,显著地降低了紫外光对生命组织的破坏作用。大气在保持地球热平衡方面也有着重要的作用,大气即能吸收太阳发射的红外辐射,也能把地球表层发射的红外辐射吸收掉。大气稳定的热平衡作用,使地球表面温度无巨变现象,这对生存在地球上的生物的发展和演变有着举足轻重的作用。
经常把大气的所有成分按其浓度大小分成三大类,即主要成分、微量气体、痕量气体。主要成分:其浓度在10-2量级,它们是氮气、氧气和氩气。[1]。微量成分:其浓度在1~104ppm之间,包括二氧化碳、水汽、甲烷、氦、氖、氟等。痕量成分:其浓度在1ppm以下,主要有氢气、臭氧、氙、氧化亚氮、一氧化氮、二氧化氮、氨气、二氧化硫、一化氧碳,以及气溶胶等。此外还有一些大气中本来没有而纯属人为产生的污染成分,例如:氢氟碳化物(HFCS)、全氟碳化物(PFCS)、过氧化氢(H2O2)、硝酸(HNO3)、二硫化碳(CS2)及一些自由基等。
通常情况大气的组成比例
成分
体积混合比
成分
体积混合比
氮气
-1
甲烷
110-6~310-6
氧气
-1
氧化亚氮
210-5~410-5
亚气
-3
一氧化碳
-5~110-5
二氧化碳
-4
臭氧
110-8~510-8
氖气
-6
水汽
210-6~110-3
氦气
-6
二氧化硫
310-11~310-8
由于人类活动,污染物被不断地排放到大气环境中,但是由于自然界自身的净化能力,这些污染物可以从大气中净化掉[2],由于这种排放和净化两种相反的作用,将使大气中的污染物浓度保持在一定的水平。然而,随着人类生产活动的发展,人类对自然界的破坏越来越严重,当人类排放到自然界的污染物大于其自身净化能力时,大气中的污染物浓度将会增加,由于这种现象,人类和自然界中其它生物的生存环境将会受到影响,金属将会被腐蚀,一些历史古建筑将会受到损坏,这些都是大气污染对人类社会的直接影响。除此之外,当大气中污染物的浓度达到一定程度时,由于太阳光的辐射作用,大气中将发生一系列的光化学反应,于是又会产生许多新的物质,在这个过程中,即使原来是无害的物质,比如碳氢化合物,作为光化学反应的反应物,会被变成一些对人类有害的物质。
大气污染物的种类很多,目前已认识到的空气污染物约200多种,这些污染物以分子和粒子两种形式存在于空气中。分子状污染物主要有S02、N02、CO、03、总氧化剂、卤化氢以及碳氢化合物等;粒子状污染物有TSP、IP以及重金属和多环芳烃组成的尘粒等。按其来源可以分为两类:一次污染物和二次污染物,一次污染物是由污染源直接排放到大气中,并且立即对大气造成污染,它包括颗粒物质、二氧化硫、氮氧化物、碳氢化合物和一氧化碳等;而二次污染物则是由多种一次污染物在空气中经过一系列的化学反应生成的反应产物,比如化学烟雾就属于二次污染物,在某些情况下,二次污染物对人类的危害要比一次污染物还要严重。大气环境质量的日益恶化,使得人们更加重视大气环境的治理。大气环境的治理,离不开对大气混合气体的监测!通过对混合气体的监测,就可以获得气体的浓度,进而了解一个地区的污染物分布情况,从而制定出全面合理的防治措施,有的放矢地进行工作。
在大气混合气体浓度检测技术中,按工作原理主要分为非光学分析法和光学分析法。非光学分析法包括超声波技术、气敏法、热催化法、气象色谱法、光干涉法、被动检气管法。非光学分析法在大气污染成分的检测中得到了非常广泛的应用,但由于其响应速度慢,不能对被测对象进行在线实时监测,因此应用范围受到了很大限制。在光学分析中,主要基于光谱学利用光和大气污染分子相互作用的特性来进行检测,具有大范围、多组分、连续实时监测等特点,已经成为气体浓度检测的理想工具。目前常用的光学分析方法有差分吸收光谱技术、差分吸收激光雷达技术
、可调谐激光二极管激光吸收光谱技术和傅里叶变换红外光谱技术。由于具有分辨力高、测量波段宽、灵敏度高、响应时间快等优点,傅立叶变换红外光谱(FTIR)技术成为目前气体浓度检测最为理想的手段。
然而在实际环境中,大气混合气体具