溫室氣體在線監(jiān)測的工作原理介紹

 

光學(xué)吸收法：捕捉氣體的“指紋”光譜

 

原理核心：利用溫室氣體分子對特定波長光的選擇性吸收特性。

 

每種氣體分子都有獨(dú)特的吸收光譜（如同“分子指紋”），例如CO?對4.26μm波長的紅外光有強(qiáng)烈吸收，CH?則對3.31μm和7.66μm的紅外光敏感。在線監(jiān)測設(shè)備通過光源發(fā)射特定波長的光，當(dāng)光穿過含溫室氣體的待測氣體時(shí)，部分光被氣體吸收，光強(qiáng)的衰減程度與氣體濃度成正比（遵循朗伯-比爾定律）。

 

通過檢測光強(qiáng)變化，即可反推出氣體濃度。這類方法中，非分散紅外法（NDIR）因結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)快，被廣泛用于固定污染源（如工廠煙囪）和環(huán)境空氣的在線監(jiān)測；而傅里葉變換紅外光譜法（FTIR）則能同時(shí)監(jiān)測多種氣體，適合復(fù)雜工況。

 

激光光譜法：用激光的高特異性精準(zhǔn)測濃度

 

原理核心：以激光為光源，利用氣體分子的吸收線進(jìn)行高靈敏度檢測。

 

激光具有單色性強(qiáng)、波長可調(diào)的特點(diǎn)，可精準(zhǔn)瞄準(zhǔn)溫室氣體分子的特定吸收線（如將激光波長調(diào)至CH?的吸收峰）。當(dāng)激光穿過待測氣體時(shí)，氣體分子吸收激光能量，導(dǎo)致激光強(qiáng)度下降，其下降幅度與氣體濃度相關(guān)。

 

常見的激光光譜技術(shù)包括可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜法（TDLAS）和腔增強(qiáng)激光吸收光譜法（CELAS）。這類方法抗干擾能力強(qiáng)、檢測限低（可達(dá)ppb級），適合低濃度溫室氣體（如環(huán)境空氣中的CH?）或高純度氣體中微量雜質(zhì)的在線監(jiān)測。

 

氣相色譜法：靠分離后檢測混合氣體

 

原理核心：先將混合氣體中的不同組分分離，再逐個(gè)檢測濃度。

 

待測氣體通過采樣系統(tǒng)進(jìn)入色譜柱，柱內(nèi)的固定相（如吸附劑）會對不同溫室氣體分子產(chǎn)生不同的吸附-解吸作用，導(dǎo)致各組分在色譜柱中的保留時(shí)間不同，從而實(shí)現(xiàn)分離。分離后的氣體依次進(jìn)入檢測器（如火焰離子化檢測器FID用于檢測CH?，熱導(dǎo)檢測器TCD用于檢測CO?），檢測器根據(jù)氣體與特定試劑的反應(yīng)（如FID中CH?燃燒產(chǎn)生離子流）產(chǎn)生電信號，信號強(qiáng)度與濃度成正比。

 

氣相色譜法精度高、能同時(shí)分析多種氣體，但響應(yīng)速度較慢（通常幾分鐘一次數(shù)據(jù)），適合需要高精度但無需高頻監(jiān)測的場景，如園區(qū)邊界的溫室氣體巡檢。

 

質(zhì)譜法：通過離子質(zhì)量電荷比識別氣體

 

原理核心：將氣體分子電離為離子，根據(jù)離子的質(zhì)量-電荷比（m/z）區(qū)分不同氣體并計(jì)算濃度。

 

待測氣體進(jìn)入離子源后被電離（如電子轟擊電離），產(chǎn)生的離子在電場或磁場中發(fā)生偏轉(zhuǎn)，不同質(zhì)量的離子偏轉(zhuǎn)軌跡不同，最終在檢測器上形成不同的信號峰。通過峰的位置（對應(yīng)m/z）可識別氣體種類（如CO?的m/z為44，CH?為16），峰的強(qiáng)度則反映濃度。

 

質(zhì)譜法響應(yīng)快、能同時(shí)檢測多種氣體，且無需復(fù)雜的前處理，但設(shè)備成本高、維護(hù)復(fù)雜，多用于實(shí)驗(yàn)室或特殊工業(yè)場景（如化工反應(yīng)過程中溫室氣體的實(shí)時(shí)追蹤）。

 

總結(jié)：不同原理的適用場景

 

溫室氣體在線監(jiān)測的各類技術(shù)，本質(zhì)上都是通過識別氣體分子的獨(dú)特物理化學(xué)特性來實(shí)現(xiàn)濃度測量。光學(xué)吸收法和激光光譜法以快速、實(shí)時(shí)為優(yōu)勢，主導(dǎo)在線連續(xù)監(jiān)測；氣相色譜法以高精度取勝，適合周期性檢測；質(zhì)譜法則在復(fù)雜組分分析中發(fā)揮作用。這些技術(shù)共同構(gòu)成了石油化工、電力、環(huán)保等領(lǐng)域溫室氣體排放監(jiān)控的核心手段，為減排決策提供數(shù)據(jù)支撐。