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大气压力下激光电离技术探测环境痕量苯系物实验研究

周留柱  
【摘要】: 自二十世纪五十年代以来,机动车尾气对于人类生存环境的污染日趋严重,空气质量问题已成为世界各国关心的主要问题。虽然各国对机动车尾气的排放采取了一些措施,试图改善城镇空气质量,但由于机动车辆的急剧增长,尾气对环境的污染却呈现出逐年上升之势。机动车尾气中排出的芳香类污染物——苯系物(苯、甲苯、乙苯和二甲苯,统称为BTEX)已经被确认有致癌效应。其中,苯对人类的危害最大,它是导致白血病的元凶,80%以上的苯与机动车尾气的排放有关。研究表明:如果大气中苯的含量超过4ppb(13.9μg/m~3),就可能会在一万人当中诱发一例患者。据世界卫生组织(WHO)1995年统计的结果,大约有八千万人生活在超标的苯系物环境中,因此,对机动车尾气中苯系物以及多环芳烃类有机物的实时在线监测具有重要意义。 1994年,Ulrich Boesl等利用共振多光子电离(REMPI)加飞行时间质谱(TOF-MS)技术探测出机动车尾气中含有多环芳香族等有毒物质,并将该方法称作激光质谱法。但是该方法需要一个复杂的真空测量系统。能否在大气压力下快速的探测苯系物污染物引起人们的关注,Wessel及其合作者证明了在一个大气压力下,用共振增强双光子电离(R2PI)的方法有选择地检测某些分子的可能性,它和TOF的电离原理是相同的,只是不需要真空系统,对电离信号的检测的手段也不相同。就检测的手段而言,可以用Boxcar平均器、数字记忆示波器或者静电计对电离的信号进行检测。 在多光子电离过程中,(1+1)电离(R2PI)是一种最为有效的电离方式,它是分子在吸收一个光子共振跃迁到中间激发态后,再吸收一个光子而电离。中科院安徽光机所设计的实验装置是基于共振增强双光子电离技术,采用248nm KrF准分子激光器,在大气压力下,用 静电计对电离的信号进行检测。本文实验均在此实验装置上完成的。 本论文利用共振增强双光子电离技术(RZPI),对影响人类健康的 苯系物污染物进行了研究,主要内容包括: 1.利用光强指数曲线,验证苯、甲苯和二甲苯样品气的双先子电 离。 2.作出苯、甲苯和H甲苯样品气的浓度与强度关系曲线,作为定 标标准。 3.现场采集空气污染物进行测量。 4.数据处理,得出结论。 2001年12月下旬,选取合肥市的不同地点进行采样分析。实验结 果表明:不同的时间、不同的地点,苯系物的浓度不同,其浓度为6.72 -25石4 v咖’。实验结果反映出一个总的规律:车流量大则污染严重, 车流量小则污染轻。 2002年1月下旬,在北京市车公庄西路四道口对怠速的汽车0 排气0 20-30cm)进行采气分析。实验结果表明:发动机的种类不同, 使用燃料的性质和成分不同,苯系物的浓度不同,其浓度为 14.5.43.7 vg/ffi’。另外,机动车在4hi.和热机状态下的苯系物浓度不同,冷机状 态下的苯系物的浓度较高,而热机时较低;使用催化剂的机动车苯系 物浓度较低,而未使用催化剂的机动车苯系物浓度较高。这说明在汽 车刚启动时,由于没有达到催化剂的温度,苯系物的催化转化效率较 低。 利用激光电离技术进行大气压力下的环境苯系物的探测,是一种 新的探测方法。它能快速、实时和在线测量环境苯系物的浓度,其探 测灵敏度小于 sppb,时间分辨率为 4秒,比较适合机动车道边附近的 测量。


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