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烟气中重金属元素的激光击穿光谱检测研究

刘林美  
【摘要】:随着可持续发展的需要和人们环境保护意识的提高,开始普遍关注大气污染的危害。如何有效控制烟气污染物的排放已逐渐成为燃烧科研中一个新兴而前沿的领域,并成为政府部门和科研机构愈来愈关注的热点。控制烟气中污染物排放的前提是对烟气中污染物含量进行实时、在线的测量。本文将激光击穿光谱技术(Laser-Induced Breakdown Spectroscopy)引入到燃烧烟气的检测之中,实现对燃烧过程中多种污染物排放的实时在线监测,这将对大气污染的防治产生积极而深远的影响。本文针对利用LIBS技术解决烟气中重金属元素实时、在线检测这一难题开展了一系列研究,主要工作如下: (1)建立一套LIBS烟气监测装置。该实验装置主要由检测系统、模拟烟气发生系统、实际烟气发生系统组成。通过对样品反应室及整台系统的集成,使得该套实验装置能实现实时在线的对烟气中Ni、Cd、Hg、Fe、Mg、Cu、Ca、Al、Pb、Sr、Ba、Na、K等十三种元素进行定性分析,为后面工作的开展奠定了基础。 (2)提高装置的检测能力。本文对提高检测灵敏度、扩展检测波长范围、有效信号处理方法等关键技术开展系统的研究,提高LIBS技术综合检测能力,满足实际烟气监测的要求。LIBS技术的信号强度与许多因素相关,除样品的性质与含量外,还与系统的技术参数相关。本文对这些参数进行了研究得到激光能量为100mJ、检测延时为500ns、检测门宽为3μs、累加次数为20次的最佳的系统参数组合。由于烟气中含量很低的有毒微粒物的检测,采用样品压缩技术来提高检测灵敏度,喷口的入口直径为24mm,出口直径为1mm,通过将大面积入口收集的样品颗粒从小面积出口喷射到激光等离子体区的办法,来相对增加被检测颗粒的含量(密度),进而提高光谱检测的灵敏度。 (3)检测装置的标定系统研究。烟气中重金属元素含量的定标比其它形式样品的定标要复杂得多。由于目前没有标准的样品来进行标定,因此本文研发设计了两套定标系统液-固转化定标系统和干式流化床定标系统,通过该定标系统产生已知浓度的样品来进行标定,制定各分析元素的定标曲线,建立各种元素用于定量分析的特征谱线的原子物理参数数据库,构建各重金属元素快速定量分析计算依据,并通过定标曲线计算获得了Ni(5.09mg/m~3)、Cd(1.00mg/m~3)、Hg(6.17mg/m~3)、Pb(60.64mg/m~3)、Sr(0.64mg/m~3)、Ba(0.83mg/m~3)等重金属元素的检测限。 这些研究结果为将LIBS技术发展成为一种实用的烟气污染检测手段奠定了技术基础。


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