机动车排放超细颗粒物在线监测技术研究进展

机动车排放的超细颗粒物是大气污染的主要来源之一,具有高的数浓度和表面积,对其进行准确在线监测是机动车排放评估与控制措施制定的重要前提。随着欧盟和中国相继在机动车排放标准中增加颗粒物粒子数量(PN)控制指标,对在线监测技术的要求也日益提高。目前,对机动车排放的超细颗粒物数量的测量主要采用扩散荷电法和凝结核粒子计数法,对其粒径谱分布的测量主要采用空气动力学和电迁移率分级方法。综述了国内外在机动车排放超细颗粒物在线监测技术方面的研究现状,重点介绍了主要发展的几种测量技术及仪器的原理、特点和应用状况,并对其未来发展进行了展望。

基于红外光谱技术的秸秆还田环境下土壤氨挥发特征分析（英文）

研究氨近红外光谱特性并建立浓度反演算法模型,重点优化相关性分析和温度修正功能.利用开放式激光吸收光谱技术建立氨区域监测系统,于2015年在安徽涡阳秸秆还田示范区开展监测实验,研究玉米和小麦种植情况下的土壤氨挥发特征.研究结果表明,氨浓度具有日变化趋势:白天浓度上升在正午达到最高值,逐步降低到夜间至最小值.夏、秋季典型小时浓度变化范围为0.6×10^(-3)~1.34×10^(-3)mmol/mol和1.14×10^(-3)~1.82×10^(-3)mmol/mol,秋季玉米和夏季小麦秸秆还田的最大氨日均浓度为4.6×10^(-4)mmol/mol和1.7×10^(-3)mmol/mol,还田一个多月后氨浓度明显上升,并存在一定季节性差异.近红外光谱技术为明晰土壤氨排放规律提供了技术支持.

非分散红外吸收光谱法空气痕量污染气体监测浓度算法

针对城市痕量污染气体检测中,所测气体浓度低、吸收弱,采用两点标定和高浓度标气定标造成吸收曲线误差增大的问题,本文提出了采用低浓度标气、多点定标的方法来获得吸收曲线的方法来建立吸收方程。该方法是基于比尔-朗伯吸收定律的吸收方程,当测量气体浓度较低时,其浓度和吸光度呈线性关系来完成。采用低浓度标气、多点定标两种方法的结合,来获得测量气体的吸收曲线。试验结果表明,有很高的测量精度。

基于OP-FTIR法监测城市交通排放CO、CO_2、N_2O和CH_4气体

介绍了在傅里叶变换红外光谱(FTIR)技术基础上发展起来的一种监测气体的新方法——开放光程傅里叶变换红外光谱(OP-FTIR)法和基于非线性最小二乘法反演气体浓度的算法。利用OP-FTIR系统对广州交通排放CO、CO2、N2O和CH4气体进行了连续监测,并对实验结果进行了分析。实验表明:广州交通排放CO、CO2、N2O和CH4气体浓度与交通流量密切相关,并具有明显的日变化周期特征。整个监测期间,CO2和CO、CH4具有较高的相关性。

基于TDLAS技术的CO在线测量平衡探测电路设计

一氧化碳（CO）是大气中分布最广和数量最多的污染物,它是不完全燃烧的产物之一,在机动车尾气和化石燃烧过程中的排放,也可能是一些材料过热时产生的分解气体,如组合电器开关中的有机绝缘材料在过热故障时产生。因此在不同应用场合进行痕量CO气体高灵敏测量具有重要意义。平衡探测光谱技术可去除激光器光源波动噪声,增大检测信号的动态范围,提高检测灵敏度。基于TDLAS技术,结合平衡探测光谱技术,设计了平衡探测电路,开展了不同CO浓度测量的实验研究,并得到测量实验系统检测下限为0.44×10^-6,其检测灵敏度比直接吸收光谱技术提高了近4.8倍。

基于脉冲宽度调制技术的水浊度探测研究

介绍了水浊度常用的测量方法-散射法、透射法及比值法的原理,在此基础上结合脉冲宽度调制(PWM)解调技术,提出了采用调制光强测量浊度的方法,并详细介绍了实验系统的组成和调制解调实现电路.采用该实验系统对福尔马肼标准液进行测量,列出了测量数据,并绘出三种方法所测浊度的拟合曲线。对实验结果的分析和比较表明使用PWM调制结合比值法能最有效地排除背景光的干扰,在保证精度的前提下提高水浊度的测量范围.

不同环境条件杂环农药三维荧光光谱发射特性研究

掌握不同环境因素下的光谱发射特性是农药准确测量的前提。以多菌灵、西维因、麦穗宁三种杂环农药为研究对象,研究了农药在不同pH值和常见阴、阳离子条件下的三维荧光光谱发射特性,并初步分析了Fe^(3+)和Cu^(2+)对三种农药的荧光猝灭机制。结果表明,多菌灵和麦穗宁均具有两个荧光峰,西维因仅有一个荧光区域,三种农药的主要荧光峰分别位于λ_(ex)/λ_(em)=280/300,310/340和280/335 nm,多菌灵和麦穗宁的次荧光峰Peak B分别位于λ_(ex)/λ_(em)=245/305 nm,λ_(ex)/λ_(em)=250/340 nm;多菌灵与麦穗宁随pH值变化表现为相似的荧光发射特征,在酸性/碱性降低时,荧光强度增大;酸性条件下西维因的荧光发射强度无明显变化,但在碱性条件下,随pH值的减小荧光强度不断增强;三种农药在pH值6.16~7.4范围内均可获得较好的荧光发射特征。水中CO_3^(2-),SO_4^(2-),NO_3^-,Cl^-,HPO_4^(2-),HCO_3^-,Mg^(2+),Zn^(2+),NH_4^+,Na^+,Ca^(2+)和K^+等12种常见离子对多菌灵,西维因和麦穗宁的荧光发射特性无明显影响。Fe^(3+)与Cu^(2+)离子通过静态荧光猝灭反应,影响三种农药的荧光发射强度。随着离子浓度的增加荧光强度不断降低,在实际测量中,需重点考虑Fe^(3+)和Cu^(2+)对测量结果的影响。该研究结果为水体杂环农药的准确测量提供了基础数据。

基于ZEMAX的气体光学吸收池的设计与优化

基于光谱吸收法的瓦斯实时监测系统的核心器件是开放式光学吸收池,根据矩阵传输理论和q参数的ABCD法则,设计了由2个相对的C-Lens组成的光学吸收池结构,并在ZEMAX的物理光学模式下实现仿真与优化。由理论分析得到结构的初步参数并在ZEMAX中进行优化,并使用合适的优化操作数对像差进行校正,经过逐步优化得到工作距离为100.39 mm的吸收池结构参数。高斯光束从一端光纤输出的束腰半经为5.2μm,经C-Lens聚焦和准直后,耦合到另一端光纤的束腰半经为5.48μm,该光学吸收池对甲烷近红外激光的耦合效率达到92%。通过实验验证了该光学吸收池的稳定性和高耦合效率,适用于甲烷气体的开放式光学气体传感和在线监测。

城市生活污水处理过程三维荧光光谱在线监测分析方法

采用三维荧光光谱(3D-EEMs)结合主成分分析(PCA)方法,将城市生活污水的三维荧光光谱分为芳香性蛋白类、微生物代谢产物、腐殖酸类和富里酸类物质四个光谱区域,判断各区域的主成分贡献率,求取各区域的第一主成分区域值,建立其与水体化学需氧量(COD)和总氮(TN)关系,研究了城市生活污水处理效果快速分析评价方法。研究结果表明,城市生活污水荧光物质主要由方香性蛋白类物质、微生物代谢产物、腐殖酸类和富里酸类物质构成,各物质的荧光区域分布不同,在污水处理过程中芳香性蛋白类物质和微生物代谢产物区域光谱变化明显,腐殖酸类和富里酸类物质区域光谱变化较小;光谱各区域第一主成分区域值与水体COD及TN之间具有良好相关性,其中芳香性蛋白类物质光谱第一主成分区域值与COD相关系数达到97.63%,芳香性蛋白类物质和微生物代谢产物第一主成分区域值之和与腐殖酸类和富里酸类物质第一主成分区域值之和的比值(Yp/Yf)与TN相关系数达到94.02%。通过将水体三维荧光光谱结合主成分分析方法,实现了对污水处理各流程的荧光光谱的信息降维提取,避免了各物质荧光峰的重叠和光谱信息冗余;通过水体中各物质的光谱特性将光谱分割为不同的物质区域,求取各区域内光谱第一主成分区域值,提高了物质识别的准确率,有效地解决了各物质光谱信息识别问题;通过利用芳香性蛋白类物质光谱第一主成分区域值和Yp/Yf与常规水质指标COD和TN作相关性分析,为污水处理监测提供了一种实时有效的监测生活污水水质状况方法,解决了污水处理流程难以实时准确监测的问题。因此,利用三维荧光光谱结合主成分分析方法可对城市生活污水处理过程进行快速判别,为污水处理过程中水质监测、工艺优化及处理效果评估提供了一种全新的快速在线监测分析方法。

持久性有机污染物荧光光谱检测技术研究进展

持久性有机污染物(POPs)种类繁多,分布范围广,对生态环境和人体健康的危害性已引起广泛关注。环境中POPs的监测分析对于污染评价、污染物修复和生产管理等有着重要的意义。基于色谱分离技术的传统检测方法具有检测限低、灵敏度高、稳定性好等优点,但也普遍存在周期长、消耗高、过程繁琐等弊端。荧光光谱分析法具有样品使用少、预处理简单、快速、无损等优势而发展迅速,国内外学者开展了大量研究工作,形成了比较完善的方法体系。介绍了我国现行环境标准中POPs的控制浓度和检测方法,综述了近年来直接/间接荧光、同步荧光扫描联用技术、化学多维校正-三维荧光光谱法和激光诱导荧光技术对POPs检测方面的应用和研究进展,重点包括土壤及水体中多环芳烃、多氯联苯、有机氯农药等,着重介绍了最新研究成果,总结了技术各自适用的情况,分析了不足与待完善之处,并针对POPs的直接荧光光谱检测技术今后的研究与应用方向提出了展望,为进一步发展POPs的荧光光谱快速检测技术提供参考。

基于激光诱导荧光的溢油厚度定量检测实验研究

海上溢油油膜厚度的定量检测是实现溢油量准确估计的重要依据和手段,为制定石油污染应急响应提供了基础数据。本文基于激光诱导荧光(LIF)的方法以柴油(0#diesel)、机油(Mobil motor oil 20w-40)、润滑油(Shell Helix 15w-40,Shell Helix 10w-40,Shell Helix 5w-40)为研究对象,重点分析了油膜厚度-荧光发射强度关系,检出限以及油膜厚度在不同水体中定量检测的准确性。结果表明:0#柴油和美孚机油20w-60的荧光光谱特征与润滑油的光谱特征有明显不同,柴油的荧光峰位于326nm其FWHM为60nm,美孚机油20w-60则具有三个荧光峰分别位于360nm/375nm/390nm其FWHM为100nm。三种润滑油(壳牌润滑油15w-40、壳牌润滑油10w-40、壳牌润滑油5w-40)的荧光光谱重叠明显,荧光峰分别位于334,344和343nm且FWHM分别为75,45和50nm。5种油膜的荧光强度均随油膜厚度的增加而增加,校正曲线的相关性分别为0.997 8,0.997 9,0.996 4,0.997 8和0.996 0,均具有较好的相关性,5种油膜检出限分别为0.03,0.02,0.02,0.03和0.05μm,0#柴油在合成海水A和B中的平均相对误差为5.04%和8.73%,平均相对标准偏差分别为4.37%和8.36%,美孚机油20w-40在合成海水A和B中的平均相对误差为7.99%和9.97%,平均相对标准偏差为4.78%和6.23%。壳牌润滑油15w-40在合成海水A和B中的平均相对误差为8.54%和13.69%,相对标准偏差为5.05%和9.08%。壳牌润滑油10w-40在合成海水A和B中的平均相对误差为6.33%和12.38%,平均相对标准偏差为2.85%和7.92%。壳牌润滑油5w-40在合成海水A和B中的平均相对误差为4.28%和11.57%,平均相对标准偏差为3.56%和7.73%。可见5种油膜在不同水体中定量检测的平均相对误差均小于14%,平均相对标准偏差均小于10%,研究结果可以实现对薄油膜的测量,为海上油膜厚度的在线监测提供了技术手段。

基于光脉冲诱导快相与弛豫荧光的光合作用参数测量技术（英文）

为了更准确获取反映植物生理状态的荧光动力学曲线,基于光合作用电子传递过程研究了植物光合作用参数测量技术。采用可变光脉冲技术将植物光合作用过程分段为快相与弛豫过程,并测量激发光诱导产生的荧光动力学曲线.对激发光带宽与响应时间进行了定量分析;对I-V转换单元与MFB滤波器进行了设计与仿真分析,获取快相荧光动力学信息;采用同步脉冲采样积分技术,对微弱弛豫荧光进行积分,实现了快相与弛豫荧光动力学曲线的完整测量,并结合非线性拟合算法获取光合作用参数.测试结果表明,系统信噪比达到23.8dB;暗适应与光适应下,本系统所测Fv/Fm与Water-PAM测量结果的线性相关系数分别达到0.980和0.997.该研究结果为植物光合作用研究及过程参数测量提供了一种测量手段.

基于MODTRAN模型使用被动傅里叶变换红外光谱技术对生物气溶胶的探测研究

利用MODTRAN模型在水平低仰角探测模式下,对生物气溶胶探测的问题进行了分析讨论.用傅里叶变换红外(FTIR)光谱技术对生物气溶胶进行探测研究.首先介绍了MODTRAN模型的大气模式和廓线,根据FTIR光谱技术对生物气溶胶的被动探测要求,利用辐射传输理论和最简单的三层模型,仿真计算得到大气背景和目标生物气溶胶之间的辐射亮度差?L,然后对?L进一步差值得到信号?2Lt,同时再结合光谱仪自身的噪声等效辐射亮度值,得到实际情况下的信号值?2Lt;最后根据探测条件和MODTRAN提供的大气模式,使用被动遥测红外光谱方法预测每种大气模式下生物气溶胶的探测限浓度.每种大气模式下探测限浓度的不同,是因为边界层温度、透过率和背景辐射亮度的不同所导致,同时还与生物气溶胶的吸收系数有关.研究表明,FTIR光谱被动遥测技术能够探测到生物气溶胶的存在,进一步说明探测生物气溶胶的可行性,也为生物气溶胶实际探测提供了一种方法.

基于变量选择技术的FTIR光谱识别算法研究

将变量选择方法中SFS、LASSO和Elastic Net三种不同方法与广义交互验证准则相结合,实现对FTIR光谱气体成分变量的初步筛选,再采用循环迭代CLS方法对初步筛选的变量中浓度小于0的成分进行循环剔除,然后根据变量在测量向量中的方向占比对选择的变量进行精选,最终得到目标气体成分。为了验证各识别算法的识别性能,分别进行了CH_4和SF_6外场排放实验,两组实验结果表明建立的识别算法应用于气体目标识别的效率高、识别准确率高,且能够识别出干扰成分H_2O。此算法为被动FTIR技术在危险气体泄露预警监测中的应用提供了方法基础。

基于STM32的光散射式扬尘在线监测仪

为了实现对扬尘质量浓度在线监测并且实时反馈颗粒物质量浓度值、采样流量和周围环境温湿度等信息,设计了基于STM32微控制器的光散射式扬尘监测仪。通过测量前向散射光反演颗粒物质量浓度,集成了温湿度传感器降低环境湿度干扰。仪器设计紧凑、质量轻、成本低。实验室结果表明该仪器与国外同类型仪器对比的统计相关性较高,相关系数可达到0.95以上,通过外场实验与β射线法对比,相关系数为0.78,测量误差低,可实现对扬尘准确的测量。

大气细颗粒物测量技术研究新进展

大气细颗粒物污染对区域环境、全球气候和人体健康均具有重要影响,因此大气细颗粒一直是污染防治的重点和难点之一。近年来,特别是我国大气污染防治计划的持续推进,大气细颗粒物污染问题已得到显著改善,同时也伴随着一系列测量技术的长足发展。本文针对大气细颗粒物数浓度、粒径分布、化学组成等物理化学参数信息,综述了近年来大气细颗粒物测量技术的发展与应用状况。对于细颗粒物数浓度测定,主要分为扩散荷电计数和凝结粒子计数两类,前者主要适用于燃烧排放场景,后者则适用于城市空气低浓度测量场景;对于细颗粒粒径测量,主要分为单颗粒粒径和整体粒径谱分析两类,单颗粒粒径多采用电子显微和光学显微方式,整体粒径谱分析主要为电迁移分级方式;对于细颗粒物组分测定,主要以气溶胶质谱与光谱分析为主。最后,面向大气颗粒物演变机制研究与智能化监测监管新需求,展望了未来大气细颗粒物将向多参数综合表征、动态过程快速测量、高性能微纳传感等方向发展。

基于LMS算法的光合作用激发参数自适应技术

主动式荧光诱导方法具有灵敏度高和不受外界光照因素等优点而被广泛应用到光合作用参数的测量,但因被测对象的吸收光谱特征存在差异性,需调整激发参数才能获得更准确的光合作用参数。为解决这一问题,依据植物光合作用电子传递过程,分析还原态初级电子受体比例激发光饱和条件,从而建立自适应参考模型,结合激发序列的递推关系和可变步长最小均方差算法对激发参数进行自适应调整,并通过对实验室培育的蛋白核小球藻进行实验对比分析。结果表明:经10次自适应过程后可将预设初始光强[8 600μmol quanta/(m2·s)]调整到最佳激发光强[34 270μmol quanta/(m2·s)],此条件下光化学量子产率(Fv/Fm)与WaterPAM结果相比误差最小;在常见藻类中,绿藻与蓝藻的最佳激发波长分别为460 nm、625 nm,而在520 nm激发时效率最低。该自适应调整算法为光合作用参数测量提供技术支撑。

便携式激光诱导击穿光谱仪测定土壤中重金属

土壤重金属污染对农作物生长和人体健康都有严重危害,现场快速检测对土壤重金属污染调查、应急监测具有重要意义。采用自主研发的土壤重金属激光诱导击穿光谱现场快速检测仪对矿区周边土壤进行现场检测分析,以835个不同基质土壤的光谱数据建立定标数据库,通过支持向量机建立回归模型对土壤重金属元素含量进行定量反演。现场检测获取的全波段光谱波动在15%以内,Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn等6种元素光谱强度相对标准偏差平均值为6.31%。将检测结果与实验室电感耦合等离子体质谱法分析对比,6种元素的皮尔逊相关系数r在0.8501~0.9829,检测结果80%以上处于±30%相对误差区间分布。对比结果表明自主研发的土壤重金属激光诱导击穿光谱现场检测仪可以满足现场快速检测需求。

粒径对土壤石油烃荧光特性影响及校正方法研究

采用紫外诱导荧光技术对土壤中石油烃污染物进行检测时,不同粒径土壤会对测量带来较大误差,为了消除土壤粒径(soil particle size,PS)对测量带来的影响,配制3种不同粒径的常见的土壤石油烃污染物(土壤原油、土壤柴油、土壤汽油)样本,搭建紫外诱导荧光检测系统,研究了不同粒径下各类土壤石油烃污染物的荧光特性,构建了土壤石油烃粒径校正方法。结果表明,对于土壤原油、土壤柴油和土壤汽油样本,当样本浓度为4、4和10 g·kg^(-1)时,各类型土壤油类样本的荧光信号与粒径具有良好的线性相关性,相关系数R^(2)分别达到了0.9989、0.9686和0.9045。通过土壤颗粒物吸附模型,对实验结果进行解释分析,建立土壤粒径校正方法,对各类型土壤石油烃样本在不同粒径下的荧光信号进行校正;粒径校正前后3种类型的土壤石油烃荧光强度与浓度的相关系数R^(2)分别由校正前的0.3265、0.0047、0.3298上升到校正后的0.9838、0.9832、0.9533,浓度反演的相对误差(RE)分别为11.02%、5.71%、10.19%。建立的土壤粒径校正方法可以有效地降低土壤粒径对土壤石油烃类污染物荧光强度的影响,为采用紫外诱导荧光技术快速、原位、准确的检测土壤石油烃类污染物提供了理论依据和技术支持。

基于电沉积富集-LIBS的水中Cd元素高灵敏稳定测量研究

针对水体痕量Cd元素的高灵敏稳定检测,基于Al片电沉积富集(ED)结合激光诱导击穿光谱(LIBS)检测的ED-LIBS水中Cd分析方法,实验研究了富集时间、富集电压、导电溶质KCl浓度以及电极表面砂纸打磨对Cd元素富集结果的影响。结果表明,经砂纸打磨Al片电沉积富集后,Cd元素富集稳定性得到提升,同时优化确定的富集电压、富集时间和KCl浓度分别为−2.4 V、1200 s和2 g/L。利用该方法,Cd元素检测限和相对标准偏差分别为0.0021 mg/L和3.30%,满足《生活饮用水卫生标准》指标检测需求,为水体中痕量Cd元素的高灵敏稳定分析提供了有力的检测手段。