第七章-物质成分分析课件.ppt

1、氧含量测量氧含量测量7.1色谱法测量气体成分色谱法测量气体成分7.2红外光谱法测量气体成分红外光谱法测量气体成分7.3化学发光法测量氮氧化物浓度化学发光法测量氮氧化物浓度7.4第第7章章 物质成分分析物质成分分析7.1 氧含量测量氧含量测量实际供应空气量与理论必需空气量的比值实际供应空气量与理论必需空气量的比值过剩空气系数过剩空气系数过剩空气系数增大，烟气中含氧量增加；过剩空气系数增大，烟气中含氧量增加；过剩空气系数减小，烟气中含氧量减少；过剩空气系数减小，烟气中含氧量减少；过剩空气系数与烟气中的含氧量的关系：过剩空气系数与烟气中的含氧量的关系：7.1 氧含量测量氧含量测量 用于连续测量工业锅

2、炉或加热炉燃烧过程中排放气用于连续测量工业锅炉或加热炉燃烧过程中排放气体的氧含量的设备，适用于燃烧过程的监测和控制。体的氧含量的设备，适用于燃烧过程的监测和控制。氧含量分析仪氧含量分析仪种类种类磁式氧分析仪（热磁式、磁力式）磁式氧分析仪（热磁式、磁力式）氧化锆管分析仪氧化锆管分析仪7.1.1 磁式氧分析仪磁式氧分析仪基于氧的磁化率远大于其他气体磁化率这一物理现象基于氧的磁化率远大于其他气体磁化率这一物理现象来测量混合气体中氧含量的。来测量混合气体中氧含量的。1 1、测量基本原理、测量基本原理HM磁化率磁化率-表征磁介质属性的物理量。表征磁介质属性的物理量。物质在外磁场中，会被磁化并感生一附加磁

3、场，此物质因磁化物质在外磁场中，会被磁化并感生一附加磁场，此物质因磁化而激发出来的磁场强度而激发出来的磁场强度M M与外加的激发磁场强度与外加的激发磁场强度H H满足：满足：)(0MHB7.1.1 磁式氧分析仪磁式氧分析仪1 1、测量基本原理、测量基本原理HHHB00)1()(r0r)1(令HB0r-真空磁导率真空磁导率-介质的相对磁导率介质的相对磁导率-磁导率磁导率-磁化率磁化率7.1.1 磁式氧分析仪磁式氧分析仪1 1、测量基本原理、测量基本原理表表7-17-1可知，除可知，除NONO外，氧气的磁化率较其他气体高很外，氧气的磁化率较其他气体高很多，因此可以用磁化率来分析混合气体中氧气含量多

4、，因此可以用磁化率来分析混合气体中氧气含量7.1.1 磁式氧分析仪磁式氧分析仪1 1、测量基本原理、测量基本原理niii1多组分混合气体磁化率多组分混合气体磁化率-混合气体磁化率混合气体磁化率i-某组分气体磁化率某组分气体磁化率i-某组分百分含量某组分百分含量当混合气体中一种气体磁化率很高，其他气体的磁化率当混合气体中一种气体磁化率很高，其他气体的磁化率取一个平均值取一个平均值e7.1.1 磁式氧分析仪磁式氧分析仪1 1、测量基本原理、测量基本原理1111111)(1eee11e-磁化率很高的气体的磁化率磁化率很高的气体的磁化率-磁化率很高的气体的组分百分含量磁化率很高的气体的组分百分含量-低

5、磁化率气体的假定平均值低磁化率气体的假定平均值假设混合气体中磁化率很高的组分为氧气，其他气体的磁假设混合气体中磁化率很高的组分为氧气，其他气体的磁化率相对太小化率相对太小7.1.1 磁式氧分析仪磁式氧分析仪1 1、测量基本原理、测量基本原理11 只要能测出混合气体的磁化率，就可以知道氧气的百只要能测出混合气体的磁化率，就可以知道氧气的百分含量，磁式氧分析仪的基本原理。分含量，磁式氧分析仪的基本原理。顺磁性气体介质，当温度升高时，磁化率下降；顺磁性气体介质，当温度升高时，磁化率下降；顺磁性介质在磁场中受到吸引力；顺磁性介质在磁场中受到吸引力；逆磁性介质则受到排斥力；逆磁性介质则受到排斥力；7.1

6、.2 氧化锆氧分析仪氧化锆氧分析仪1 1、工作原理、工作原理 氧化锆固体电解质导电机理氧化锆固体电解质导电机理电解质溶液依靠离子导电。某些固体也具有离子导电性质。电解质溶液依靠离子导电。某些固体也具有离子导电性质。n 固体电解质固体电解质-具有某种离子导电性质的固体物具有某种离子导电性质的固体物质。固体电解质是离子晶体结构，温度越高，导电质。固体电解质是离子晶体结构，温度越高，导电性能越强。性能越强。n 氧离子固体电解质氧离子固体电解质-能传导氧离子的固体电解质。能传导氧离子的固体电解质。基于氧化锆浓差电池所形成的氧浓度差电动势随氧浓基于氧化锆浓差电池所形成的氧浓度差电动势随氧浓度变化的原理进

7、行测量的。度变化的原理进行测量的。7.1.2 氧化锆氧分析仪氧化锆氧分析仪1 1、工作原理、工作原理氧化锆是一种固体电解质。纯氧化锆基本上不导电，但参氧化锆是一种固体电解质。纯氧化锆基本上不导电，但参杂一些氧化钙、氧化钇等稀土元素后，具有高温导电性。杂一些氧化钙、氧化钇等稀土元素后，具有高温导电性。7.1.2 氧化锆氧分析仪氧化锆氧分析仪假设右侧为被测气体（烟气），氧分压假设右侧为被测气体（烟气），氧分压p p1 1,氧浓度为氧浓度为 1 1，左左侧参比气体（如空气）氧分压为侧参比气体（如空气）氧分压为p p2 2,氧浓度为氧浓度为 2,2,浓差电势：浓差电势：负极，氧化反应）正极，还原反应）

8、(42(242222eOOOeO(负极负极)Pt,O)Pt,O2 2(分压分压p p1 1)ZrOZrO2 2,CaO,CaO)O O2 2(分压分压p p2 2),Pt(),Pt(正极）正极）方程Nernst ln12ppFnTRE7.1.2 氧化锆氧分析仪氧化锆氧分析仪 /ln12PpPpFnTRE若被测气体与参比气体的总压为若被测气体与参比气体的总压为P P ln12FnTRE方程Nernst ln12ppFnTRE可知，当参比气体和温度一定时，电势是待测气体的氧百分含量可知，当参比气体和温度一定时，电势是待测气体的氧百分含量的函数，只要测出电势的函数，只要测出电势E,E,即可得到氧浓度

9、的值。即可得到氧浓度的值。7.1.2 氧化锆氧分析仪氧化锆氧分析仪7.1.2 氧化锆氧分析仪氧化锆氧分析仪7.2 色谱法测量气体成分色谱法测量气体成分 色谱技术的实质是流动相与固定相作相对运动时，色谱技术的实质是流动相与固定相作相对运动时，由于流动相中被分离的不同物质受到固定相的吸附和由于流动相中被分离的不同物质受到固定相的吸附和溶解等作用的不同而得到分离的过程。溶解等作用的不同而得到分离的过程。7.2 色谱法测量气体成分色谱法测量气体成分1 1、分类、分类两相状态：气相色谱和液相色谱两相状态：气相色谱和液相色谱固定相的固定方式：柱色谱、纸色谱、和薄膜色谱固定相的固定方式：柱色谱、纸色谱、和薄

10、膜色谱分离原理：吸附色谱、分配色谱、排阻色谱。分离原理：吸附色谱、分配色谱、排阻色谱。u气相色谱法气相色谱法流动相为气体流动相为气体u 气固色谱气固色谱固定相为固体固定相为固体u 气液色谱气液色谱固定相为液体固定相为液体u液相色谱法液相色谱法流动相为液体流动相为液体7.2 色谱法测量气体成分色谱法测量气体成分基本工作原理：基本工作原理：根据不同物质在根据不同物质在固定相固定相和和流动相流动相所构成的体系，即色谱柱中具所构成的体系，即色谱柱中具有不同的有不同的分配系数分配系数而进行分离。被分析的试样由载气带入色谱柱，而进行分离。被分析的试样由载气带入色谱柱，色谱柱内有固体吸附剂或固定液，对不同的

11、气体有不同的吸附能力色谱柱内有固体吸附剂或固定液，对不同的气体有不同的吸附能力或溶解能力，但对载气的吸附能力要比样品组分弱得多。由于样品或溶解能力，但对载气的吸附能力要比样品组分弱得多。由于样品各组分在固定相上各组分在固定相上吸附或溶解能力的不同吸附或溶解能力的不同，被载气带出的，被载气带出的先后次序先后次序也就不同，从而实现了各组分的分离也就不同，从而实现了各组分的分离。先后流出的不同组分经。先后流出的不同组分经检测检测器检测和相关信号处理器检测和相关信号处理后得到结果。后得到结果。色谱分析仪器包括色谱分析仪器包括分离和分析分离和分析两个技术环节。两个技术环节。7.2 色谱法测量气体成分色谱

12、法测量气体成分msiCCK基本工作原理：基本工作原理：分配系数：分配系数：Ki为组分为组分i的分配系数，的分配系数，Cs为组分为组分i在固定相中的浓度，在固定相中的浓度，Cm为组分为组分i在流动相中的浓度。在流动相中的浓度。分配系数越大的组分在固定相中的浓度越大，停留时分配系数越大的组分在固定相中的浓度越大，停留时间较长，越晚流出色谱柱；间较长，越晚流出色谱柱；分配系数越小，越早流出色谱柱。分配系数越小，越早流出色谱柱。7.2 色谱法测量气体成分色谱法测量气体成分根据色谱峰的峰高根据色谱峰的峰高和峰面积的大小即和峰面积的大小即可求出组分的百分可求出组分的百分含量含量A A、B B同时进入色谱柱

13、同时进入色谱柱7.3 红外色谱法测量气体成分红外色谱法测量气体成分 红外线是电磁波的一种，波长范围红外线是电磁波的一种，波长范围0.76-10000.76-1000 m m。在燃气或排放气体所含的主要成分中，除同原子的在燃气或排放气体所含的主要成分中，除同原子的双原子气体（双原子气体（H2，N2，O2等）外，其他非对称分子气等）外，其他非对称分子气体如体如CO,CO2，H2O,NO,CnHm等，在红外光区均有特等，在红外光区均有特定的吸收带。这种特定的吸收带对于某一种分子是确定的吸收带。这种特定的吸收带对于某一种分子是确定的、标准的。定的、标准的。7.3 红外色谱法测量气体成分红外色谱法测量气

14、体成分1 1、基本原理、基本原理根据特定的吸收带可以鉴别分子的种类。根据特定的吸收带可以鉴别分子的种类。定量分析定量分析-利用光能吸收与组分浓度之间的关系利用光能吸收与组分浓度之间的关系定性分析定性分析-根据某物质吸收了哪些波长的光辐射，根据某物质吸收了哪些波长的光辐射，就可以判断是什么物质。就可以判断是什么物质。7.3 红外色谱法测量气体成分红外色谱法测量气体成分1 1、基本原理、基本原理根据特定的吸收带可以鉴别分子的种类。根据特定的吸收带可以鉴别分子的种类。定量分析定量分析-利用光能吸收与组分浓度之间的关系利用光能吸收与组分浓度之间的关系定性分析定性分析-根据某物质吸收了哪些波长的光辐射，

15、根据某物质吸收了哪些波长的光辐射，就可以判断是什么物质。就可以判断是什么物质。7.3 红外色谱法测量气体成分红外色谱法测量气体成分2 2、理论基础、理论基础-朗伯朗伯-比尔定律比尔定律强度为强度为I I0 0的单色光平行经过一定厚度的介质时强度变的单色光平行经过一定厚度的介质时强度变为为I I，透光度，透光度T T透光度透光度0/IIT 吸光度吸光度IITA0lg1lgA A值越大，表明物质对光的吸收程度越大。值越大，表明物质对光的吸收程度越大。7.3 红外色谱法测量气体成分红外色谱法测量气体成分适用于任何非散射的均匀介质适用于任何非散射的均匀介质bKA1朗伯定律朗伯定律：当用适当波长的单色光

16、照射一固定浓度的介质：当用适当波长的单色光照射一固定浓度的介质时，其吸光度与透过的介质层厚度成正比时，其吸光度与透过的介质层厚度成正比K K为比例系数；为比例系数；b b为介质层厚度为介质层厚度比尔定律比尔定律：当用一适当波长的单色光照射厚度一定得均匀：当用一适当波长的单色光照射厚度一定得均匀介质时，吸光度与浓度成正比。介质时，吸光度与浓度成正比。cKA2K K2 2为比例系数，为比例系数，c c为物质浓度为物质浓度7.3 红外色谱法测量气体成分红外色谱法测量气体成分吸光度吸光度A A仅与仅与K K、b b和和c c有关，当有关，当K K、b b一定时，吸光度仅一定时，吸光度仅与与c c有关且

17、具有线性关系。有关且具有线性关系。bcKA朗伯比尔定律朗伯比尔定律：当介质的浓度和介质厚度均可变时，它们：当介质的浓度和介质厚度均可变时，它们都会影响吸光度的数值。都会影响吸光度的数值。K K为比例系数；为比例系数；7.4 化学发光法测量氮氧化物浓度化学发光法测量氮氧化物浓度nNOx是是NO与与NO2的总称。的总称。n一般内燃机排气中的一般内燃机排气中的NOx，NO占占95%，NO2占占5%。n在内燃机燃烧过程中，燃烧室内温度越高，高温持续时在内燃机燃烧过程中，燃烧室内温度越高，高温持续时间越久，混合气中间越久，混合气中O2含量越高，排气中的含量越高，排气中的NOx浓度越高。浓度越高。nNO2

18、会溶于冷凝水，生成硝酸，腐蚀设备，吸附于管壁，会溶于冷凝水，生成硝酸，腐蚀设备，吸附于管壁，造成测量误差。故取样测量系统需加热，保持在水的凝点造成测量误差。故取样测量系统需加热，保持在水的凝点之上。之上。(一一)污染来源污染来源微生物分解含氮有机物；雷电；火山爆发；森微生物分解含氮有机物；雷电；火山爆发；森林火灾等。林火灾等。、石油、天然气等、石油、天然气等燃料燃烧燃料燃烧;机动车尾气机动车尾气；化学化工等。化学化工等。健康危害健康危害 NOx中中NO和和NO2的毒性较强的毒性较强，而，而NO2的毒性是的毒性是NO的的45倍，倍，主要对机体的主要对机体的呼吸系统呼吸系统产生产生急性或慢性急性或

19、慢性的不良影响。的不良影响。NO2作用于深部呼吸道，对肺组织产生强烈作用于深部呼吸道，对肺组织产生强烈刺激和腐蚀作用刺激和腐蚀作用；亚；亚硝酸根与血红蛋白结合生成高铁血红蛋白，致组织缺氧。硝酸根与血红蛋白结合生成高铁血红蛋白，致组织缺氧。长期暴露可引起长期暴露可引起肺水肿、支气管炎等肺部疾病肺水肿、支气管炎等肺部疾病，与支气管哮喘的发病，与支气管哮喘的发病也有一定的关系，而且它对心、肝、肾以及造血组织等均有影响。也有一定的关系，而且它对心、肝、肾以及造血组织等均有影响。NO高铁血红蛋白症，中枢神经系统损害。高铁血红蛋白症，中枢神经系统损害。SO2水溶性的刺激性，上呼吸道和支气管粘膜的富水水溶性

20、的刺激性，上呼吸道和支气管粘膜的富水性粘液所吸收。性粘液所吸收。NOx参与形成光化学烟雾、酸雨、破坏臭氧层，危害人参与形成光化学烟雾、酸雨、破坏臭氧层，危害人类健康。类健康。7.3 红外色谱法测量气体成分红外色谱法测量气体成分Nox的检测方法的检测方法1、酸萘乙二胺比色法、酸萘乙二胺比色法2、渍滤纸采样盐酸乙二胺比色法、渍滤纸采样盐酸乙二胺比色法7.3 红外色谱法测量气体成分红外色谱法测量气体成分7.3 红外色谱法测量气体成分红外色谱法测量气体成分3、激光诱导荧光法、激光诱导荧光法 用特定波长的激光束，激发用特定波长的激光束，激发NO2(或或NO)分子到较高分子到较高能级，处于高能级的能级，处

21、于高能级的NO2*(或或NO*)跃迁回基态时会以光子跃迁回基态时会以光子发射的形式释放能量。发射的形式释放能量。其光子发射时间延迟很短其光子发射时间延迟很短-荧光。荧光。荧光强度与其浓度成正比。荧光强度与其浓度成正比。利用光电转换器吸收荧光产生的光电流，光电流的大利用光电转换器吸收荧光产生的光电流，光电流的大小与小与NO2(或或NO)浓度呈线性，可由光电流强度判定其浓浓度呈线性，可由光电流强度判定其浓度。度。7.3 红外色谱法测量气体成分红外色谱法测量气体成分4、化学发光法、化学发光法n化学发光法（化学发光法（CLDCLD，Chemiluminescent Detector)Chemilumi

22、nescent Detector)是是NONO和和O O3 3反应生成激发态的二氧化氮反应生成激发态的二氧化氮NO2*,当当NO2*跃迁回跃迁回基态时放出光子，光强与基态时放出光子，光强与NONO浓度成正比。光电转换器吸浓度成正比。光电转换器吸收光子产生光电流，光电流强度与收光子产生光电流，光电流强度与NONO浓度成线性关系。浓度成线性关系。原则上仅能测量原则上仅能测量NONO的浓度，可将的浓度，可将NONO2 2转化为转化为NONO后再测量，后再测量，得到得到NONOX X的浓度。的浓度。7.3 红外色谱法测量气体成分红外色谱法测量气体成分hvNONOONOONO2*2*322 NONO的发

23、光机理的发光机理 NO与与O3在反应室中将发生化学反应。反应中的过剩在反应室中将发生化学反应。反应中的过剩能量促成了激发态能量促成了激发态NO2*分子的产生。激发态分子的产生。激发态NO2*分子在分子在跃迁到基态而趋于稳定时，发射波长范围为跃迁到基态而趋于稳定时，发射波长范围为6003000nm 的光子（的光子（hv)近红外线，这种化学发光的反应机理可近红外线，这种化学发光的反应机理可描述为：描述为：7.3 红外色谱法测量气体成分红外色谱法测量气体成分NONO的发光机理的发光机理反应体系的发光强度反应体系的发光强度I与与NO和和O3的浓度成正比。的浓度成正比。3ONOkI当当O3的浓度充分大以至可以忽略反应过程中其浓的浓度充分大以至可以忽略反应过程中其浓度的变化时，度的变化时，NOKI7.3 红外色谱法测量气体成分红外色谱法测量气体成分NONO2 2转化为转化为NONO的方法的方法1）金属还原法）金属还原法 o3 333152OMNOMoNO2）光照分解法）光照分解法 2 222ONONO 光照光源波长光源波长350nm左右，可用氟化氮激光器或高压弧光氮灯左右，可用氟化氮激光器或高压弧光氮灯对光源选择要求高对光源选择要求高祝大家运动会取得好成绩！祝大家运动会取得好成绩！祝大家实习愉快！祝大家实习愉快！