基于雙原子模型的co

基于雙原子模型的co

co是爐氣發(fā)電站排放的重要組成部分?，F場實時檢測CO氣體濃度對于鍋爐安全運行、煤粉優(yōu)化燃燒以及環(huán)境保護都有重要作用。但CO在鍋爐煙氣中的含量比較低,對其濃度的檢測較為困難。在對化合物濃度的檢測中,紅外吸收法得到了越來越廣泛的關注。許多化合物分子在紅外波段都有吸收帶,而且因物質的分子不同,吸收帶所在的波長和吸收的強弱也不相同。根據吸收帶分布的情況與吸收的強弱可以識別物質分子的類型,從而得出物質的組成及各組成成分的百分比。根據不同的目的與要求,紅外分析儀可設計成多種不同的形式,如紅外氣體分析儀、紅外分光光度計、紅外光譜儀等。本文應用紅外吸收法,根據一氧化碳在紅外波段的光譜吸收原理,利用描述紅外輻射吸收強度與待測組分濃度間關系的貝爾定律,研制了一種可在線檢測一氧化碳濃度的紅外氣體分析裝置,并給出了實驗結果。1相組成的分子紅外光譜紅外光譜是分子中基團原子間振動躍遷時吸收紅外光所產生的。為了討論的方便,在最簡單的雙原子分子中化學鍵的振動可按諧振子處理。把雙原子分子中的原子看成質量為m1和m2的兩個小球,其間的化學鍵看成是無質量的連接兩個小球的彈簧。當分子吸收紅外光時,兩個原子將在連接的軸線上做振動?？梢越柚诤硕蓙肀硎菊駝宇l率、原子質量和鍵力常數之間的關系:若用波數表示則有關系式:式中:K為鍵力常數,其含義是兩個原子由平衡位置伸長0.1nm后的回復力[10-5N/cm(dyn/cm)];μ′為折合原子質量,μ′=m1m2/(m1+m2)。為了計算方便,將式(2)化簡,原子質量用相對原子質量代替,m1=Mr1/NA,m2=Mr2/NA。其中Mr1、Mr2為相對原子質量;NA為阿伏加德羅常數。將π、c和NA的數值代入式(2),并指定將鍵力常數中的105代入。由于105NA√2πc≈1307105ΝA2πc≈1307,所以得到:～v≈1307Kμ??√(cm?1)～v≈1307Κμ(cm-1)式中:μ為折合相對原子質量,μ=Mr1Mr2Mr1+Mr2μ=Μr1Μr2Μr1+Μr2;K取鍵力常數表中去掉105剩下的前面系數部分(見表1)。上面的討論是限于將雙原子分子作為諧振子模型并用經典力學的方法加以討論的。雖然較圓滿地解釋了振動光譜的基頻吸收,但是對除基頻吸收外的一些其他吸收帶無法解釋。這是因為將微觀粒子當作經典粒子來處理,未考慮其波動性。按照量子力學的觀點,當分子吸收紅外光發(fā)生躍遷時要滿足一定的規(guī)律,即振動能級是量子化的,可能存在的能級要滿足下式:E=(V+1/2)hv式中:h為普朗克常量;v為振動頻率;V為振動量子數(0,1,2,…)。實際上,雙原子分子的勢能曲線不像簡諧振動那樣對稱,如圖1所示。圖1中虛線表示諧振子振動動能曲線,水平線代表各振動量子數V所對應得能級。在原子間振動較小時,可以近似地用諧振子模型處理,見圖1中的虛線。振幅較大時,原子間的振動已不是對稱的諧振動。勢能曲線如圖1中實線所示的拋物線。常溫下分子處于最低振動能級,此時稱為基態(tài),V=0。當分子吸收一定波長的紅外光后,它可以從基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)V=1,此過程V0→V1的躍遷產生的吸收帶較強,叫做基頻或基峰。除此之外,也會產生從基態(tài)躍遷到第二激發(fā)態(tài)甚至第三激發(fā)態(tài)的情況,這些V0→V2或V0→V3的躍遷產生的吸收帶依次減弱,叫倍頻吸收,用2v1、2v2…等依次表示。在V0、V1等不同振動能級中含有多個轉動能級,發(fā)生V0→V1振動躍遷時,可從V0不同轉動能級躍遷到V1的不同轉動能級。在一些特殊情況下,很簡單的分子圖譜中可看到其精細結構,所以紅外光譜又叫做分子振轉光譜。根據以上分析可知,許多化合物分子在紅外波段都具有一定的吸收帶,吸收帶的強弱及所在的波長范圍由分子本身的結構決定。只有當物質分子本身固有的特定的振動和轉動頻率與紅外光譜中某一波段的頻率相同時,分子才能吸收這一波段的紅外輻射能量,將吸收到的紅外輻射能轉變?yōu)榉肿拥恼駝觿幽芎娃D動動能,使分子從較低的能級躍遷到較高的能級。實際上,每一種化合物的分子并不是對紅外光譜內所有波長的輻射或任意一種波長的輻射都具有吸收能力,而是有選擇性地吸收某一個或某一組特定波段內的輻射。這個所謂的波段就是分子的特征吸收帶。氣體分子的特征吸收帶主要分布在1～25μm波長范圍內的紅外吸收區(qū)。特征吸收帶對某一種分子是確定的、標準的,如同物質指紋。通過對特征吸收帶及其吸收光譜的分析,可以鑒定識別分子的類型,這是紅外光譜分析的基本依據。2紅外輻射穿透量的確定電力工業(yè)中,為了提高鍋爐的燃燒效率,常常需要測定煙氣中CO的含量,作為控制燃燒過程的一個重要依據。在這種情況下,只需選擇真正代表混合氣體中待測組分的一個特征吸收帶,測量這個吸收帶所在的一個窄波段的紅外輻射的吸收情況,就可以得到待測組分的含量(見圖2)。對于一定波長的紅外輻射的吸收,其強度與待測組分濃度間的關系可以由貝爾定律來描述:I=I0e-k(λ)cl式中I——透射紅外輻射的強度;I0——入射紅外輻射的強度;k(λ)——待測組分對波長為λ的紅外輻射的吸收系數;c——待測組分的摩爾百分濃度;l——紅外輻射穿透過的待測組分的長度。由上式可見,當紅外輻射穿過待測組分的長度l和入射紅外輻射的強度I0一定時,由于k(λ)對某一種特定的待測組分是常數,故透過的紅外輻射強度I僅僅是待測組分摩爾百分濃度c的單值函數。通過測定透射的紅外輻射強度,可以確定待測組分的濃度。3干涉濾光片的制備設計的CO濃度檢測系統(tǒng)如圖3所示。圖中某一紅外光源產生的紅外輻射由拋物面反射鏡反射后會聚成平行的紅外光,一束通過樣品氣室,另一束通過參比氣室,然后再通過聚光器投射到紅外探測器上。聚光器與氣室之間有一塊干涉濾光片,只允許某一窄波段的紅外輻射通過,窄波段的中心波長就是選取待測組分特征吸收帶的中心波長。待測組分是煙氣中的CO含量。CO在近紅外光譜區(qū)有一以4.65μm為中心的特征吸收帶,可選擇這個帶中的一個窄波段進行紅外輻射測量。分析儀中選用的干涉濾光片,只允許中心波長為4.65μm的一個窄波段內(例如4.5～5.0μm)的紅外光通過,紅外探測器所接收的也僅僅是這個窄波段內的紅外輻射。在紅外光源與氣室中間,有一切光片,切光片是布有若干圓孔的圓盤,如圖4所示,由同步電機帶動。只要適當的安排樣品室、參比室與切光片之間的相對位置,使得紅外輻射通過切光片上的開孔進入樣品室時,切光片上未開口處恰好遮斷進入參比氣室的紅外光輻射的光路,而當切光片遮斷進入樣品氣室的紅外輻射光路時,又恰好使紅外輻射通過進入參比氣室。這樣,紅外輻射在切光片的作用下,輪流通過樣品氣室和參比氣室。紅外探測器交替地接收通過樣品氣室的紅外輻射和通過參比氣室的紅外輻射。參比氣室內封有某種不含待測組分的氣體。分析煙氣中CO含量時,參比氣室中封入N2(氮氣)。樣品氣室中通以被分析的混合氣體樣品。當被分析的混合氣體尚未進入樣品氣室時,兩氣室中均無待測組分,紅外輻射不會在選定的窄波段上被吸收,因此,紅外探測器上交替接收到的紅外輻射通量相等,探測器只有直流響應,接在其后的交流選頻放大器輸出為0。如果樣品氣室中通以含有待測組分的混合氣體,由于待測組分在其特征吸收帶上對相應波段紅外輻射有吸收作用,使通過樣品氣室的紅外輻射發(fā)生變化,這樣,通過樣品氣室和參比氣室的兩束紅外輻射的通量不相等,紅外探測器接收到的是交變的紅外輻射,交流選頻放大器輸出信號不再為0。待測組分濃度變化,輸出信號也相應隨之變化,經過適當標定,可以根據輸出信號的大小顯示待測組分百分含量。4co氣體濃度對閱讀器的信號模擬采用圖3所示的系統(tǒng)進行實驗,實驗采用的氣室長度為50cm。通入待測混合氣體后,電機帶動切光片轉動,當切光片轉速達到穩(wěn)定時,取某一時刻為0時刻,以該時刻切光片轉過的時間(10-1s)為橫坐標、包含有氣體濃度信息的信號值為縱坐標,在顯示器中得到了信號幅度隨時間而變化的圖形(曲線),曲線波形如圖5所示,待測氣體中CO濃度同顯示器縱坐標顯示的信號值之間的關系如圖6所示。由圖6可知,當CO氣體濃度較低(小于10%)時,CO濃度同顯示器顯示的信號值近似成線性關系,表現在圖中為一條直線。在相同條件下,經多次測試,信號間最大偏差小于2%,其重復性與穩(wěn)定性均良好。5co濃度測定的多次實驗嚴格地講,貝爾定律只適合于描述某一波長上紅外輻射的吸收,但紅外光源