臭氧分析儀原理

我們知道地球大氣層上有一層臭氧層，阻擋了紫外線對地球表面生物的侵害。既然臭氧能夠吸收紫外線，同樣的也能夠利用紫外線來測定臭氧濃度，該方法已被美國等國家作為臭氧標準分析方法。臭氧檢測儀Z常用的就是紫外線吸收法的原理，用穩定的紫外燈光源產生紫外線，用光波過濾器過濾掉其它波長紫外光，只允許波長253.7nm通過。經過樣品光電傳感器，再經過臭氧吸收池后，到達采樣光電傳感器。通過樣品光電傳感器和采樣光電傳感器電信號比較，再經過數學模型的計算，就能得出臭氧濃度大小。

當然，臭氧濃度檢測除了紫外線法之外，還有其它許多方法。臭氧濃度檢測方法大致可分為“化學分析法”、“物理分析法”、“物理化學分析法”三大類

一、化學檢測法

1、比色法

比色法是根據臭氧與不同化學試劑的顯色或脫色反應程度來確定臭氧濃度的方法.按比色手段分為人工色樣比色與光度計色.此法多用于檢測水溶解臭氧濃度.

國內檢測瓶裝水臭氧溶解濃度有使用碘化鉀、鄰聯甲胺等比色液的.其方式是利用檢測樣品顯色液管相比較,確定測樣臭氧溶解度值(0.05~0.08mg/L),要求精確的,則利用分光光度計檢測.

國外利用此法做成臭氧分析儀,配制標準工具與藥品作為現場抽檢使用,很方便.如美國HACH公司、日本荏原公司的DPD(二己基對苯二胺)比色盤,范圍為0.05~2mg/L.美國HACH公司微型比色儀,利用靛藍染料脫色反應.在600nm波長比色,0.05~0.75nm/L濃度數字顯示,精度±0.01nm/L.受其它氧化劑干擾少

2、碘量法

碘量法臭氧分析儀也是常用的臭氧測量儀器之一,我國和許多國家均把此法作為測定氣體臭氧的標準方法,我國建設部發布的《臭氧發生器臭氧濃度、產量、電耗的測量》標準CJ/T3028.2-94中即規定使用碘量法.

其原理為強氧化劑臭氧(O3)與碘化鉀(KI)水溶液反應生成游離碘(I2).臭氧還原為氧氣.

反應式為：O3 2KI H2O→O2 I2 2KOH

游離碘顯色,依在水中濃度由低至高呈淺黃至深紅色.

利用硫代硫酸鈉(NaS2O3)標準液滴定,游離碘變為碘化鈉(NaI),反應終點為完全褪色止.

反應式為：I2 2Na2S2O3→2NaI NaS4O6

兩反應式建立起O3反應量與NaS2O3消耗量的定量關系為1molO3：2molNaS2O3,

則臭氧濃度CO3計算式為：CO3=40x3x1000/1000(mg/L)

式中：CO3--臭氧濃度,mg/L;ANa--硫代硫酸鈉標準液用量,ml;B--硫代硫酸鈉標準液濃度,mol/L;V0--臭氧化氣體取樣體積,ml.

操作程序及方法參照標準CJ/T3028.2-94.

測定標準型發生器濃度很方便.臭氧化氣體積用流量計計數,NaS2O3濃度一般配制為0.100mol/L,測定精度可達±1%.

測定空氣中臭氧濃度時,應用在氣采樣器抽氣定量.為保證測定精度,NaS2O3配為0.10mol/L.

測定水溶臭氧濃度亦可用此公式計算,只是V0代表采水量,取1000ml.NaS2O3濃度為0.10mol/L.

碘量法優點為顯色直觀.不需要貴重儀器.缺點是易受其氧化劑如NO、CI2等物質的干擾,在重要檢測時應減除其它氧化物質的影響.

3、檢測管

將臭氧氧化可變化試劑浸漬在載體上,作為反應劑封裝在標準內徑的玻璃管內做成測管,使用時將檢測管兩端切斷,把抽氣器接到檢測管出氣端吸取定量臭氧氣體,臭氧濃度與檢測管內反應劑柱變色長度成正比,通過刻度值讀取濃度值.德國、日本和我國都生產臭氧檢測管,濃度范圍分為高(1000ppm)、中(10ppm)、低(3ppm)三種,用于檢測空氣臭氧濃度,適于現場應用,使用簡便,但精度低(為±15%).

二、物理方法

物理方法分析臭氧現在在國際上Z流行的是紫外線吸收法.它是利用臭氧對254nm波長的紫外線特征吸收的特性,依據比爾—郎伯(Beer-Lambert)定律制造出的分析儀器,只要選擇合適長度的吸收池,就可以檢測0.002mg/m3~5%(vol)濃度的臭氧.其線形在4~5個數量級內都很好.該法已被我國作為環境空氣中測定臭氧的標準方法(GB1/T1154348).

紫外線吸收法臭氧分析儀不但可以適用于檢測氣體中臭氧濃度,也可以檢測水中溶存的臭氧濃度.

紫外線吸收法的儀器在美國、的國、瑞士、日本都有產品.我國北京分析儀器廠于1985年引進了美國莫尼特(MONITORLABS)公司的ML-8810型紫外吸收式臭氧分析器,用于環境檢測,1992年以后又陸續擴展量程到100ppm、1000ppm.北京超能自控實驗技術研究所在1999年開發了ZX-01系列紫外線吸收式臭氧分析器,其測量范圍從0~10ppm(用于環境檢測)、0~100ppm、0~1000ppm、0~10000ppm到0~25000ppm.

1、紫外線吸收法原理

輻射被某種氣體或液體吸收是受朗伯-比爾(LambertBeer)定律控制的：

I=Ioeklc

式中Io——入射光束的強度;

I——光束穿透樣品(氣體或液體)后的強度;

l——通過樣品光程的長度;

c——樣品內吸收物質的濃度;

k——吸收物質對該光線波長的比吸收系數.

此種檢測需要對物質在已知波長下k值的精確了解.

臭氧吸收短波紫外區(200~300nm)哈特雷波段紫外光,在253.7nm處具有Z大吸收。在此波長,吸收系數值的范圍從303.9到313.2cm-1·mol-1·L(273K和760mmHg),研究者證實了該值為302.4cm-1·mol-1·L.

2、布朗-呂伯

布朗-呂伯臭氧分析儀(前聯邦德國漢堡)的工作原理.水銀燈的輻射經聚光鏡聚焦形成平行光束透過測皿照射到光線接收器上,一部分輻射光線被分光鏡折射到參比檢測用的另一光線接收器上,光強用一可變光欄調節到同一水平.兩只光線接受器接在橋式電路內,測皿吸收的光引起橋式電路的不平衡,一只伺服電機供恢復平衡用,其校正動作范圍與光吸收相符.該儀器內裝有自動零點補償.當測量空氣中臭氧時,通過一只電磁閥將惰性氣引入測皿,當檢測水中臭氧時,將標準溶液注入測皿.

三、物理化學方法

1、靛藍二磺酸鈉(簡稱IDS)分光光度法

其原理是含臭氧的氣體在有多孔玻板的吸收管中通過蘭色的IDS溶液,生成的溶液用分光廣度計在610nm處測量,通過計算得出臭氧濃度.這種方法操作比較復雜,用于檢測環境中臭氧濃度或作為基準用來標定物理方法儀器(低濃度).

IDS法也被定為國家標準用來測定環境中的臭氧濃度(GB/T15437)

2、化學發光法

該法是利用臺過量的乙烯(或NO)與臭氧發生化學發光,用光電倍增管接受發光光強來計算出臭氧的濃度.此法在上世紀七、八十年代很盛行,曾經被美國ERP列為環境檢測標準方法之一.現已被紫外法所取代.