基于差分吸收光谱技术的VOCs苯系物在线监测研究

摘要

苯系物（苯、甲苯、二甲苯等）分布十分广泛，主要来源于印刷业、玻璃制造厂、燃煤电厂以及汽车尾气的排放。苯系物具有低浓度、高毒性的特点，被形象的称之为“影子杀手”，是光化学污染与二次气溶胶的重要前体物。“十三五”期间，我国相继颁布了《挥发性有机化合物排污收费办法》，各省份也相继出台了减排苯系物的措施，因此针对苯系物的快速实时在线监测技术的研究具有重要意义。 本文利用紫外差分吸收光谱技术对苯、甲苯、二甲苯以及苯系物混合物同时监测做了相关的研究。论文的主要包括以下研究内容：（1）搭建了实验平台，研发完成了一套用于制备标准苯系物混合气体的装置，通过实验验证了该系统的可行性。（2）对实验系统相关设备做了介绍，主要包括气路部分和光路部分设备的性能和结构。（3）针对采集到的谱线中存在的外界噪声干扰问题，分别采用了平滑滤波和小波变换滤波方法去除噪声，通过两种评价方法确定了小波变换更能保持信号的特征结构。（4）通过实验获取了吸收截面并与HITRAN数据库当中的标准吸收截面做了对比，通过反演结果得到实验获取的吸收截面更加适合实际环境条件下的浓度测量。（5）对光谱中慢变部分的处理分别比较了二项式系数滤波、多项式拟合和Savitzky—Golay 滤波等方法，通过纵向比较三种方法去除慢变部分的效果得到Savitzky—Golay滤波方法得到的浓度反演精度更高，通过横向比较Savitzky—Golay滤波窗宽的影响确定了窗宽为32时去除慢变部分最佳。（6）对单组份苯、甲苯、二甲苯做了浓度反演的研究，并分别采用了最小二乘法、傅立叶变换法、峰值法以及积分面积法反演浓度值，通过对反演误差的分析得到最小二乘法反演误差在 5%以下，稳定性更好，傅立叶变换法误差较大，不适用于特征吸收波形单峰值波形的浓度反演，峰值法与积分面积法对低浓度反演误差达到10%。（7）对混合苯系物进行了浓度测量，提出了通过浓度反演差分吸光度的方法分别对二甲苯、甲苯和苯进行浓度的测量，实验发现苯的测量精度受甲苯、二甲苯测量精度的影响，分析了产生误差的原因，对浓度大于20mg/m3的苯浓度进行测量其误差均小于10%。

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第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 VOCs排放标准及相关政策

1.3 国内外研究现状

1.3.1 化学分析法

1.3.2 傅里叶红外光谱法

1.3.3 可调谐二极管激光吸收光谱法

1.3.4 光电离检测技术

1.3.5 差分光学吸收光谱法

1.4 工作过程

第2章 理论基础

2.1 紫外-差分吸收光谱法

2.1.1 Lambert-Beer定律及其修正过程

2.1.2 差分吸收光谱法基本原理

2.2 标准吸收截面的获取

2.3 影响吸收截面因素的处理

2.4 本章小节

第3章 实验系统

3.1 标气发生装置

3.2 实验室中苯系物在线监测系统

3.3 气路系统组成

3.3.1 气体吸收池

3.3.2 恒温加热气化装置/雾化装置

3.3.3 液体定量抽取装置

3.4 测量光学回路的组成

3.4.1 氙灯光源

3.4.2 7ISW501单色仪

3.5 本章小结

第4章 单组份气态苯、甲苯、二甲苯在线连续监测的实验研究

4.1 引言

4.2 数据前期处理方法的选择

4.2.1 小波变换滤波

4.2.2 平滑滤波

4.2.3 滤波处理

4.3 差分吸收光谱处理的算法选择

4.3.1 最小二乘法

4.3.2 傅里叶变换法

4.3.3 峰值法与积分面积法

4.4 单组分气态苯、甲苯、二甲苯在线监测实验

4.4.1 监测波段的选取

4.4.2 差分吸收截面的获取

4.4.3 单组份气态苯浓度的反演

4.4.4 单组份气态甲苯浓度的反演

4.4.5 单组份气态二甲苯浓度的反演

第5章 气态苯/甲苯/二甲苯同时在线连续监测的实验研究

5.1 引言

5.2 BTX混合气体浓度反演方法

5.3 BTX浓度的测量过程与结果分析

5.3.1 BTX混合浓度反演过程

5.3.2 BTX浓度测量结果与误差分析

5.4 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

攻读硕士学位期间参加的科研工作

致谢