温室气体在线监测的工作原理介绍

 

光学吸收法：捕捉气体的“指纹”光谱

 

原理核心：利用温室气体分子对特定波长光的选择性吸收特性。

 

每种气体分子都有独特的吸收光谱（如同“分子指纹”），例如CO₂对4.26μm波长的红外光有强烈吸收，CH₄则对3.31μm和7.66μm的红外光敏感。在线监测设备通过光源发射特定波长的光，当光穿过含温室气体的待测气体时，部分光被气体吸收，光强的衰减程度与气体浓度成正比（遵循朗伯-比尔定律）。

 

通过检测光强变化，即可反推出气体浓度。这类方法中，非分散红外法（NDIR）因结构简单、响应快，被广泛用于固定污染源（如工厂烟囱）和环境空气的在线监测；而傅里叶变换红外光谱法（FTIR）则能同时监测多种气体，适合复杂工况。

 

激光光谱法：用激光的高特异性精准测浓度

 

原理核心：以激光为光源，利用气体分子的吸收线进行高灵敏度检测。

 

激光具有单色性强、波长可调的特点，可精准瞄准温室气体分子的特定吸收线（如将激光波长调至CH₄的吸收峰）。当激光穿过待测气体时，气体分子吸收激光能量，导致激光强度下降，其下降幅度与气体浓度相关。

 

常见的激光光谱技术包括可调谐半导体激光吸收光谱法（TDLAS）和腔增强激光吸收光谱法（CELAS）。这类方法抗干扰能力强、检测限低（可达ppb级），适合低浓度温室气体（如环境空气中的CH₄）或高纯度气体中微量杂质的在线监测。

 

气相色谱法：靠分离后检测混合气体

 

原理核心：先将混合气体中的不同组分分离，再逐个检测浓度。

 

待测气体通过采样系统进入色谱柱，柱内的固定相（如吸附剂）会对不同温室气体分子产生不同的吸附-解吸作用，导致各组分在色谱柱中的保留时间不同，从而实现分离。分离后的气体依次进入检测器（如火焰离子化检测器FID用于检测CH₄，热导检测器TCD用于检测CO₂），检测器根据气体与特定试剂的反应（如FID中CH₄燃烧产生离子流）产生电信号，信号强度与浓度成正比。

 

气相色谱法精度高、能同时分析多种气体，但响应速度较慢（通常几分钟一次数据），适合需要高精度但无需高频监测的场景，如园区边界的温室气体巡检。

 

质谱法：通过离子质量电荷比识别气体

 

原理核心：将气体分子电离为离子，根据离子的质量-电荷比（m/z）区分不同气体并计算浓度。

 

待测气体进入离子源后被电离（如电子轰击电离），产生的离子在电场或磁场中发生偏转，不同质量的离子偏转轨迹不同，最终在检测器上形成不同的信号峰。通过峰的位置（对应m/z）可识别气体种类（如CO₂的m/z为44，CH₄为16），峰的强度则反映浓度。

 

质谱法响应快、能同时检测多种气体，且无需复杂的前处理，但设备成本高、维护复杂，多用于实验室或特殊工业场景（如化工反应过程中温室气体的实时追踪）。

 

总结：不同原理的适用场景

 

温室气体在线监测的各类技术，本质上都是通过识别气体分子的独特物理化学特性来实现浓度测量。光学吸收法和激光光谱法以快速、实时为优势，主导在线连续监测；气相色谱法以高精度取胜，适合周期性检测；质谱法则在复杂组分分析中发挥作用。这些技术共同构成了石油化工、电力、环保等领域温室气体排放监控的核心手段，为减排决策提供数据支撑。