CN111189790B - 含碳气溶胶的检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了含碳气溶胶的检测方法，所述含碳气溶胶的检测方法包括以下步骤：(A1)第一测量光入射到滤膜，滤膜富集有元素碳和有机碳，元素碳对第一测量光具有吸收，对棕碳无吸收，获得对应元素碳的第一吸收系数；第二测量光入射到所述滤膜，元素碳和棕碳对所述第二测量光具有吸收，获得对应元素碳和棕碳的第二吸收系数；(A2)根据所述第一吸收系数和第二吸收系数获得棕碳对第二测量光的第三吸收系数；(A3)根据所述第三吸收系数获得采样周期结束时棕碳对第二测量光的衰减系数；(A4)根据所述衰减系数获得滤膜采样周期内棕碳对第二测量光的光强衰减值；(A5)正常检测中，根据所述光强衰减值校正第二测量光的初始光强，当透射光恢复到校正后的初始光强时，为有机碳和元素碳的分割点。本发明具有检测准确等优点。

Description

含碳气溶胶的检测方法
技术领域
本发明涉及大气检测，特别涉及含碳气溶胶的检测方法。
背景技术
含碳气溶胶是大气气溶胶的重要组成部分，对全球气候变化、辐射强迫、能见度、环境质量、人类健康等会产生重要影响。气溶胶中的碳成分主要包含有机碳(organiccaibon,OC)和元素碳(elemental carbon，EC)。
目前，测量OC、EC最常用的分析方法是热光分析法，来进行有机碳和元素碳的精确测量和分割，其主要原理是：将采集样品的石英滤膜在纯氦气(He)环境中逐级升温，致使OC被加热挥发逸出(该过程中会有部分OC被碳化，产生裂解碳)；此后样品在氦气/氧气混合气(He/O2)环境中逐级升温，该过程中EC被氧化分解并逸出。这两个步骤中所逸出的产物都经催化氧化炉转化生成的CO2，再由非分散红外检测器(NDIR)定量检测。整个过程中都有一束激光照在石英滤膜上，这样在OC碳化时该激光的透射光(或反射光)的强度会逐渐减弱，而在He切换成He/O2，同时加温，随着裂解碳和EC的氧化分解，该激光的透射/反射光强会逐渐增强。当透射/反射光的强度恢复到初始强度时，这一时刻被称为OC和EC的分割点，即该时刻之前检测到的碳量就定义为OC，而其后检测到的碳量为EC。
热光分析法是目前较为成熟的一种进行有机碳和元素碳的精确定量和分割的方法，但仍存在一些不足：检测获得的含量与实际间仍然存在较大的偏差，且原因不明。
发明内容
为解决上述现有技术方案中的不足，本发明提供了一种检测准确的含碳气溶胶的检测方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
含碳气溶胶的检测方法，所述含碳气溶胶的检测方法包括以下步骤：
(A1)第一测量光入射到滤膜，滤膜富集有元素碳和有机碳，元素碳对第一测量光具有吸收，棕碳无吸收，通过分析第一测量光和元素碳相互作用下的光获得对应元素碳的第一吸收系数；
第二测量光入射到滤膜，滤膜富集有元素碳和有机碳，元素碳和棕碳对所述第二测量光具有吸收，通过分析第二测量光和元素碳及棕碳相互作用下的光获得对应元素碳和棕碳的第二吸收系数；
(A2)根据所述第一吸收系数和第二吸收系数获得棕碳对第二测量光的第三吸收系数；
(A3)根据所述第三吸收系数获得采样周期结束时棕碳对第二测量光的衰减系数；
(A4)根据所述衰减系数获得滤膜采样周期内棕碳对第二测量光的光强衰减值；
(A5)正常检测中，根据所述光强衰减值校正第二测量光的初始光强，当透射光恢复到校正后的初始光强时，为有机碳和元素碳的分割点。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：
申请人通过理论分析和实验验证发现：有机碳(OC)并不是公认的对光透明性，而是包含一种吸光性的有机物：棕碳，其在紫外波段到可见光波段具有一定的吸光性。鉴于此，申请人提出了本专利申请的解决方案，并达到如下效果：
采用双测量光：仅被棕碳吸收的第一测量光，以及被元素碳和棕碳共同吸收的第二测量光，从而获得棕碳的吸收，进而扣除OC中棕碳的吸收，显著地提高了检测准确性。
附图说明
参照附图，本发明的公开内容将变得更易理解。本领域技术人员容易理解的是：这些附图仅仅用于举例说明本发明的技术方案，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。图中：
图1是根据本发明实施例的含碳气溶胶的检测方法的流程图。
具体实施方式
图1和以下说明描述了本发明的可选实施方式以教导本领域技术人员如何实施和再现本发明。为了教导本发明技术方案，已简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员应该理解源自这些实施方式的变型或替换将在本发明的范围内。本领域技术人员应该理解下述特征能够以各种方式组合以形成本发明的多个变型。由此，本发明并不局限于下述可选实施方式，而仅由权利要求和它们的等同物限定。
实施例1：
图1示意性地给出了本发明实施例的含碳气溶胶的检测方法的流程图，如图1所示，所述含碳气溶胶的检测方法包括以下步骤：
(A1)第一测量光入射到滤膜，滤膜富集有元素碳和有机碳，元素碳对第一测量光具有吸收，棕碳无吸收，通过分析第一测量光和元素碳相互作用下的光获得对应元素碳的第一吸收系数；相互作用是透射或反射；
第二测量光入射到所述滤膜，元素碳和棕碳对所述第二测量光具有吸收，通过分析第二测量光和元素碳及棕碳相互作用下的光获得对应元素碳和棕碳的第二吸收系数；相互作用是透射或反射；
(A2)根据所述第一吸收系数和第二吸收系数获得棕碳对第二测量光的第三吸收系数；
(A3)根据所述第三吸收系数获得采样周期结束时棕碳对第二测量光的衰减系数；
(A4)根据所述衰减系数获得滤膜采样周期内棕碳对第二测量光的光强衰减值；
(A5)正常检测中，根据所述光强衰减值校正第二测量光的初始光强，当透射光恢复到校正后的初始光强时，为有机碳和元素碳的分割点。
为了准确地扣除有机碳中棕碳导致的偏差，进一步地，在步骤(A1)和步骤(A5)中，采样周期相同。
为了准确地确定，元素碳(棕碳对第一测量光无吸收)对第一测量光的吸收，进一步地，所述第一吸收系数为：
Figure BDA0002360144270000041
λ1为第一测量光中被元素碳吸收的波长；S为滤膜面积，Q1为采样气体流量，C1为多项散射修正系数，Δt为等于一个采样周期的时间变化量，I01是第一测量光的原始光强，I1(t)为所述第一透射光的光强。
为了准确地确定，元素碳和棕碳对第二测量光的吸收，进一步地，所述第二吸收系数为：
Figure BDA0002360144270000042
λ2为第二测量光中被元素碳吸收的波长；S为滤膜面积，Q2为采样气体流量，C2为多项散射修正系数，Δt为等于一个采样周期的时间变化量，I02是第二测量光的原始光强，I2(t)为所述第二透射光的光强。
为了准确地确定，棕碳对第二测量光的吸收，进一步地，所述第三吸收系数为：
Figure BDA0002360144270000043
为了定量棕碳对第二测量光的帅间随时间变化的衰减，进一步地，所述衰减系数为：
Figure BDA0002360144270000044
为了获得A(t1)，选择采样周期刚开始时(t1＝0)的衰减系数A(t1)＝0；与此对应地，所述光强衰减值为
Figure BDA0002360144270000045
为了校正由于棕碳吸收导致的偏差，进一步地，在步骤(A5)中，初始光强校正为：I1＝I02+ΔI，I02是第二测量光的原始光强，ΔI为所述光强衰减值。
实施例2：
根据本发明实施例1的含碳气溶胶的检测方法在大气监测中的应用例。
在该应用例中，第一光源采用半导体激光器，发出的第一测量中包括对应于元素碳的吸收的波长λ1＝880nm；第二光源采用半导体激光器，发出的第二测量中包括对应于元素碳和棕碳的吸收的波长λ2＝660nm；在装置方面，仅是在原有检测设备上添加第一光源。
本应用例的含碳气溶胶的检测方法，所述含碳气溶胶的检测方法包括以下步骤：
(A1)第一测量光透过滤膜，滤膜富集有元素碳和有机碳，元素碳对第一测量光具有吸收，对棕碳无吸收，通过第一透射光获得对应元素碳的第一吸收系数：
Figure BDA0002360144270000051
λ1为第一测量光中被元素碳吸收的波长；S为滤膜面积，单位m2；Q1为采样空气流量，单位m3/s；C1为多项散射修正系数，取2.14；Δt为等于一个采样周期的时间变化量，I01是第一测量光的原始光强，I1(t)为所述第一透射光的光强；
第二测量光透过所述滤膜，元素碳和棕碳对所述第二测量光具有吸收，通过第二透射光获得对应元素碳和棕碳的第二吸收系数：
Figure BDA0002360144270000052
λ2为第二测量光中被元素碳吸收的波长；S为滤膜面积，单位m2；Q2为采样空气流量，单位m3/s；C2为多项散射修正系数，取2.14；Δt为等于一个采样周期的时间变化量，I02是第二测量光的原始光强，I2(t)为所述第二透射光的光强；
(A2)根据所述第一吸收系数和第二吸收系数获得棕碳对第二测量光的第三吸收系数：
Figure BDA0002360144270000061
(A3)根据所述第三吸收系数获得采样周期结束时棕碳对第二测量光的衰减系数：
Figure BDA0002360144270000062
本实施例中，A(t1)选择采样周期刚开始时(t1＝0)的衰减系数A(t1)＝0；
(A4)根据所述衰减系数获得滤膜采样周期内棕碳对第二测量光的光强衰减值：
Figure BDA0002360144270000063
(A5)正常检测中，根据所述光强衰减值校正第二测量光的初始光强，初始光强校正为：I1＝I02+ΔI，I02是第二测量光的原始光强，ΔI为所述光强衰减值；当第二透射光恢复到校正后的初始光强I1时，为有机碳和元素碳的分割点；
在步骤(A1)和步骤(A5)中，采样周期相同。
实施例3：
根据本发明实施例1的含碳气溶胶的检测方法的应用例，与实施例2不同的是：利用反射光，而不是透射光。

Claims (9)

1.含碳气溶胶的检测方法，所述含碳气溶胶的检测方法包括以下步骤：
(A1)第一测量光入射到滤膜，滤膜富集有元素碳和有机碳，元素碳对第一测量光具有吸收，棕碳无吸收，通过分析第一测量光和元素碳相互作用下的光获得对应元素碳的第一吸收系数；
第二测量光入射到所述滤膜，元素碳和棕碳对所述第二测量光具有吸收，通过分析第二测量光和元素碳及棕碳相互作用下的光获得对应元素碳和棕碳的第二吸收系数；
(A2)根据所述第一吸收系数和第二吸收系数获得棕碳对第二测量光的第三吸收系数；
(A3)根据所述第三吸收系数获得采样周期结束时棕碳对第二测量光的衰减系数；
(A4)根据所述衰减系数获得滤膜采样周期内棕碳对第二测量光的光强衰减值；
(A5)正常检测中，根据所述光强衰减值校正第二测量光的初始光强，当透射光恢复到校正后的初始光强时，为有机碳和元素碳的分割点。
2.根据权利要求1所述的含碳气溶胶的检测方法，其特征在于：在步骤(A1)和步骤(A5)中，采样周期相同。
3.根据权利要求1所述的含碳气溶胶的检测方法，其特征在于：所述第一吸收系数为：
Figure FDA0003729512140000011
λ1为第一测量光中被元素碳吸收的波长；S为滤膜面积，Q1为采样气体流量，C1为多项散射修正系数，Δt为等于一个采样周期的时间变化量，I01是第一测量光的原始光强，I1(t)为第一透射光的光强。
4.根据权利要求3所述的含碳气溶胶的检测方法，其特征在于：所述第二吸收系数为：
Figure FDA0003729512140000021
λ2为第二测量光中被元素碳吸收的波长；S为滤膜面积，Q2为采样气体流量，C2为多项散射修正系数，Δt为等于一个采样周期的时间变化量，I02是第二测量光的原始光强，I2(t)为第二透射光的光强。
5.根据权利要求4所述的含碳气溶胶的检测方法，其特征在于：所述第三吸收系数为：
Figure FDA0003729512140000022
6.根据权利要求5所述的含碳气溶胶的检测方法，其特征在于：所述衰减系数为：
Figure FDA0003729512140000023
7.根据权利要求6所述的含碳气溶胶的检测方法，其特征在于：所述光强衰减值为
Figure FDA0003729512140000024
8.根据权利要求7所述的含碳气溶胶的检测方法，其特征在于：在步骤(A5)中，初始光强校正为：I1＝I02+ΔI。
9.根据权利要求4所述的含碳气溶胶的检测方法，其特征在于：λ1＝880nm，λ2＝660nm。
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