海水關(guān)鍵溶解氣體高靈敏激光原位分析方法研究
發(fā)布時間：2020-12-04 10:34
海水中關(guān)鍵溶解氣體濃度分析對于研究海洋有機(jī)物的生物地球化學(xué)循環(huán)、海底天然滲漏點或海洋酸化等環(huán)境變化機(jī)制具有重要意義,然而間歇式船舶或人工采樣的分析方式不能很好的還原海洋環(huán)境動態(tài)變化的全貌,且成本高誤差大,繼而迫切需求能進(jìn)行原位、快速、持續(xù)的溶解氣體探測技術(shù)�？烧{(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS）是近50年發(fā)展起來的一種非侵入式激光測量技術(shù),它具有光譜選擇性好、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、絕對定量測量的優(yōu)點,可實現(xiàn)實時、在線、快速的氣相組分濃度的精確測量,結(jié)合可實現(xiàn)氣液高效連續(xù)分離的疏水透氣膜,應(yīng)用于原位海水溶解CH4、CO2氣體組分高靈敏度探測,需要完成定量測量系統(tǒng)的小型化集成、大動態(tài)濃度范圍快速且長期穩(wěn)定測量兩方面的內(nèi)容。本文研究基于膜分離技術(shù)的水氣分離富集方法,以及基于TDLAS直接吸收技術(shù)測量氣體分壓濃度原理,研制了適應(yīng)水下工作環(huán)境的小型化溶解氣體檢測系統(tǒng)。本文針對海水溶解氣體原位檢測設(shè)備缺少精確濃度反演的問題,研究疏水透氣膜高效分離、快速響應(yīng)時間的連續(xù)測量、多譜線寬范圍光譜探測等方法,首先系統(tǒng)研究了氣...
【文章來源】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章頁數(shù)】：108 頁
【學(xué)位級別】：博士
【部分圖文】：
圖１．１水下原位質(zhì)譜儀整體結(jié)構(gòu)??ＵＭＳ檢測溶解ＣＨ４、Ｃ〇２氣體的精度分別已達(dá)到ｎｍｏｌ／Ｌ和叫ｉｏｌ／Ｌ量級，??
。目前??氣敏傳感應(yīng)用于檢測溶解氣體，是利用Ｓｎ０２半導(dǎo)體材料表面自由電子容易被氧??分子吸附的特性，形成阻止自由電子移動的勢壘時半導(dǎo)體的電阻值高，當(dāng)外界海??水中的溶解氣體通過由多孔金屬燒結(jié)塊支撐的分離膜滲入傳感腔并擴(kuò)散后，ＣＨ４??等具有還原性氣體會在半導(dǎo)體的表面發(fā)生氧化反應(yīng)，導(dǎo)致材料表面的氧分子減少，??勢壘降低，載流子增加并使得半導(dǎo)體的電阻下降［７５，７６１最后根據(jù)電壓信號的變化??推斷透過膜界面的ＣＨ４、Ｃ０２氣體含量。??１？�。蓿�?ｉｉ?１１??ｓｆ?１ｓ?，??圖１．２ＣＨ４、Ｃ〇２氣敏傳感器??國際上用于海洋溶解氣體測量的半導(dǎo)體氣敏傳感，多采用的是溶解ｃｏ２??（Ｃ０２－ＳＥＮＳ０Ｒ）、ＣＨ４?（ＭＥＴＳ）檢測儀類產(chǎn)品，由德國ＧＫＳＳ研宄中心和??Ｆｒａｎａｔｅｃｈ公司共同研制生產(chǎn)，如圖１．２所示，儀器的ＣＨ４檢測精度達(dá)ｎｍｏｌ／Ｌ，??Ｃ０２檢測精度達(dá)ｐｍｏｌ／Ｌ，根據(jù)膜厚度配置的不同，其響應(yīng)時間在１？３０?ｍｉｎ內(nèi)變??化。２００９年Ｇｒｕｎｗａｌｄ等人將ＭＥＴＳ傳感器部署在德國海岸線附近［７７］，長期觀測??表層海水中溶解ＣＨ４濃度并觀察了日間潮汐和ＣＨ４濃度的關(guān)系。２０１１年，??６??
?第１章引言???圖１．３ＧａｓＰｒｏ－ｐＣ〇２探針的不意圖??隨著現(xiàn)場應(yīng)用的增加，ＮＤＩＲ系統(tǒng)的局限性也顯露出來，例如Ｊｉａｎｇ等人２０１４??年使用Ｃ０２－Ｐｒｏ儀器分別在實驗室和野外環(huán)境測量ｐＣ０２，并與利用熱力學(xué)碳酸??鹽計算的離散樣品測量結(jié)果進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)實驗內(nèi)對比一致性高于野外環(huán)境，總??結(jié)是因檢測器受溫度、水中酸堿度變化影響顯著［９１］。所以最初因缺乏標(biāo)準(zhǔn)氣體的??常規(guī)校準(zhǔn)過程，使得儀器在單獨長期部署時很難評估測量的準(zhǔn)確性。??為了解決這個問題，ＰｒｏＯｃｅａｎｕｓ后來推出了新型帶有板載氣口的控制裝置引入標(biāo)??準(zhǔn)氣體的Ｃ０２－ＰｒｏＡ？，可進(jìn)行外部手動校準(zhǔn)。目前基于ＮＤＩＲ測量的溶解氣體檢??測系統(tǒng)在自主平臺上的部署，面臨的挑戰(zhàn)就是需要定期進(jìn)行漂移校正和重新校準(zhǔn)??以確保長期的測量穩(wěn)定性。此外，為了獲得最佳的測量精度和準(zhǔn)確性，ＮＤＩＲ檢??測器需要穩(wěn)定的溫度，而使用加熱器有可能保持恒定的溫度梯度，但這也會導(dǎo)致??系統(tǒng)功率偏大，限制了在移動平臺上的原位部署。??相比使用寬帶ＬＥＤ作為吸收光譜測量光源的ＮＤＩＲ，利用窄帶可調(diào)諧光源??的可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜（Ｔｕｎａｂｌｅ?Ｄｉｏｄｅ?Ｌａｓｅｒ?Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ?Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ，??ＴＤＬＡＳ）技術(shù)具有更優(yōu)的光譜選擇性，通過挑選特定單個或多個無交叉干擾的譜??線實現(xiàn)更高精度、靈敏度和寬范圍的測量，且集成系統(tǒng)緊湊耐用，具備良好的環(huán)??境適應(yīng)性與抗干擾能力［８１］。商業(yè)化產(chǎn)品中目前有德國Ｆｒａｎａｔｅｃｈ公司Ｌａｓｅｒ??Ｍｅｔｈａｎｅ?Ｓｅｎｓｏｒ是基于波長調(diào)制－ＴＤＬＡＳ技術(shù)測量溶解ＣＨ４濃度的，測量范圍為??２ｐｐｍ￣ｌ％，響應(yīng)時
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]激光吸收光譜流場診斷技術(shù)應(yīng)用研究與進(jìn)展[J]. 闞瑞峰,夏暉暉,許振宇,姚路,阮俊,范雪麗. 中國激光. 2018(09)
[2]小型高靈敏度水下拉曼光譜系統(tǒng)[J]. 劉慶省,郭金家,楊德旺,司趕上,鄭榮兒. 光學(xué)精密工程. 2018(01)
[3]進(jìn)樣泵在海水氣體水下氣相色譜原位測試系統(tǒng)中應(yīng)用[J]. 楊群慧,王凱,韋婧,米智楠. 流體傳動與控制. 2017(03)
[4]Voigt線型兩翼擬合非均勻流場吸光度的方法研究[J]. 聶偉,葉擎昊,許振宇,張光樂,夏暉暉,闞瑞峰. 光譜學(xué)與光譜分析. 2017(03)
[5]利用膜進(jìn)樣質(zhì)譜連續(xù)走航測定表層海水O2/Ar比值和pCO2[J]. 鄭文靜,韓玉,秦川,張桂玲. 海洋環(huán)境科學(xué). 2016(04)
[6]海水二氧化碳分壓測量儀器比對研究[J]. 張川,王聰,寧春林,龐永超. 中國海洋大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版). 2015(12)
[7]小型化TDLAS發(fā)動機(jī)測溫系統(tǒng)的研究及進(jìn)展[J]. 姚路,劉文清,闞瑞峰,許振宇,阮俊,王遼,冮強(qiáng). 實驗流體力學(xué). 2015(01)
[8]基于TDLAS的長光程環(huán)境大氣痕量CO監(jiān)測方法研究[J]. 姚路,劉文清,劉建國,闞瑞峰,許振宇,阮俊,戴云海. 中國激光. 2015(02)
[9]基于量子級聯(lián)激光器的溫室氣體測量方法研究[J]. 魏敏,劉建國,闞瑞峰,王薇,姚路,許振宇,袁松,戴云海,賈良權(quán). 光學(xué)學(xué)報. 2014(12)
[10]兩種海洋二氧化碳現(xiàn)場監(jiān)測技術(shù)比對研究[J]. 許蘇清,李偉,王偉強(qiáng),楊緒林. 海洋技術(shù). 2013(03)
博士論文
[1]PDMS膜分離氣體混合物的傳質(zhì)機(jī)理及模型化[D]. 林東杰.北京化工大學(xué) 2012
碩士論文
[1]基于海底觀測網(wǎng)的深海甲烷系列濃度高精度探測傳感器系統(tǒng)的研制[D]. 龐云天.中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 2014
本文編號：2897445
【文章來源】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章頁數(shù)】：108 頁
【學(xué)位級別】：博士
【部分圖文】：
圖１．１水下原位質(zhì)譜儀整體結(jié)構(gòu)??ＵＭＳ檢測溶解ＣＨ４、Ｃ〇２氣體的精度分別已達(dá)到ｎｍｏｌ／Ｌ和叫ｉｏｌ／Ｌ量級，??
。目前??氣敏傳感應(yīng)用于檢測溶解氣體，是利用Ｓｎ０２半導(dǎo)體材料表面自由電子容易被氧??分子吸附的特性，形成阻止自由電子移動的勢壘時半導(dǎo)體的電阻值高，當(dāng)外界海??水中的溶解氣體通過由多孔金屬燒結(jié)塊支撐的分離膜滲入傳感腔并擴(kuò)散后，ＣＨ４??等具有還原性氣體會在半導(dǎo)體的表面發(fā)生氧化反應(yīng)，導(dǎo)致材料表面的氧分子減少，??勢壘降低，載流子增加并使得半導(dǎo)體的電阻下降［７５，７６１最后根據(jù)電壓信號的變化??推斷透過膜界面的ＣＨ４、Ｃ０２氣體含量。??１？�。蓿�?ｉｉ?１１??ｓｆ?１ｓ?，??圖１．２ＣＨ４、Ｃ〇２氣敏傳感器??國際上用于海洋溶解氣體測量的半導(dǎo)體氣敏傳感，多采用的是溶解ｃｏ２??（Ｃ０２－ＳＥＮＳ０Ｒ）、ＣＨ４?（ＭＥＴＳ）檢測儀類產(chǎn)品，由德國ＧＫＳＳ研宄中心和??Ｆｒａｎａｔｅｃｈ公司共同研制生產(chǎn)，如圖１．２所示，儀器的ＣＨ４檢測精度達(dá)ｎｍｏｌ／Ｌ，??Ｃ０２檢測精度達(dá)ｐｍｏｌ／Ｌ，根據(jù)膜厚度配置的不同，其響應(yīng)時間在１？３０?ｍｉｎ內(nèi)變??化。２００９年Ｇｒｕｎｗａｌｄ等人將ＭＥＴＳ傳感器部署在德國海岸線附近［７７］，長期觀測??表層海水中溶解ＣＨ４濃度并觀察了日間潮汐和ＣＨ４濃度的關(guān)系。２０１１年，??６??
?第１章引言???圖１．３ＧａｓＰｒｏ－ｐＣ〇２探針的不意圖??隨著現(xiàn)場應(yīng)用的增加，ＮＤＩＲ系統(tǒng)的局限性也顯露出來，例如Ｊｉａｎｇ等人２０１４??年使用Ｃ０２－Ｐｒｏ儀器分別在實驗室和野外環(huán)境測量ｐＣ０２，并與利用熱力學(xué)碳酸??鹽計算的離散樣品測量結(jié)果進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)實驗內(nèi)對比一致性高于野外環(huán)境，總??結(jié)是因檢測器受溫度、水中酸堿度變化影響顯著［９１］。所以最初因缺乏標(biāo)準(zhǔn)氣體的??常規(guī)校準(zhǔn)過程，使得儀器在單獨長期部署時很難評估測量的準(zhǔn)確性。??為了解決這個問題，ＰｒｏＯｃｅａｎｕｓ后來推出了新型帶有板載氣口的控制裝置引入標(biāo)??準(zhǔn)氣體的Ｃ０２－ＰｒｏＡ？，可進(jìn)行外部手動校準(zhǔn)。目前基于ＮＤＩＲ測量的溶解氣體檢??測系統(tǒng)在自主平臺上的部署，面臨的挑戰(zhàn)就是需要定期進(jìn)行漂移校正和重新校準(zhǔn)??以確保長期的測量穩(wěn)定性。此外，為了獲得最佳的測量精度和準(zhǔn)確性，ＮＤＩＲ檢??測器需要穩(wěn)定的溫度，而使用加熱器有可能保持恒定的溫度梯度，但這也會導(dǎo)致??系統(tǒng)功率偏大，限制了在移動平臺上的原位部署。??相比使用寬帶ＬＥＤ作為吸收光譜測量光源的ＮＤＩＲ，利用窄帶可調(diào)諧光源??的可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜（Ｔｕｎａｂｌｅ?Ｄｉｏｄｅ?Ｌａｓｅｒ?Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ?Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ，??ＴＤＬＡＳ）技術(shù)具有更優(yōu)的光譜選擇性，通過挑選特定單個或多個無交叉干擾的譜??線實現(xiàn)更高精度、靈敏度和寬范圍的測量，且集成系統(tǒng)緊湊耐用，具備良好的環(huán)??境適應(yīng)性與抗干擾能力［８１］。商業(yè)化產(chǎn)品中目前有德國Ｆｒａｎａｔｅｃｈ公司Ｌａｓｅｒ??Ｍｅｔｈａｎｅ?Ｓｅｎｓｏｒ是基于波長調(diào)制－ＴＤＬＡＳ技術(shù)測量溶解ＣＨ４濃度的，測量范圍為??２ｐｐｍ￣ｌ％，響應(yīng)時
【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]激光吸收光譜流場診斷技術(shù)應(yīng)用研究與進(jìn)展[J]. 闞瑞峰,夏暉暉,許振宇,姚路,阮俊,范雪麗. 中國激光. 2018(09)
[2]小型高靈敏度水下拉曼光譜系統(tǒng)[J]. 劉慶省,郭金家,楊德旺,司趕上,鄭榮兒. 光學(xué)精密工程. 2018(01)
[3]進(jìn)樣泵在海水氣體水下氣相色譜原位測試系統(tǒng)中應(yīng)用[J]. 楊群慧,王凱,韋婧,米智楠. 流體傳動與控制. 2017(03)
[4]Voigt線型兩翼擬合非均勻流場吸光度的方法研究[J]. 聶偉,葉擎昊,許振宇,張光樂,夏暉暉,闞瑞峰. 光譜學(xué)與光譜分析. 2017(03)
[5]利用膜進(jìn)樣質(zhì)譜連續(xù)走航測定表層海水O2/Ar比值和pCO2[J]. 鄭文靜,韓玉,秦川,張桂玲. 海洋環(huán)境科學(xué). 2016(04)
[6]海水二氧化碳分壓測量儀器比對研究[J]. 張川,王聰,寧春林,龐永超. 中國海洋大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版). 2015(12)
[7]小型化TDLAS發(fā)動機(jī)測溫系統(tǒng)的研究及進(jìn)展[J]. 姚路,劉文清,闞瑞峰,許振宇,阮俊,王遼,冮強(qiáng). 實驗流體力學(xué). 2015(01)
[8]基于TDLAS的長光程環(huán)境大氣痕量CO監(jiān)測方法研究[J]. 姚路,劉文清,劉建國,闞瑞峰,許振宇,阮俊,戴云海. 中國激光. 2015(02)
[9]基于量子級聯(lián)激光器的溫室氣體測量方法研究[J]. 魏敏,劉建國,闞瑞峰,王薇,姚路,許振宇,袁松,戴云海,賈良權(quán). 光學(xué)學(xué)報. 2014(12)
[10]兩種海洋二氧化碳現(xiàn)場監(jiān)測技術(shù)比對研究[J]. 許蘇清,李偉,王偉強(qiáng),楊緒林. 海洋技術(shù). 2013(03)
博士論文
[1]PDMS膜分離氣體混合物的傳質(zhì)機(jī)理及模型化[D]. 林東杰.北京化工大學(xué) 2012
碩士論文
[1]基于海底觀測網(wǎng)的深海甲烷系列濃度高精度探測傳感器系統(tǒng)的研制[D]. 龐云天.中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 2014
本文編號：2897445
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