超高精度气体分析案例一：二氧化氮（NO2）
时间：2024-10-26 阅读：168
欢迎阅读我们的“高精度气体分析”系列文章，我们将在这此深入探索影响我们环境和健康的大气污染物和温室气体。我们将聚焦二氧化氮（NO2），这是一种工业科研领域非常重要的化合物，其对人体和环境可造成的负面影响如下：
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人类健康：短期接触二氧化氮可能会加重呼吸道疾病，长时间接触高浓度的二氧化氮可能会导致哮喘，并可能增加对呼吸道感染的易感性。
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环境：二氧化氮可以与大气中的水相互作用，形成酸雨。
二氧化氮是一种红外活性自由基分子，沸点与室温大致相同（21.2°C），与其二聚体 N2O4可以形成平衡混合物。它是一种红棕色气体，是常见的氮氧化物（NOX）之一。它主要是在自然来源和人为来源的高温燃烧过程中形成的。其中，一些常见的来源包括：
(一) 车辆排放：二氧化氮是汽车、卡车和其他车辆发动机燃烧后的副产品。在交通繁忙的地区，容易出现二氧化氮浓度升高的情况（约占总排放量的64%）；
(二) 住宅供暖系统：通常燃烧化石燃料，会释放二氧化氮（约占总排放量的7%）；
(三) 工业活动：燃烧类型的发电厂和工厂会向大气中排放二氧化氮（仅占总排放量的3%）；
(四) 农业活动/燃烧和化肥：同样在二氧化氮排放中占据了一席之地（但通常只是局部污染问题）。
如果二氧化氮排放量过高，超过了世卫组织（WHO）发布的《全球空气质量指南》，那么有时需要采取严厉的措施，来保护人类健康、环境和气候，荷兰的情况就是如此。2019年，氮危机，也称“stikstofcrisis”，席卷了整个荷兰工业，导致住房等各种项目被立即叫停，这加剧了荷兰持续已久的住房短缺问题，还导致政府计划大幅减少牲畜数量，并降低高速公路的限速。
大气中氮气（例如，NO2和NH3）监测的重要性，这将有助于相关部门采取有效的措施，以减少排放。
测量方法
目前，二氧化氮的监测和量化技术有很多，每种技术都有其各自的优缺点：
化学发光法（CLD）是目前较广为使用的二氧化氮测量方法，也为各国所信赖。CLD是一种间接检测方法，它通过将二氧化氮转化为一氧化氮，再将一氧化氮与臭氧发生反应，形成激发态二氧化氮。这种激发态的二氧化氮分子会因为失活而发光（化学发光），从而实现测量。这种方法非常灵敏，成本适中，并且可以提供实时测量结果。CLD仪器通常符合EN 14211标准（《环境空气质量-利用化学发光测量二氧化氮和一氧化氮浓度的标准方法》）所规定的条件。主要缺点是，由于CLD可能受到其他含氮分子（例如，PAN或NH3）的干扰，需要进行复杂的校准和维护，并且检测到的发光信号包含了环境中二氧化氮与一氧化氮的总和。
另一种常用的技术是差分光学吸收光谱法（DOAS）。这种方法对二氧化氮灵敏度很高，在遥感应用方面大有用处。它可以提供大气中二氧化氮分布和来源方面的见解。主要缺点是，DOAS需要具备专门的设备和专业知识；天气条件和其他干扰气体可能会影响测量结果，导致在某些情况下使用受限。
被动或扩散采样法无需电源，可由非科研人员在没有技术支持的情况下操作。它是一种简单、轻便且廉价的技术，适用于获取二氧化氮浓度变化的长期趋势。但由于提供的是平均测量值，因此不适合获取短期的峰值或变化。在二氧化氮浓度波动的地区，该方法的准确性可能会受到影响。
电化学传感器具有便携性和实时监测的特点，适用于二氧化氮泄漏评估。主要缺点是，该方法对其他气体和环境条件具有交叉敏感性，会影响传感器的精度。因此，传感器的校准和维护是获得可靠的测量结果的关键。
腔衰减相移光谱法（CAPS）是一种具有较高灵敏度、选择性且十分精确的光谱技术，它通过分析光穿过高精度光学腔时的相位变化，来直接测量气体的吸收情况。主要缺点是，仪器本身较为复杂和专业，初始成本和运营成本较高，需要技艺娴熟的用户进行复杂的校准和验证。
MIRO Analytical使用中红外直接激光吸收光谱法，来监测和分析环境空气中的污染物和温室气体。该技术将高灵敏度和高识别度结合，通过测量振动跃迁，即便在复杂的大气混合物中，也能准确鉴别和量化二氧化氮的浓度。因此，可以说它是较准确和通用的二氧化氮监测方法。辅以先进的仪器和数据处理技术，该方法可以以1赫兹或10赫兹的测量速率，进行实时监测。
参考案例
MGA- NO2仪器自2020年6月安装于瑞士国家空气污染监测网络（NABEL）的少女峰监测站（海拔3571米）起，便一直在报告实时二氧化氮数据，由此NABEL/Empa的Christoph Hüglin博士给出评价：
“在少女峰高山站点运行的MIRO激光二氧化氮光谱仪的表现非常出色。它具有很高的灵敏度、精确度和可靠性，加上较低的维护成本，非常适合我们在这个偏远地区展开工作。”
图：苏黎世州废物、水、能源和空气办公室（AWEL）的J. Sintermann使用车载MGA10记录到的苏黎世氮氧化物（NOX）排放图
在苏黎世州AWEL的合作下，MGA凭借其稳健性、移动性、灵敏度、精确性和高时间分辨率，展开了基于小型货车的城市温室气体和污染物移动式实时监测活动。
在测量期间，车辆在苏黎世周围行驶，并持续测量温室气体和污染物（包括二氧化氮）。通过这项工作，可识别出主要的排放源。
二氧化氮是我国大气常规指标中必须要监控的气体组分，对人体和环境空气都具有一定程度的危害。通过分析动力学分析，利用先进的MIRO检测技术，可以精准、快速的监控NO2浓度和分布及动向。
图：MIRO Analytical的多合一气体分析仪MGA能够以高精度同时监测多达10种不同的温室气体和污染性气体。
MGA是我们的多合一气体分析仪，仅凭一台仪器就可同时测量多达10种不同的温室气体和污染性气体。