超高精度气体分析案例二：二氧化碳（CO2）
时间：2024-10-26 阅读：131
2023年9月，二氧化碳创下了全球平均浓度的年度最低值（419.7 ppm），作为主要的温室气体，二氧化碳（CO2）一直是全球各国关注的环境污染焦点，它是一种对我们的环境、气候和健康有着深远影响的分子。下述文章中，我们将探讨大气中二氧化碳的来源、影响以及常用的监测技术。
二氧化碳主要通过各种自然和人类活动进入大气：
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自然来源：二氧化碳通过火山喷发、动植物呼吸以及有机物腐烂等过程自然地释放到大气中。
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人类活动：能源生产、交通运输和工业过程的化石燃料（煤炭、石油和天然气）燃烧是二氧化碳的主要人为来源。
大气中二氧化碳浓度的急剧增加是人为造成的。我们现在燃烧的化石燃料所包含的碳，是数百万年里植物通过光合作用从大气中吸收而来的，而我们现在正在数百年内将这些碳释放回大气中。从二十世纪中叶开始，每个十年的二氧化碳年排放量都在增加：从二十世纪六十年代的每年近110亿吨，增加到2022年的约366亿吨。
准确监测和精准定量是大气中的二氧化碳浓度，对于评估温室气体减排和应对气候变化的进展而言至关重要。目前的监测和量化二氧化碳的技术有很多，每种技术都有其各自的优缺点：
非色散红外（NDIR）传感器：
较常见的二氧化碳监测传感器可能是NDIR传感器。通常而言，NDIR传感器利用广谱红外光源和置于检测器前面的滤光片（非色散元件），来消除除目标波长以外的所有光线。这种传感器经济实惠，易于获取，可提供连续、实时的二氧化碳浓度测量。NDIR传感器通常具有较长的使用寿命，但灵敏度有限，需要定期校准，以保持精度。这种简单的测量方法仅适用于检测特定波长对应的气体。
半导体式气体传感器：
半导体材料（通常是金属氧化物）在接触二氧化碳时，会与其发生反应，从而影响导电性。测得的半导体材料的电阻变化与二氧化碳浓度成正比。这种方法提供了一种简单、廉价且非常灵敏的二氧化碳监测技术。主要缺点是，线性测量范围较小，并且容易受到其他气体的干扰。
气相色谱法：
气相色谱法通过色谱柱将样品中的不同气体分离开来，再根据二氧化碳分子与检测器（通常是热导检测器（TCD）或氢火焰离子化检测器（FID））的相互作用，对二氧化碳分子进行高精度检测。主要缺点在于，这种方法需要具备专门的设备和专业的知识，通常在实验室环境中使用，因此限制了它在实时现场监测中的使用。
光声光谱法：
光声光谱法利用光在特定波长下激发二氧化碳分子。当二氧化碳分子吸收光时，会发生热膨胀，并产生压力波。这些压力波的振幅与二氧化碳的浓度成正比，并且可以被检测出来。光声光谱法在微量气体测量方面具有很高的灵敏度（达ppt级）。主要缺点在于，由于该技术对环境噪声和影响非常敏感，因此必须进行定期校准和维护，并且需要具备专门的设备和专业知识。
电化学法：
电化学法利用传感器内部的电极与二氧化碳发生电化学反应，这会产生一个电信号。该电信号可以是电流、电位差或电阻值，具体取决于这个外形小巧、使用寿命较长的电化学传感器是什么类型。通过将该信号与通过第二电极获得的参照电位进行比较，便可将信号转换为对应的二氧化碳浓度，从而实现较高的灵敏度。主要缺点是，这种方法容易受到其他气体干扰，并且容易受到环境条件的影响。
重量法/吸收法：
重量法/吸收法是通过将吸收剂（例如，氯化钙）暴露于一定量的气体中，使吸收剂吸收二氧化碳，重量增加来进行测量的。这种方法可以极其精确地测量出重量的变化，从而计算出二氧化碳的浓度。这种复杂的技术不适合实时测量，并且需要维护和校准。
二氧化碳（CO2）是一种对我们的气候、环境具有重大影响的分子。通过准确监测并更好地了解其来源和影响，我们可以采取有益的措施，来减轻其影响，努力迈向可持续的未来。
图：MIRO Analytical多合一气体分析仪MGA能够以高精度同时监测多达10种不同的气体
MIRO Analytical使用中红外区域的直接激光吸收光谱技术，来监测二氧化碳以及其他9种气体。中红外直接激光吸收光谱由于具有较高的灵敏度和识别度，是一种出色的二氧化碳监测技术。它通过检测分子的振动吸收谱线，直接测量二氧化碳浓度，以提供实时监测功能和优异的精度。该方法是非破坏性的，覆盖了广泛的二氧化碳浓度动态范围，并且不容易受到其他气体的干扰，因此适用于研究、大气和环境监测以及工业领域中的各种应用。此外，它还能进行同位素分析，对于在复杂环境系统中追踪碳源具有重要价值。