臭氧濃度檢測(cè)方法

2018-4-8 0:45:04??????點(diǎn)擊：

   濃度檢測(cè)方法大致可分為“化學(xué)分析法”、“物理分析法”、“物理化學(xué)分析法”三類。
1.化學(xué)檢測(cè)法
1.1 碘量法 
碘量法是最常用的臭氧測(cè)定方法，我國(guó)和許多國(guó)家均把此法作為測(cè)定氣體臭氧的標(biāo)準(zhǔn)方法，我國(guó)建設(shè)部發(fā)布的《臭氧發(fā)生器臭氧濃度、產(chǎn)量、電耗的測(cè)量》標(biāo)準(zhǔn) CJ/T 3028.2 — 94 中即規(guī)定使用碘量法。其原理為強(qiáng)氧化劑臭氧（ O 3 ）與碘化鉀（ KI ）水溶液反應(yīng)生成游離碘（ I 2）。臭氧還原為氧氣。反應(yīng)式為： 
O3 + 2KI + H2O → O2 + I2 + 2KOH 
游離碘顯色，依在水中濃度由低至高呈淺黃至深紅色。
利用硫代硫酸鈉（ NaS2O3 ）標(biāo)準(zhǔn)液滴定，游離碘變?yōu)榈饣c（ NaI ），反應(yīng)終點(diǎn)為完全褪色止。反應(yīng)式為： 
I2 + 2Na2S2O3→ 2NaI + NaS4 O6
兩反應(yīng)式建立起 O3反應(yīng)量與 NaS2O3消耗量的定量關(guān)系為 1molO3 ： 2mol NaS2O3 ，則臭氧濃度 CO3計(jì)算式為： 
CO3 =40x3x1000/1000 （ mg/L ） 
式中：
CO3——臭氧濃度， mg/L ； 
A Na ——硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)液用量，ml ； 
B ——硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)液濃度，mol/L ； 
V 0 ——臭氧化氣體取樣體積，ml 。 
操作程序及方法參照標(biāo)準(zhǔn) CJ/T3028.2—94 。 
測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)型發(fā)生器濃度很方便。臭氧化氣體積用流量計(jì)計(jì)數(shù)，NaS2O3濃度一般配制為 0.100mol/L ，測(cè)定精度可達(dá)± 1% 。 
測(cè)定空氣中臭氧濃度時(shí)，應(yīng)用在氣采樣器抽氣定量。為保證測(cè)定精度，NaS2O3配為 0.10mol/L 。 
測(cè)定水溶臭氧濃度亦可用此公式計(jì)算，只是 V 0 代表采水量，取 1000ml 。NaS 2O3濃度為 0.10mol/L 。 
碘量法優(yōu)點(diǎn)為顯色直觀。不需要貴重儀器。缺點(diǎn)是易受其氧化劑如 NO、CI2等物質(zhì)的干擾，在重要檢測(cè)時(shí)應(yīng)減除其它氧化物質(zhì)的影響。 
1.2 比色法 
比色法是根據(jù)臭氧與不同化學(xué)試劑的顯色或脫色反應(yīng)程度來確定臭氧濃度的方法。按比色手段分為人工色樣比色與光度計(jì)色 .此法多用于檢測(cè)水溶解臭氧濃度 . 
國(guó)內(nèi)檢測(cè)瓶裝水臭氧溶解濃度有使用碘化鉀、鄰聯(lián)甲胺等比色液的。其方式是利用檢測(cè)樣品顯色液管相比較，確定測(cè)樣臭氧溶解度值（ 0.05~0.08mg/L ） , 要求精確的，則利用分光光度計(jì)檢測(cè)。 
國(guó)外利用此法做成儀器，配制標(biāo)準(zhǔn)工具與藥品作為現(xiàn)場(chǎng)抽檢使用，很方便。如美國(guó) HACH 公司、日本荏原公司的 DPD （二己基對(duì)苯二胺）比色盤，范圍為 0.05~2mg/L 。美國(guó) HACH 公司微型比色儀，利用靛藍(lán)染料脫色反應(yīng)。在 600nm 波長(zhǎng)比色，0.05~0.75nm/L 濃度數(shù)字顯示，精度± 0.01nm/L 。受其它氧化劑干擾少。 
1.3 檢測(cè)管 
將臭氧氧化可變化試劑浸漬在載體上，作為反應(yīng)劑封裝在標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)徑的玻璃管內(nèi)做成測(cè)管，使用時(shí)將檢測(cè)管兩端切斷，把抽氣器接到檢測(cè)管出氣端吸取定量臭氧氣體，臭氧濃度與檢測(cè)管內(nèi)反應(yīng)劑柱變色長(zhǎng)度成正比，通過刻度值讀取濃度值。
德國(guó)、日本和我國(guó)都生產(chǎn)臭氧檢測(cè)管，濃度范圍分為高（ 1000ppm ）、中（ 10ppm ）、低（ 3ppm ）三種，用于檢測(cè)空氣臭氧濃度，適于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，使用簡(jiǎn)便，但精度低（為± 15% ）。 
2.物理方法 
物理方法分析臭氧現(xiàn)在在國(guó)際上最流行的是紫外線吸收法。它是利用臭氧對(duì) 254nm 波長(zhǎng)的紫外線特征吸收的特性，依據(jù)比爾—郎伯（ Beer-Lambert ）定律制造出的分析儀器，只要選擇合適長(zhǎng)度的吸收池，就可以檢測(cè) 0.002mg/m3~5% （ vol ）濃度的臭氧。其線形在 4~5 個(gè)數(shù)量級(jí)內(nèi)都很好。該法已被我國(guó)作為環(huán)境空氣中測(cè)定臭氧的標(biāo)準(zhǔn)方法（ GB1/T1154348 ）。 
紫外線吸收法不但可以適用于檢測(cè)氣體中臭氧濃度，也可以檢測(cè)水中溶存的臭氧濃度。
紫外線吸收法的儀器在美國(guó)、的國(guó)、瑞士、日本都有產(chǎn)品。我國(guó)北京分析儀器廠于 1985 年引進(jìn)了美國(guó)莫尼特（ MONITOR LABS）公司的 ML-8810 型紫外吸收式臭氧分析器，用于環(huán)境檢測(cè)， 1992 年以后又陸續(xù)擴(kuò)展量程到 100ppm 、 1000ppm 。北京超能自控實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究所在 1999 年開發(fā)了 ZX-01 系列紫外線吸收式臭氧分析器，其測(cè)量范圍從 0~10ppm （用于環(huán)境檢測(cè)）、0~100ppm 、 0~1000ppm 、 0~10000ppm 到 0~25000ppm 。 
2.1 紫外線吸收法原理

輻射被某種氣體或液體吸收是受朗伯 - 比爾（ Lambert Beer ）定律控制的： 
I = I o e – klc 
式中 I o —— 入射光束的強(qiáng)度； 
I—— 光束穿透樣品（氣體或液體）后的強(qiáng)度；
l—— 通過樣品光程的長(zhǎng)度；
c—— 樣品內(nèi)吸收物質(zhì)的濃度；
k—— 吸收物質(zhì)對(duì)該光線波長(zhǎng)的比吸收系數(shù)。
此種檢測(cè)需要對(duì)物質(zhì)在已知波長(zhǎng)下 k 值的精確了解。 
2.2 臭氧檢測(cè) 
臭氧吸收短波紫外區(qū)（ 200~300nm ）哈特雷波段紫外光，在 253.7nm 處具有最大吸收（圖1 ）。在此波長(zhǎng)，吸收系數(shù)值的范圍照射到光線接收器上，一部分輻射光線被分光鏡折射到參比檢測(cè)用的另一光線接收器上，光強(qiáng)用一可變光欄調(diào)節(jié)到同一水平。兩只光線接受器接在橋式電路內(nèi)，測(cè)皿吸收的光引起橋式電路的不平衡，一只伺服電機(jī)供恢復(fù)平衡用，其校正動(dòng)作范圍與光吸收相符。該儀器內(nèi)裝有自動(dòng)零點(diǎn)補(bǔ)償。當(dāng)測(cè)量空氣中臭氧時(shí)，通過一只電磁閥將惰性氣引入測(cè)皿，當(dāng)檢測(cè)水中臭氧時(shí)，將標(biāo)準(zhǔn)溶液注入測(cè)皿。

3. 物理化學(xué)方法 
3.1 靛藍(lán)二磺酸鈉（簡(jiǎn)稱 IDS ）分光光度法 
其原理是含臭氧的氣體在有多孔玻板的吸收管中通過蘭色的 IDS 溶液，生成的溶液用分光廣度計(jì)在 610nm 處測(cè)量，通過計(jì)算得出臭氧濃度。這種方法操作比較復(fù)雜，用于檢測(cè)環(huán)境中臭氧濃度或作為基準(zhǔn)用來標(biāo)定物理方法儀器（低濃度）。 
IDS 法也被定為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)用來測(cè)定環(huán)境中的臭氧濃度（ GB/T15437 ）。
3.2 化學(xué)發(fā)光法 
該法是利用臺(tái)過量的乙烯（或 NO）與臭氧發(fā)生化學(xué)發(fā)光，用光電倍增管接受發(fā)光光強(qiáng)來計(jì)算出臭氧的濃度。此法在上世紀(jì)七、八十年代很盛行，曾經(jīng)被美國(guó) ERP 列為環(huán)境檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)方法之一?，F(xiàn)已被紫外法所取代。 
4.水中臭氧檢測(cè)方法 
測(cè)量水中溶存臭氧濃度除了用碘量法和紫外線吸收法之外，近年來國(guó)際上普遍采用了一種稱之為“膜電極”的電化學(xué)方法，它是用一個(gè)帶有可更換的能滲透臭氧的半透膜的探頭和微處理器組成。測(cè)量時(shí)將探頭敏感部分置于臭氧水中，在陰陽(yáng)極之間加一固定極化電壓，溶存的臭氧透過半透膜到達(dá)陰極表面并被還原，產(chǎn)生與臭氧濃度成正比的擴(kuò)散電流，擴(kuò)散電流大小可用下式表示：
I=KC 
式中： I —擴(kuò)散電流（A） 
K —常數(shù)
C — O3濃度（ mg/L ） 
國(guó)外在對(duì)各種半透膜材料、電極材料、電解質(zhì)以及外加電壓電位的研究后，制造出一種電流的穩(wěn)態(tài)電壓的膜電極，線形和再現(xiàn)性都很好。膜電極法抗干擾能力強(qiáng)、靈敏度高、量程廣、可用于在線分析和控制。國(guó)際上有越來越廣泛地使用膜電極法分析水中臭氧濃度的趨勢(shì)。美國(guó)的 ATI 公司， ROSEMOUNT 公司和瑞士的 ROS 公司都有膜電極罰臭氧分析儀。 
5.臭氧濃度單位 
近年來我國(guó)臭氧產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，產(chǎn)品種類繁多，有些產(chǎn)品表達(dá)濃度的單位使用混亂，容易被人誤解。
5.1 氣體中臭氧濃度表示方法 
一種是以單位體積內(nèi)所含臭氧的質(zhì)量數(shù)表示，常用的單位有 mg/L 、mg/m3 、 μg/m3簡(jiǎn)稱質(zhì)量濃度，它們的關(guān)系是：1mg/L=103mg/m3 =106μg/m3 
我國(guó)各種標(biāo)準(zhǔn)均采用質(zhì)量濃度。
另一種用 ppm 或 ppb 作為濃度單位，稱為體積濃度。 ppm （ parts per million ）單位是指在 100 萬氣體體積中含有臭氧的體積數(shù)，在美國(guó)、日本等國(guó)家習(xí)慣使用體積濃度。1ppm = 103ppb 
但是ppb（parts per million）的含義不明確。在美國(guó)和法國(guó)，“ billion ”的意義為十億（ 10-9 ）， ppb 意味著十億分之一（ 10 -9 ）；而在英國(guó)和德國(guó)，“ billion ”為萬億（ 10-12 ）， ppb 意味著萬億分之一（ 10 -12 ）。因此，這是一種容易混淆的表達(dá)方式。國(guó)際純粹化學(xué)與應(yīng)用化學(xué)協(xié)會(huì)與 1971 年 7 月作出“不宜采用”的決定。 
在我國(guó) ppb一般指 10-9 。 
也有用體積百分比%（vol）和 pphm 來表示體積濃度的，它們的關(guān)系式是 
1%（vol）=104ppm =106pphm =107ppb 
兩種單位可用下面公式換算：
X （ ppm ） =40x/3x ?A（mg/m3）或A=3x/40x?X 
式中：A ——以 mg/m3表示的臭氧濃度 
X ——以 ppm 表示的臭氧濃度 
M ——氣體的摩爾量（臭氧為 48 ） 
22.4 ——NPT（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，273K ，101.3kPa ，即 0 ℃，760mmHg）的氣體摩爾體積 
例如，大氣中的臭氧含量為 1ppm ，則用 mg/m3 表示。 
A= 40x/3x?X =40x/3x =2.14 （ mg/m3 ）。 
在美國(guó)、日本和國(guó)際全球檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)是指 298K （ 25 ℃）和 101.3kPa（760mmHg）這時(shí)的氣體體積為 24.45L/mol，這樣 
1ppm = 1.963mg/m3 。
還有一種用重量百分比來表示臭氧的濃度。一般用%（ wt ）表示，%（ wt ）的含義是：臭氧的質(zhì)量 / 含有臭氧氣體的質(zhì)量× 100% 。 
這樣，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下
1ppm = 2.14mg/m3 = 1.66 × 10 -4 %（ wt ） 
1% （ wt ）（空氣中） = 12.93g/m3 = 6042ppm 
1% （ wt ）（氧氣中） =14.3g/m3 = 6682ppm 
空氣密度為 1293g/m3，氧氣密度為 1430g/m3。 
5.2 表示水中溶存臭氧的單位有 mg/l 、 g/m3 和 ppm （ wt ） 
mg/L ——其含義是臭氧的質(zhì)量（ mg ）/ 含有臭氧水的容積（ m3 ） 
g/m3——是臭氧的質(zhì)量（ mg ） / 含有臭氧水的容積（ m3 ） 
ppm ——是臭氧的質(zhì)量 / 含有臭氧水的質(zhì)量×106 
1mf/l = 1g/m3= 1ppm 
6.臭氧檢測(cè)中應(yīng)注意事項(xiàng) 
6.1 采樣管材料應(yīng)選用抗強(qiáng)氧化的材料，如玻璃、聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯；不銹鋼材料也盡量少用，以減少采樣管中臭氧損耗。
6.2 采樣管應(yīng)盡量短，測(cè)量低濃度時(shí)一般不要超過 2m 。 
6.3 從采樣管到檢測(cè)儀器，不要漏氣，否則測(cè)量值偏低。
6.4 檢測(cè)較低濃度（如檢測(cè)環(huán)境）臭氧時(shí)，新的聚四氟乙烯管也要充分的進(jìn)行“臭氧化”，即通過含較高濃度臭氧的氣體來穩(wěn)定采樣管內(nèi)壁。日本荏原公司認(rèn)為要 20min 以上才能穩(wěn)定，而美國(guó)莫尼特公司要求數(shù)小時(shí)。 
6.5 采樣管要定時(shí)清洗、吹干。不清潔的采樣管會(huì)使測(cè)量值偏低很多。
6.6 臭氧分析儀要定時(shí)進(jìn)行標(biāo)定，以保證測(cè)量數(shù)據(jù)可靠。