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关注环境监测 刘文清院士谈光谱技术的研究和应用

时间:2018-11-30 14:33

来源:中国仪器网

作者:何聪

2018年11月21日,“第十一届中国在线分析仪器应用及发展国际论坛暨展览会”(CIOAE 2018)在南京国际展览中心举办了隆重的开幕式。仪式结束后,来自中国科学院合肥物质科学研究院的刘文清院士成为本届论坛的第一位报告人。

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中国科学院合肥物质科学研究院 刘文清院士

刘文清院士是我国环境光学监测领域专家,成功将光谱学技术应用于环境监测,开拓了中国环境光学监测技术新领域。他发展了高灵敏环境监测新方法、新技术,并达到了国际先进水平。此外,还研发了一系列先进的环境监测设备,促进了中国环境监测技术的进步。作为本届在线分析仪器论坛的重要嘉宾,刘文清院士为与会人士带来了题为《环境监测中的光谱学技术进展》的主题报告。

在本次报告中,刘院士从需求背景、技术进展以及发展思路三大方面出发,阐述了环境监测中的光谱技术进展。他首先介绍了二次细颗粒物的主要来源,并指出,目前国内大气臭氧污染有恶化和蔓延的趋势。众所周知,VOCs是二次颗粒物和臭氧的共同前体物。尽管我国已经推出了一系列大气污染控制方案,但是VOCs的控制仍然大大落后于全国大气环境保护的要求。有研究显示,VOCs是“大气十条”实施后排放仍在增长的唯一污染物。刘院士认为,目前我国城市大气污染仍然较为严重,区域性污染问题突出,秋冬季重污染天气多发频发,给环境保护工作带来了挑战。

随后,刘院士重点介绍了当前环境监测技术的研究与应用进展。他首先分别根据专业化程度、测量范围、技术达到的空间分辨率以及技术原理,对环境监测技术进行了分类。比如,根据技术原理来看,环境监测技术可以分为气相色谱分析(通用型、在线型)、光谱学分析(通用型、在线型、遥感型)、质谱分析(通用型)以及其他监测技术(化学发光、电化学、高性能液相色谱、离子色谱)等等。刘院士以测量时间、灵敏性/选择性/精确性为两大维度,对质谱技术、气相色谱和离子色谱技术、化学&电化学技术、DOAS&FTIR技术、几种环境监测技术性能进行了比较。此外,他还特别介绍了光学发展与诺贝尔物理奖之间的渊源,尤其是近几年来以光学成就获奖的几位科学家。

谈及目前所在单位研发的技术成果,刘院士列举了主/被动差分光学吸收光谱学(DOAS)、主/被动傅里叶变换红外光谱学(FTIR)、半导体激光光谱学(TDLAS)、环境监测激光雷达(LIDAR、Raman)、光与激光散射和吸收(LiSA)、激光诱导荧光光谱学(LIFS)、激光击穿光谱学(LIBS)等一系列大气环境污染现场监测技术,以及在线现场监测、地基平台监测、机载平台监测、球载平台监测、星载平台监测等应用领域。

不过就目前而言,大气氧化性测量相关仪器还存在一些科学问题。刘院士谈到,自由基对大气氧化性的贡献在90%以上。由于自由基化学活性高、寿命短,而且时空变化剧烈,浓度极低,因此自由基的准确场测量是大气化学领域最富挑战性的研究工作之一。他随后列举了目前的三大OH自由基探测技术——FAGE(气体扩张激光诱导荧光)、DOAS(激光差分吸收光谱)和CIMS(化学电离质谱),并分别介绍了三者在探测限分子、时间、精度和性能上的差异。

关于OH气体扩张激光诱导荧光,他详细介绍了技术原理和一些关键技术,包括高效低损耗采样(超音速射流设计)、激光波长稳频技术(参考池)、高效荧光收集技术、PMT门控荧光探测以及定标技术。谈及OH自由基标定、系统性能,刘院士提出采用同时光解水汽、氧气来产生OH自由基进行标定,并介绍了FAGE-HOx系统外场测试方面的研究。

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报告会现场

刘院士提出,傅里叶红外干涉仪有着广泛的实际应用价值,可以弥补目前例行业务监测手段、内容和范围的不足。目前的实际应用已经包括危险化学品泄露遥测系统、便携式VOCs多组份分析仪、污染源排放车载遥测、固定源VOCs在线分析仪、开放光路VOCs现场监测等等。

就具体的应用案例而言,刘院士介绍了园区全方位、网格化在线监测;甘肃庆阳石化园区对VOC排放实施的预警性监测;采取天地空一体化大气环境综合观测技术,针对大气重污染成因与治理进行攻关;掌握污染状况和变化规律;在高分五号卫星方面的应用等等。

最后,刘院长谈到了环境监测中光谱学技术的发展思路。他从环境技术的国家需求出发,点明了未来的几大重点发展方向:

影响国家环境安全,涉及重大国际环境问题与履约等环境战略,国家急需用监测数据来说明问题但还没有手段的大气环境监测技术和仪器设备研发;影响生态环境改善,危害人体健康,进而影响国家可持续发展战略实施的环境问题中涉及的环境监测技术和系统研发;基于地基(点源、面源、移动源、无组织源)、机载、球载和星载平台的新型环境监测技术与系统研发。此外,还有推进互联网+智慧北京PK10官网以及研发小型化轻量化传感器等发展趋势。

编辑:赵凡

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