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激光诱导击穿光谱技术快速探测煤灰中的重金属锌(英文) 被引量:4
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作者 周冯斌 刘玉柱 +5 位作者 丁宇 尹文怡 祝若松 张启航 金峰 章炎麟 《光谱学与光谱分析》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2019年第6期1980-1985,共6页
煤灰的成分指的是煤中矿物质的完全燃烧,产生各种金属和非金属氧化物和盐,这是使用煤时的重要参数。煤被广泛用于生产和人民生活,作为重要的能源物质。大量来自燃煤燃烧的煤尘(煤灰)被释放到大气中并与大气中的各种物质相互作用而形成... 煤灰的成分指的是煤中矿物质的完全燃烧,产生各种金属和非金属氧化物和盐,这是使用煤时的重要参数。煤被广泛用于生产和人民生活,作为重要的能源物质。大量来自燃煤燃烧的煤尘(煤灰)被释放到大气中并与大气中的各种物质相互作用而形成雾霾。煤灰中的金属氧化物和空气中的小液滴之间发生一系列物理化学反应,这导致了雾霾的形成。在实验中,采用激光诱导击穿光谱(LIBS)分析煤灰中的元素。实验样品由某钢铁公司提供,分为七个样品,并标上序号。样品分别加入蒸馏水和0.1‰,0.2‰,0.2%,0.4%,0.8%,1%硫酸锌溶液,分别用1~7号标记。为了获得更好的LIBS信号,样品被研磨为粉末状,并使用蒸馏水使硫酸锌与煤灰充分混合。通过使用压片机将煤灰压制成10mm直径和10mm厚的煤灰块。为获得准确的元素结果,X射线荧光光谱也被用作参考,并且原始样品不含锌元素。由于光谱分析和波长漂移现象的不确定性,因此实验中,分别选择了铁,钙,钛和铝四种高纯单质。在相同的实验条件下,将四条测量的元素谱线与NIST原子光谱数据库中相应的谱图比较。实验中的所有光谱根据波长差或偏移进行校正。此时,纯单质的元素谱线可以与样品的光谱对齐。当元素谱中的特征线与样品中的谱线对齐时,样品就可以被识别和确认。由于铝元素与目标元素具有相似的化学和物理性质,铝元素是煤灰和地壳中的主要元素之一,具有中等的光谱强度。因此将铝元素作为内标元素,运用内标校准方法来确定样品中锌的浓度。模拟含锌大气气溶胶是通过向煤灰中添加含锌元素来实现的。还有一些其他的金属元素,包括铁,钙,锰,钛和铝也被用来加入煤灰中,用以模拟大气气溶胶。两种方法的相对差异分别为1.78%,3.39%,5.17%,0.20%。造成差异的原因可能是由于光谱仪缺乏分辨率或背景噪声的影响,这是可能导致测量误差的原因之一。由于实验室条件的限制,无法确定基底是否会影响实验结果,这将在未来的实验中得到进一步的证实。实验拟合曲线测得煤灰中锌的线性相关系数为0.99572,这表明可以通过粗略估算锌的激光强度来估计煤灰中的锌含量的实现。实验结果证明LIBS技术可用于煤灰中金属元素的快速检测,为基于锌含量的大气环境检测提供了一种新方法。在建立元素的校准曲线后,LIBS技术将来可以用来进行更快速,更准确的定量分析。 展开更多
关键词 激光诱导击穿光谱 煤灰 重金属 气溶胶 定量分析
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利用激光诱导击穿光谱技术原位在线探测秸秆燃烧烟尘 被引量:1
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作者 丁鹏飞 刘玉柱 +3 位作者 张启航 颜逸辉 尹文怡 陈宇 《光谱学与光谱分析》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2020年第10期3292-3297,共6页
焚烧秸秆对大气环境具有很大的危害,燃烧过程中重金属元素会随着烟尘飘散到空气中,严重污染大气环境,探测随秸秆燃烧烟尘扩散到空气中的重金属元素具有重要意义。采用激光诱导击穿光谱(LIBS)技术对秸秆燃烧烟尘进行原位在线探测,对其中... 焚烧秸秆对大气环境具有很大的危害,燃烧过程中重金属元素会随着烟尘飘散到空气中,严重污染大气环境,探测随秸秆燃烧烟尘扩散到空气中的重金属元素具有重要意义。采用激光诱导击穿光谱(LIBS)技术对秸秆燃烧烟尘进行原位在线探测,对其中的重金属元素进行在线分析。实验仪器由Nd∶YAG单脉冲激光器(波长1064 nm,激光能量为290 mJ·pulse^-1,重复频率10 Hz),Avantes光谱仪(AvasSpec-ULS2048-4Channel-usb2.0,光谱检测范围200~890 nm,分辨率0.13 nm)、反射镜、聚焦透镜(焦距为150 mm)、时序发生器组成,光谱仪的延迟时间设定为6μs。激光器发射出的激光经反射镜与聚焦透镜聚集到烟尘中,并产生高温等离子体,经光谱仪采集信号获得LIBS光谱。实验样品为华东地区成熟水稻茎叶。首先对空气进行LIBS探测,可以从光谱图中观察到N,O,Hα和Hβ等元素,同一实验条件下再对烟尘进行LIBS探测并得到光谱图,观察到秸秆燃烧产生的烟尘中含有C,Mg,Ca,Mn,Na和K等元素,其中Mn为重金属元素,验证了LIBS探测秸秆燃烧烟尘中重金属元素的可行性。在烟尘光谱图中同时观察到CN分子(自由基)谱线的存在,秸秆燃烧过程中产生的CO 2分子在激光的辐射下与空气中的N 2发生反应生成CN分子(自由基),在同一条件下对激光焦点进行人工吹气,得到的光谱图中同样探测到了CN分子谱线。利用LIFEBASE软件拟合烟尘中的CN分子谱线,获得拟合数据,同时得到CN分子的振动温度为8000 K,转动温度为7700 K。制备含铅的秸秆样品,将相同质量的两份样品分别浸泡在不同浓度的乙酸铅溶液中,并进行烘干处理。对两种样品进行LIBS探测并得到光谱图,通过对比含铅秸秆样品与原始秸秆样品,含铅秸秆样品的光谱图中多出波长为357.261,363.898,368.370,373.945和405.747 nm的五条谱线,与NIST数据库对比发现五条谱线都为铅元素的光谱线。以CaⅡ(393.329 nm)谱线为参考线对含铅样品的光谱图进行归一化处理,观察到含铅浓度高的样品光谱图中铅的特征峰值强度比含铅浓度低的样品光谱图中铅的特征峰值强度高,验证了激光诱导击穿光谱技术对秸秆燃烧烟尘中重金属元素的半定量分析的可行性。 展开更多
关键词 激光诱导击穿光谱 秸秆燃烧 重金属 元素分析
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利用激光诱导击穿光谱原位在线检测褐煤及煤烟 被引量:5
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作者 刘娟 刘玉柱 +2 位作者 储晨曦 卜令兵 张扬 《光谱学与光谱分析》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2021年第3期954-960,共7页
褐煤是我国现阶段的主要用煤,但因为其较低的煤化程度,使用时会产生污染环境的二氧化碳和黑灰,而且烟尘中含有的金属离子会危害人体健康,所以开展对褐煤烟尘的研究非常有意义。而激光诱导击穿光谱技术(LIBS)具有快速、多元素同时分析的... 褐煤是我国现阶段的主要用煤,但因为其较低的煤化程度,使用时会产生污染环境的二氧化碳和黑灰,而且烟尘中含有的金属离子会危害人体健康,所以开展对褐煤烟尘的研究非常有意义。而激光诱导击穿光谱技术(LIBS)具有快速、多元素同时分析的特点,适合用于煤烟的原位在线探测。实验制备了含铅浓度不同的三种褐煤样本(O,H,L),其中O为原始无铅样本,利用LIBS对褐煤及煤烟进行原位在线探测。实验仪器主要由激光器,反射镜,聚焦透镜,触发装置,载物平台和分析系统组成。用高纯度铅块校准实验中的的波长漂移。分析了褐煤样本O,H,L的元素成分。发现褐煤O中含有C,Si,Fe,Mg,Al,Ca,Sr,Na等元素,同时检测到空气中的元素N,O,H_(α)和H_(β)等,且含铅褐煤光谱中多出了8条铅元素的谱线,最后给出了褐煤中主要元素的光谱鉴别表。然后使用447 nm的连续光点燃褐煤,将1064 nm的脉冲光聚焦在煤烟上,对褐煤煤烟进行了原位在线检测。发现煤烟中含有Mg,Ca,Al,Sr,Pb等金属离子,说明了褐煤中的一些金属离子会随着煤烟排放到空气中并危害人体健康。经褐煤及煤烟的光谱比较,发现煤烟的信噪比更差,且所有元素的谱线强度都比在褐煤中弱很多,另外发现在烟尘中碳原子谱线的相对强度是所有元素中最高的(无明火),这说明LIBS可以有效探测CO_(2)。分析了实验中的CN分子谱,给出了CN分子的具体波长,并利用LIFBASE软件拟合了CN分子的转动温度和振动温度,分别为6780和7520 K。最后对样本H和L两种煤烟中的铅浓度进行分析,选取参考线(CaⅡ363.846 nm)归一化之后比较了铅元素在363.956,368.346和405.780 nm处的相对强度,发现这三条特征谱线的相对强度与自身实际所含的铅浓度呈很好的线性关系,验证了LIBS技术应用于煤烟中重金属元素半定量分析的可行性。 展开更多
关键词 激光诱导击穿光谱 褐煤燃烧 原位在线检测 重金属 元素分析
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外电场对溴苯分子光谱特征影响的研究 被引量:4
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作者 陈宇 刘玉柱 +1 位作者 王兴晨 布玛丽亚·阿布力米提 《光谱学与光谱分析》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2020年第12期3732-3735,共4页
芳香族化合物是一类广泛存在于自然界的性质稳定、具有很大毒性和致癌、致畸性的化学物质。其中,溴苯(C6H5Br)是破坏自然环境并对人类身体健康有严重威胁的有机污染物之一,研究外电场对溴苯光谱特征的影响在大气化学、燃烧化学、环境监... 芳香族化合物是一类广泛存在于自然界的性质稳定、具有很大毒性和致癌、致畸性的化学物质。其中,溴苯(C6H5Br)是破坏自然环境并对人类身体健康有严重威胁的有机污染物之一,研究外电场对溴苯光谱特征的影响在大气化学、燃烧化学、环境监测等领域有很广泛的应用。基于密度泛函理论(density functional theory, DFT),在BPV86/6-311G(d, p)水平上计算优化得到了不同外加电场(0~0.03 a.u.)下,溴苯分子的红外光谱。并在此基础上,用同样的基组计算优化得到了溴苯分子的紫外-可见吸收(UV-Vis)光谱。在实际测量过程存在诸多困难,很难得到特定大小和方向电场下溴苯分子的红外光谱、 UV-Vis光谱等物理特性。研究表明:通过与实验值比较,基于密度泛函理论计算得到的溴苯的红外光谱和UV-Vis光谱具有很高的准确度和很好的分辨率,且包含的波长范围更广。因此这些结果可作为实验值的补充,为在理论上研究外电场对溴苯分子C-Br键振动频率、红外光谱和UV-Vis光谱的影响提供了新的方法和思路,具有很强的参考价值。无外电场情况下,由于C-H键振动,溴苯分子的红外光谱在频率为718 cm^-1处出现了最强吸收峰,在1 455 cm^-1处产生了一个仅次于最强峰的吸收峰。C-Br键在727和1 185 cm^-1附近有两个较强的吸收峰。随着外电场从0增大到0.03a.u., C—Br键的两个红外光谱特征峰均发生不同程度的红移且振动强度增大,部分C-H键振动也有类似的变化。电荷沿C-Br键从6C原子转移到Br原子,大大增强了Br原子的电负性, 6C原子的负电荷密度略有降低。因此, 6C原子和Br原子之间的库仑力增大,导致C-Br键红外光谱的振动强度增大。同时, UV-Vis光谱最强峰对应的波长从191.6 nm蓝移到187.4 nm,摩尔吸收系数从23 402.171增大到28 885.125。这些结果为研究溴苯在外电场下的光谱检测提供了理论参考,也对研究其他有机污染物的光谱检测方法有启示作用。 展开更多
关键词 溴苯 密度泛函理论 红外光谱 紫外-可见吸收光谱
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CF_3I分子在外电场中的物理和光谱性质研究 被引量:8
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作者 段逸群 刘玉柱 +3 位作者 李静 张翔云 秦朝朝 布玛丽亚.阿布力米提 《原子与分子物理学报》 CAS 北大核心 2018年第5期719-724,共6页
CF_3I是公认的用以代替SF6的新型环保绝缘气体,其在外电场中的具体性质的研究至关重要.利用密度泛函理论(DFT),在B3LYP/DGDZVP基组水平上,从分子结构角度研究了CF_3I气体在外电场(-0. 02 a. u.~0. 02 a. u.)作用下的光谱特征和解离特性... CF_3I是公认的用以代替SF6的新型环保绝缘气体,其在外电场中的具体性质的研究至关重要.利用密度泛函理论(DFT),在B3LYP/DGDZVP基组水平上,从分子结构角度研究了CF_3I气体在外电场(-0. 02 a. u.~0. 02 a. u.)作用下的光谱特征和解离特性.计算结果表明,沿C至I方向的电场增强时:C-I键键长单调增大,能隙E_g单调减小;分子总能量先增大后减小,偶极矩先减小后增大;费米能级EF单调减小,但当电场增至C至I方向0. 010 a. u.时,费米能级EF出现局部极大值.外电场对分子红外光谱的影响表现为:沿C至I方向电场强度增大时,四个振动频率红移(包括最高峰),其余两个蓝移.分子的解离特性表现为:沿C至I方向强度超过0. 025 a. u.的电场可使C-I键断裂.以上结果为CF_3I或其与其混合物在外电场下的特性研究提供了参考. 展开更多
关键词 CF3I 密度泛函理论 红外光谱 分子降解
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激光诱导击穿光谱对四种香的快速检测 被引量:3
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作者 尹文怡 刘玉柱 +2 位作者 邱学军 周冯斌 张启航 《光谱学与光谱分析》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2018年第9期2957-2961,共5页
激光诱导击穿光谱技术(laser-induced breakdown spectroscopy)作为一种极具前景的分析和测量技术应用日益广泛。对四种香(艾草香、藏香、檀香、沉香)样品进行了激光等离子体光谱测量和分析,得到了样品中元素的成分;并且对四种香样品中... 激光诱导击穿光谱技术(laser-induced breakdown spectroscopy)作为一种极具前景的分析和测量技术应用日益广泛。对四种香(艾草香、藏香、檀香、沉香)样品进行了激光等离子体光谱测量和分析,得到了样品中元素的成分;并且对四种香样品中的Cu,Mn,Ca和Fe四种金属元素典型谱线的强度进行了统计分析和元素含量的对比。基于等离子体的局域热动力学的平衡模型,计算了Ca元素的等离子体温度。实验结果为采用激光诱导击穿光谱对香品成分进行快速检测和分析的可行性提供了依据。 展开更多
关键词 激光诱导击穿光谱 快速检测 元素分析 等离子体
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