本發(fā)明屬于非均相反應測試技術領域，具體涉及一種氣、液非均相反應原位紅外光譜測試系統(tǒng)。

背景技術：

氣、液非均相反應時刻發(fā)生在大氣中。通過氣、液非均相反應，懸浮在大氣中的液態(tài)氣溶膠顆粒可改變其化學組分、吸濕性、折射率、尺寸大小等性質，從而影響大氣能見度、大氣水循環(huán)、氣候變化、人類健康等。研究氣、液非均相反應，包括研究反應產(chǎn)物的種類、數(shù)量及其物理化學特性，反應速率，反應路徑、機理等，對于認識氣溶膠顆粒在大氣中的形成、生長、轉化等過程、以及有效治理大氣污染、準確預測氣候變化等具有重要意義。

目前，研究氣、液非均相反應多采用氣相色譜-質譜(氣-質)聯(lián)用技術。氣-質聯(lián)用技術可以給出不同反應時刻反應產(chǎn)物的種類及其對應含量，為氣、液非均相反應動力學研究、反應機理研究等提供重要數(shù)據(jù)。然而，氣-質聯(lián)用技術的實驗操作流程相對復雜，后續(xù)數(shù)據(jù)處理繁復，儀器價格昂貴，且對被測液體樣品的物性也有要求，一般要求液體樣品能夠被霧化且具有較高的熱穩(wěn)定性，這使得該技術的應用范圍受到限制。此外，真實大氣環(huán)境中溫度和濕度的變化范圍非常寬，不同溫度、濕度條件下發(fā)生的氣、液非均相反應速率可能差別很大，甚至反應路徑都有所不同，而利用氣-質聯(lián)用技術研究氣、液非均相反應時，較難實現(xiàn)對反應溫度和濕度的調控，進一步限制了氣-質聯(lián)用技術在氣、液非均相反應研究中的應用。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種氣、液非均相反應原位紅外光譜測試系統(tǒng)。

為達此目的，本發(fā)明具體采用如下技術方案：

一種氣、液非均相反應原位紅外光譜測試系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括依次連接的氣體發(fā)生裝置、干氣路和濕氣路、濕度監(jiān)測裝置、排空氣路和反應氣路、溫度控制裝置、紅外光譜測試裝置及計算機，其中濕度監(jiān)測裝置通過排空氣路及反應氣路連接至紅外光譜測試裝置，所述的紅外光譜測試裝置包括紅外光源和檢測器；

所述的液體樣品池包括可拆卸液體樣品池蓋和液體樣品池底座，所述的液體樣品池蓋為不銹鋼中空結構，液體樣品池蓋內充循環(huán)冷卻液，液體樣品池蓋的側面設置有循環(huán)冷卻液進口和循環(huán)冷卻液出口，循環(huán)冷卻液進口和循環(huán)冷卻液出口通過乳膠管與溫度控制裝置相連，液體樣品池蓋上部設置有通入液體樣品池的氣路管道的進氣孔和流出液體樣品池的氣路管道的出氣孔；所述的進氣孔和出氣孔內設置有溫度計。

進一步，所述的干氣路包括氣體導管和安裝在氣體導管上的開關及流量計，濕氣路包括氣體導管和安裝在氣體導管上的開關、流量計和濕度發(fā)生裝置，干氣路和濕氣路合并成一個氣路管道經(jīng)濕度監(jiān)測裝置后分成排空氣路和反應氣路，排空氣路包括氣體導管和安裝在氣體導管上的開關，反應氣路包括通入液體樣品池的氣路管道和安裝在氣體導管上的開關，液體樣品池，以及流出液體樣品池的氣路管道和安裝在氣體導管上的開關；液體樣品池外接的溫度控制裝置控制液體樣品池的溫度，液體樣品池外接的紅外光譜測試裝置記錄液體樣品池內樣品的信息，并將信息傳輸至計算機處理。

進一步，所述的液體樣品池為封閉的液體樣品池，氣路管道與液體樣品池連通的接口進行密封。

所述的溫度計為溫度傳感器

所述的循環(huán)冷卻液為乙二醇和水的混合液；

所述的乳膠管為保溫乳膠管；

所述的液體樣品池底座包括單晶卡槽和通過螺釘固定在單晶卡槽上的可拆卸的裸露的衰減全反射單晶；

所述的單晶卡槽為不銹鋼材質；

所述的衰減全反射單晶為硒化鋅單晶、鍺單晶或金剛石中的一種；

所述的衰減全反射單晶入射角為45°；

所述的液體樣品池蓋與液體樣品池底座通過螺釘密封。

進一步，所述的氣體發(fā)生裝置為氧氣瓶、二氧化碳氣瓶、空氣瓶與臭氧發(fā)生裝置、氧氣瓶與臭氧發(fā)生裝置中的一種；所述的臭氧發(fā)生裝置為紫外燈。

進一步，所述的氣體導管為聚四氟乙烯管；所述的開關為不銹鋼兩通球閥開關；所述的流量計為轉子流量計。

進一步，所述的濕度發(fā)生裝置為露點濕度發(fā)生器。

進一步，所述的濕度監(jiān)測裝置為濕度計。

進一步，所述的溫度控制裝置為精密恒溫循環(huán)器。

進一步，所述的紅外光譜測試裝置為nicolet6700紅外光譜儀；

進一步，所述的液體樣品池的溫度控制范圍為-35℃～40℃，相對濕度調控精度為±2.5％。

本發(fā)明的氣、液非均相反應原位紅外光譜測試系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：

1.可原位實時測量氣、液非均相反應的紅外光譜；

2.根據(jù)測得的紅外光譜特征峰的峰位、峰形、峰高、峰面積等的變化，可獲得不同時刻反應產(chǎn)物的結構、組分以及對應組分含量的信息，從而實現(xiàn)氣、液非均相反應產(chǎn)物的定性和定量分析，為氣、液非均相反應動力學研究、反應機理研究等提供重要數(shù)據(jù)；

3.適用的液體樣品范圍廣，對液體樣品的要求僅為對atr單晶無腐蝕作用；

4.液體樣品無需制樣，只需將適量液體樣品滴在atr單晶表面即可；

5.檢測靈敏度高，所需樣品量少，檢測時間短；

6.能夠方便地實現(xiàn)較寬范圍的溫度和相對濕度的調控，其中溫度調控范圍為-35℃～40℃，相對濕度調控范圍為0～100％，相對濕度調控精度為±2.5％；

7.液體樣品池可拆卸，易清洗，方便重復使用；

8.實驗操作簡單，數(shù)據(jù)處理容易；

9.價格低廉。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的氣、液非均相反應原位紅外光譜測試系統(tǒng)原理圖。

具體實施方式

為了更充分的解釋本發(fā)明的實施，提供下述實施例對本發(fā)明進行說明，但本發(fā)明的實施方式不限于此。

如圖1所示，本發(fā)明的氣、液非均相反應原位紅外光譜測試系統(tǒng)包括：氣體發(fā)生裝置，氣體發(fā)生裝置后分為干氣路和濕氣路，干氣路包括氣體導管和安裝在氣體導管上的開關及流量計，濕氣路包括氣體導管和安裝在氣體導管上的開關、流量計和濕度發(fā)生裝置，干氣路和濕氣路合并成一個氣路管道經(jīng)濕度監(jiān)測裝置后分成排空氣路和反應氣路，排空氣路包括氣體導管和安裝在氣體導管上的開關，反應氣路包括通入液體樣品池的氣路管道和安裝在氣體導管上的開關，液體樣品池，以及流出液體樣品池的氣路管道和安裝在氣體導管上的開關；液體樣品池外接的溫度控制裝置控制液體樣品池的溫度，液體樣品池外接的紅外光譜測試裝置記錄液體樣品池的信息，并將信息傳輸至計算機處理。

所述的液體樣品池為封閉的液體樣品池，氣路管道與液體樣品池連通的接口進行密封。

所述的液體樣品池包括可拆卸液體樣品池蓋和液體樣品池底座。

所述的液體樣品池蓋為不銹鋼中空結構，液體樣品池蓋內充循環(huán)冷卻液，液體樣品池蓋的側面設置有循環(huán)冷卻液進口和循環(huán)冷卻液出口，循環(huán)冷卻液進口和循環(huán)冷卻液出口通過乳膠管與溫度控制裝置相連，液體樣品池蓋上部設置有通入液體樣品池的氣路管道的進氣孔和流出液體樣品池的氣路管道的出氣孔；所述的進氣孔和出氣孔內設置有溫度計；所述的循環(huán)冷卻液為乙二醇和水的混合液；所述的乳膠管為保溫乳膠管；所述的溫度計為溫度傳感器；

所述的液體樣品池底座包括單晶卡槽和通過螺釘固定在單晶卡槽上的可拆卸的裸露的衰減全反射單晶；所述的單晶卡槽為不銹鋼材質；所述的衰減全反射單晶為硒化鋅單晶、鍺單晶或金剛石中的一種；所述的衰減全反射單晶入射角為45°；

所述的液體樣品池蓋與液體樣品池底座通過螺釘密封。

所述的氣體發(fā)生裝置為氧氣瓶、二氧化碳氣瓶、空氣瓶與臭氧發(fā)生裝置、氧氣瓶與臭氧發(fā)生裝置中的一種；所述的臭氧發(fā)生裝置為紫外燈。

所述的氣體導管為聚四氟乙烯管；所述的開關為不銹鋼兩通球閥開關；所述的流量計為轉子流量計。

所述的濕度發(fā)生裝置為露點濕度發(fā)生器。

所述的濕度監(jiān)測裝置為濕度計。

所述的溫度控制裝置為精密恒溫循環(huán)器。

所述的紅外光譜測試裝置為nicolet6700紅外光譜儀；

所述的液體樣品池的溫度控制范圍為-35℃～40℃，相對濕度調控精度為±2.5％。

實施例1

本實施例的液體樣品為亞油酸，本實施例的液體樣品池的溫度控制范圍為20℃，相對濕度調控精度為±2.5％。本實施例的實施過程如下：

首先，將入射角為45°的硒化鋅單晶與單晶卡槽通過螺釘固定在一起組成液體樣品池底座，然后將適量亞油酸液體滴在硒化鋅單晶上表面；再將液體樣品池蓋與液體樣品池底座通過螺釘密封，并將液體樣品池放置在紅外光譜測試裝置的測試光路中；同時，關閉反應氣路的進口開關和出口開關；接著，依次打開干氣路開關、濕氣路開關、濕度發(fā)生裝置、濕度監(jiān)測裝置、排空氣路開關和溫度控制裝置；然后，打開氧氣瓶以及與氧氣瓶連接的紫外燈，產(chǎn)生臭氧氣體，并通過干、濕氣路的流量計調節(jié)臭氧氣體的流量，通過設定濕度發(fā)生裝置的參數(shù)調節(jié)臭氧氣體的相對濕度，通過觀察濕度監(jiān)測裝置的示數(shù)確定臭氧氣體的相對濕度是否達到預設值，通過設定溫度控制裝置的參數(shù)調節(jié)液體樣品池的溫度，通過觀察設置在液體樣品池進氣孔和出氣孔的溫度計的示數(shù)確定液體樣品池的溫度是否達到預設值；待臭氧氣體的流量、相對濕度以及液體樣品池的溫度穩(wěn)定后，打開反應氣路的進口開關和出口開關，同時關閉排空氣路開關，此時，臭氧氣體與亞油酸液體接觸并發(fā)生反應；通過計算機控制紅外光譜測試裝置，即可獲得臭氧氣體與亞油酸液體非均相反應的原位實時紅外光譜。

隨著反應時間的進行，液體樣品池內亞油酸的紅外光譜逐漸發(fā)生變化，表明臭氧氣體與亞油酸液體發(fā)生反應生成了新的物質。例如，位于約1710cm-1歸屬于羧基c＝o伸縮振動的譜峰強度逐漸降低，而位于約1740cm-1歸屬于酯基c＝o伸縮振動的譜峰則緩慢出現(xiàn)并逐漸增強。此外，位于約3010cm-1歸屬于＝ch伸縮振動的譜峰強度逐漸降低，而位于約3430cm-1歸屬于-oh伸縮振動的譜峰緩慢出現(xiàn)并逐漸增強。以上結果表明，臭氧氣體與亞油酸液體發(fā)生反應，使亞油酸逐漸分解并生成含酯基和羥基的新物質。利用反應物亞油酸的特征峰(如1710cm-1)強度或生成物的特征峰(如1740cm-1)強度隨時間的變化率，還可提取臭氧氣體與亞油酸液體非均相反應速率常數(shù)k。在本實施例條件下，得到的反應速率常數(shù)k為5.3×10-4s-1。

本實施例的氣體發(fā)生裝置還可以為氧氣瓶、二氧化碳氣瓶、空氣瓶與臭氧發(fā)生裝置、氧氣瓶與臭氧發(fā)生裝置中的一種；所述的臭氧發(fā)生裝置為紫外燈。

實施例2

本實施例的實施方式與實施例1基本相同，主要區(qū)別在于：本實施例的液體樣品為油酸，本實施例的液體樣品池的溫度控制范圍為-35℃，相對濕度調控精度為±2.5％，硒化鋅單晶更換為鍺單晶?？色@得臭氧氣體與油酸液體非均相反應的原位實時紅外光譜。由于油酸與亞油酸的分子結構十分相近，臭氧氣體與油酸液體非均相反應的原位實時紅外光譜變化與實施例1描述的基本相同。在本實施例條件下，得到的反應速率常數(shù)k為1.1×10-4s-1。

實施例3

本實施例的實施方式與實施例1基本相同，主要區(qū)別在于：本實施例的樣品為亞油酸，本實施例的液體樣品池的溫度控制范圍為40℃，相對濕度調控精度為±2.5％，硒化鋅單晶更換為鍺單晶?？色@得與實施例1類似的紅外光譜。在本實施例條件下，得到的反應速率常數(shù)k為6.6×10-4s-1。

技術特征：

1.一種氣、液非均相反應原位紅外光譜測試系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括依次連接的氣體發(fā)生裝置、干氣路和濕氣路、濕度監(jiān)測裝置、排空氣路和反應氣路、溫度控制裝置、紅外光譜測試裝置及計算機，其中濕度監(jiān)測裝置通過排空氣路及反應氣路連接至紅外光譜測試裝置，所述的紅外光譜測試裝置包括紅外光源和檢測器；

所述的液體樣品池包括可拆卸液體樣品池蓋和液體樣品池底座，所述的液體樣品池蓋為不銹鋼中空結構，液體樣品池蓋內充循環(huán)冷卻液，液體樣品池蓋的側面設置有循環(huán)冷卻液進口和循環(huán)冷卻液出口，循環(huán)冷卻液進口和循環(huán)冷卻液出口通過乳膠管與溫度控制裝置相連，液體樣品池蓋上部設置有通入液體樣品池的氣路管道的進氣孔和流出液體樣品池的氣路管道的出氣孔；所述的進氣孔和出氣孔內設置有溫度計。

2.根據(jù)權利要求1所述的氣、液非均相反應原位紅外光譜測試系統(tǒng)，其特征在于，所述的干氣路包括氣體導管和安裝在氣體導管上的開關及流量計，濕氣路包括氣體導管和安裝在氣體導管上的開關、流量計和濕度發(fā)生裝置，干氣路和濕氣路合并成一個氣路管道經(jīng)濕度監(jiān)測裝置后分成排空氣路和反應氣路，排空氣路包括氣體導管和安裝在氣體導管上的開關，反應氣路包括通入液體樣品池的氣路管道和安裝在氣體導管上的開關，液體樣品池，以及流出液體樣品池的氣路管道和安裝在氣體導管上的開關；液體樣品池外接的溫度控制裝置控制液體樣品池的溫度，液體樣品池外接的紅外光譜測試裝置記錄液體樣品池內樣品的信息，并將信息傳輸至計算機處理。

3.根據(jù)權利要求2所述的氣、液非均相反應原位紅外光譜測試系統(tǒng)，其特征在于：所述的液體樣品池為封閉的液體樣品池，氣路管道與液體樣品池連通的接口進行密封；

所述的溫度計為溫度傳感器；

所述的循環(huán)冷卻液為乙二醇和水的混合液；

所述的乳膠管為保溫乳膠管；

所述的液體樣品池底座包括單晶卡槽和通過螺釘固定在單晶卡槽上的可拆卸的裸露的衰減全反射單晶；

所述的單晶卡槽為不銹鋼材質；

所述的衰減全反射單晶為硒化鋅單晶、鍺單晶或金剛石中的一種；

所述的衰減全反射單晶入射角為45°；

所述的液體樣品池蓋與液體樣品池底座通過螺釘密封。

4.根據(jù)權利要求1所述的氣、液非均相反應原位紅外光譜測試系統(tǒng)，其特征在于：所述的氣體發(fā)生裝置為氧氣瓶、二氧化碳氣瓶、空氣瓶與臭氧發(fā)生裝置、氧氣瓶與臭氧發(fā)生裝置中的一種；所述的臭氧發(fā)生裝置為紫外燈。

5.根據(jù)權利要求1所述的氣、液非均相反應原位紅外光譜測試系統(tǒng)，其特征在于：所述的氣體導管為聚四氟乙烯管；所述的開關為不銹鋼兩通球閥開關；所述的流量計為轉子流量計。

6.根據(jù)權利要求1所述的氣、液非均相反應原位紅外光譜測試系統(tǒng)，其特征在于：所述的濕度發(fā)生裝置為露點濕度發(fā)生器。

7.根據(jù)權利要求1所述的氣、液非均相反應原位紅外光譜測試系統(tǒng)，其特征在于：所述的濕度監(jiān)測裝置為濕度計。

8.根據(jù)權利要求1所述的氣、液非均相反應原位紅外光譜測試系統(tǒng)，其特征在于：所述的溫度控制裝置為精密恒溫循環(huán)器。

9.根據(jù)權利要求1所述的氣、液非均相反應原位紅外光譜測試系統(tǒng)，其特征在于：所述的紅外光譜測試裝置為nicolet6700紅外光譜儀。

10.根據(jù)權利要求1所述的氣、液非均相反應原位紅外光譜測試系統(tǒng)，其特征在于：所述的液體樣品池的溫度控制范圍為-35℃～40℃，相對濕度調控精度為±2.5％。

技術總結

本發(fā)明公開了一種氣、液非均相反應原位紅外光譜測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括氣體發(fā)生裝置、干氣路和濕氣路、濕度監(jiān)測裝置、排空氣路和反應氣路、溫度控制裝置、紅外光譜測試裝置及計算機。本發(fā)明的氣、液非均相反應原位紅外光譜測試系統(tǒng)能夠原位實時記錄氣、液非均相反應的紅外光譜，同時，還可方便地調節(jié)反應的溫度和濕度，為氣、液非均相反應動力學、反應機理等研究提供重要數(shù)據(jù)。

技術研發(fā)人員：曾光;劉許強;楊桂霞;楊娜;蹇源

受保護的技術使用者：中國工程物理研究院核物理與化學研究所

技術研發(fā)日：2020.05.07

技術公布日：2020.07.10