气体中微量重金属元素的激光诱导击穿光谱特性及测量方法研究

The pollutions of trace heavy metals in flue gas result in the serious influence on environment and human. The prerequisite for the effect of pollution control is the fast and precise measurement of pollutants. Laser-induced breakdown spectroscopy(LIBS) has been employed in this study, which has a great potential application for on-line measurement of trace heavy metals. The atomic spectra features of trace heavy metals will be studied in complex background. The spectra of elements mercury and arsenic in N2 will be firstly studied under different experimental conditions. According to the measured results, the spectra of detected elements in flue gas will be discussed, especially the signal emission intensity and the signal to noise ratio, to understand the mechanism for plasma generation and emission. Therefore, the detection method will be improved to enhance the detection ability of trace heavy metals. The concentration of detected elements can be evaluated according to the signal emission intensity, which is effected by the physical parameters of the generated plasma. The quantitative calculation method of the concentration and analyte spectral parameters, as well as experimental conditions, will be presented according to the theoretical analysis results. These theoretical and experimental results will be useful for LIBS applications of trace heavy metal pollutions in real time. These works show great academic significance and applicable potential.

烟气中微量重金属元素的快速精确测量是实现污染排放控制的基本前提。本项目选择具备实现微量重金属快速精确在线分析潜力的激光诱导击穿光谱技术为研究对象，从复杂气体背景中微量重金属等离子体的发射光谱特性出发，首先测量纯净氮气环境中微量汞和砷等元素的原子发射光谱，分析待测元素在不同激发条件时的特征谱线特性；进而开展烟气环境中微量重金属的激光诱导等离子体发射光谱特性研究，重点分析烟气等离子体的发射光谱中待测元素特征谱线信噪比的影响因素和变化规律，揭示激光诱导气体等离子体中待测元素信号和干扰信号的产生机理，获得提高烟气中微量重金属元素检测精度的策略和方法；探寻影响发射光谱强度的等离子体物理特性参数及其影响规律，根据元素浓度与对应光谱强度的关系，建立待测元素浓度与待测元素谱线参数和激发条件的定量计算模型。为LIBS技术的精确在线监测提供理论和实验基础以及有力的工业指导，具有重要的学术意义和实用价值。

气体中重金属污染已成为我国面临的主要环境问题之一，开展微量重金属污染物的快速精确测量是实现污染排放控制的基本前提，本项目选择具备实现微量重金属快速精确在线分析潜力的激光诱导击穿光谱技术为研究对象，对烟气中微量重金属元素的定性和定量分析开展研究。复杂的烟气组分以及飞灰颗粒物会对测量产生影响，进而影响定量分析的准确性，本项目针对这一系统的关键基础问题展开研究：分别研究了不同实验条件下单一气体以混合烟气的激光诱导等离子体变化规律，以及待测微量重金属元素的影响因素及变化规律；揭示了激光诱导气体等离子体中待测元素信号和干扰信号的产生机理，获得了提高烟气中微量重金属元素检测精度的策略和方法；研究了激光诱导颗粒物等离子体的影响因素及变化规律，以及激光诱导气溶胶等离子体过程，分析了颗粒物对烟气测量的影响；根据元素浓度与对应光谱强度的关系，引入多元分析的方法，建立了待测元素浓度的定量计算模型。.基于以上研究成果，项目研究期间，项目负责人共发表12篇SCI论文、1篇EI论文和1篇中文核心期刊论文。其中，第一标注发表SCI论文5篇，第一标注发表EI论文1篇。在项目执行期间项目负责人参加国际会议8人次，国内会议7人次，应邀做国际、国内邀请报告5次；参加基金进展情况汇报、交流和成果展示会1人次。项目负责人晋升为副教授。项目负责人以访问学者身份赴日本德岛大学短期访问交流，项目执行期间项目组有1名硕士研究生毕业，2名博士生分别赴日本德岛大学和美国圣母大学联合培养1-2年. 3名硕士研究生正在开展相关研究。