紫外臭氧分析仪背景及其应用

1. 背景

臭氧是地球大气中一种微量气体，是氧气的同素异形体。在常温下，它是一种有草鲜味的淡蓝色气体，是由大气中氧分子受太阳辐射分解成氧原子后，氧原子又与周围的氧分子结合而形成的。地球90%的臭氧分布在距离地球表面15～25km的大气中，形成臭氧层有效阻挡太阳紫外线辐射, 少量的臭氧分布在人类生活的地表区域。

图1.臭氧层（图片来源于网络）

臭氧O₃化学性质非常活泼，它在游离时能够产生强大的氧化作用。早在19世纪，人们就认识到了臭氧对木材、稻草、淀粉、植物色素、天然橡胶、脂肪、动植物油与酒精等物质都有强氧化作用。

1868年，德·格贝斯（de·Gebeth）获得了臭氧应用技术the first patent，用臭氧将煤焦油混合物氧化为涂料、油漆类产品。1873年，欧洲将臭氧在食糖精制和亚麻漂白方面投入使用。二战以后，国际上臭氧应用技术获到了长足发展。1902年，德国帕德博恩建立了first用臭氧处理水质的大规模水厂，开创了臭氧水处理的先河，现在世界上已有数千座臭氧水厂。欧美、日本、加拿大等国家的自来水厂应用臭氧已达到普及程度。矿泉水、纯净水厂家几乎都装备了臭氧设备。美国七十年代初开始利用臭氧处理生活污水，主要是为了杀菌消毒、去除污染物、脱色等达到排放标准。日本则在缺水地区，将污水用臭氧处理后，作为中水使用。美、日、德、法等国家近年来都建立了大规模的臭氧污水处理厂。一百多年来臭氧应用已深入到多个领域，对人类的生产技术发展做出了重大贡献。

工业应用臭氧非常普遍，主要用于化工、石油、造纸、纺织和制药、香料工业。近些年受人类活动影响其数值在逐渐升高，威胁着人类的生存,因此准确掌握环境和工业生产臭氧浓度数值至关重要。人们对大气和工业臭氧浓度的分析设备的准确度要求越来越高。

2. 臭氧分析仪的典型应用

2.1. 臭氧老化试验箱控制 

臭氧老化试验箱是一种模拟和强化大气中臭氧条件的试验装置。臭氧老化试验箱产生臭氧的方法主要有高压放电法、紫外线照射法、电解法。高压放电式臭氧发生器因具有技术成熟、工作稳定、寿命长的优点，为国内外相关行业使用最广泛的臭氧发生器。

该类型臭氧箱的工作原理为高压放电产生的臭氧气体和一定量的已处理的空气，在交换器中混合后送入试验箱体，加之加热加湿系统的运行，满足了所有的试验条件。臭氧老化试验箱适用于测试硫化橡胶制品、有机材料、非金属材料的耐臭氧老化性能和老化龟裂拉伸试验。为了使控制系统根据设定值有效地控制臭氧的发生，臭氧分析仪将连续在线检测到的臭氧浓度反馈到臭氧发生器控制系统，从而使试验箱保持设定的臭氧浓度。

图2.臭氧老化试验箱（图片来源于网络）

2.2. 臭氧灯产出效率检验

臭氧灯目前主要用于空气消毒杀菌和物体表面消毒，它象直管形荧光灯一样，可制成灯具，有悬挂式、挂璧式、吸顶式和嵌入式。也可装置在密封和半密封的器具中作空气消毒杀菌器，如消毒橱柜用于衣物、碗筷消毒，口腔体温表消毒器用于医院病房护士对病人测温后消毒，电冰箱内除臭、理发用具消毒及足疗等领域。 医院的手术室、治疗室、输液室、烧伤病房等需用高臭氧浓度杀菌来创造无菌室，防止交叉感染等， 这是目前应用最多的领域。 水和饮料消毒也是臭氧灯的领域，自来水现用含氯的消毒法易致癌，使用臭氧消毒效果好，无残留物和副作用，而且，臭氧有半衰期，在消毒后残余继续留在水和饮料中长期使饮料达到无菌。啤酒厂、 饮料厂、矿泉水厂等如采用臭氧消毒，其保质期将延长。

臭氧产生率是臭氧灯的主要参数，它是指在标准大气压下25℃时臭氧灯在静止空气中每千瓦小时能产生的臭氧的数量，单位是kg/kW/hr。臭氧灯的产生率通常在0.1 - 0.2 kg/kW/hr。臭氧产生率是这样来测定的：在密闭容器内置待测臭氧灯，容器内插入臭氧测试仪采样管线，接通臭氧灯和测试仪电源，同时按下计时表，记录不同时间的臭氧量，就可获得臭氧量随时间变化的数据并画出曲线。臭氧分析仪在线分析采样管线经采样泵抽出的样品气体，测量范围一般是较高浓度0 - 100ppm。

图3.臭氧灯（图片来源于网络）

2.3大气环境臭氧分析

相比美国、欧洲等发达国家和地区,我国城市大气中的臭氧以及可吸入颗粒物浓度远高于国外经济发达地区,污染程度严重,对人体健康、生态环境和气候变化都有很大影响一。大气污染物可分为一次污染物和二次污染物。一次污染物是指由污染源直接排放的未经化学反应的污染物,而二次污染物则是一次污染物经过一系列化学反应生成的如臭氧、硫酸盐、硝酸盐和二次有机气溶胶等。大气中臭氧和二次气溶胶等二次污染物的形成与多种因素有关,包括其前体物浓度以及气象条件等。随着城市规模的不断扩大，机动车保有量迅速攀升，臭氧的前体物(氮氧化物) 的排放量加大，臭氧污染日益加剧。臭氧是城市大气的重要污染物，主要由挥发性有机物(volatile organic compounds，VOCs) 和氮氧化物( NOx ) 经光化学反应生成。 测定大气中的臭氧浓度，对于构建空气质量模型和空气质量指标有非常重要的意义。空气中的臭氧浓度范围一般是0 - 500ppb，这对臭氧分析仪的精度有很高的要求。目前的高精度臭氧分析仪，主要以进口品牌为主。

图4.大气中的臭氧（图片来源于网络）

3. 海尔欣HPE臭氧分析仪介绍

紫外线吸收法是现在国际上流行的物理方法臭氧分析的方法。它是利用臭氧对254nm波长的紫外线特征吸收的特性，依据比尔-郎伯定律制造出的分析仪器，只要选择合适长度的吸收池，就可以检测0.002mg/m³至5%(vol)浓度的臭氧。其线形在4~5个数量级内都很好，该法已被我国作为环境空气中测定臭氧的标准方法(GB1/T1154348)。紫外线吸收法不但适用于检测气体中臭氧浓度，也可以检测水中溶解的臭氧浓度。

海尔欣推出的臭氧分析仪HPE-1900，由紫外灯，光波过滤器，臭氧吸收池，参考光电传感器，信号光电传感器，输出显示，电路部件等构成。稳定的紫外灯光源产生紫外线，当气体样品以恒定的流速进入仪器的气路系统，用光波过滤器过滤掉其它波长紫外光（臭氧对253.7nm 波长的紫外光有特征吸收），只允许波长253.7nm通过。经过样品光电传感器，样品空气交替地或直接进入吸收池或经过臭氧涤去器再进入吸收池，到达采样光电传感器，通过吸收池时被光传感器检测的光强度为I0，臭氧样品通过吸收池时被光检测器检测的光强度为I，I/I0 为透光率。每经过一个循环周期样品光电传感器和采样光电传感器电信号比较，仪器的微处理系统根据朗伯—比耳定律计算，可得出臭氧浓度。

图5.海尔欣臭氧分析仪HPE-1900

海尔欣的HPE-1900系列臭氧分析仪，轻便易携，用途广泛，稳定性好。既可以实现0 - 300ppm量程的高浓度工业过程分析，又可以实现0 - 500ppb量程的低浓度大气环境分析。精度和准确度经由台湾工研院验证，可提供NIST溯源校准报告（如下图例）。我们期待与您的合作！

图6.NIST溯源校准报告