FTIR技术应用于香烟烟气的分析

1．1仪器与原料

美国Nicolet公司傅里叶变换红外光谱仪:DTGS检测器,OMNIC操作软件,光谱范围4000～400cm-1,分辨率4cm-1,扫描累加次数64次

SHB2III循环水式多用真空泵;

流管红外观测室:塑料容器,容积约2L,两端由红外透光材料(硅片)密封;

ATR观测室:ZnSe晶片外加自制塑料密封盒(透明);

香烟:市售(混合型;焦油含量5和10mg),点燃前将过滤嘴摘除。

1．2实验装置图

本实验采用FTIR/AFT和FTIR/ATR两种检测技术,其实验装置及流程分别如图1和图2所示。

1．3实验方法

点燃香烟,将除去过滤嘴的一端与系统连接,主流烟气由真空泵引流进入红外观测室。对于FTIR/AFT系统,香烟烟气进入红外观测室内聚集,测得红外光谱图。在此过程中应尽可能避免流入观测室的烟气气流发生搅动,防止固体颗粒沉积到红外观测室的硅窗片上,“污染”烟气的光谱信号。对于FTIR/ATR系统,烟气进入ATR观测室,其中的气溶胶微粒会沉积到ATR晶体表面上,从而得到香烟气溶胶的红外谱图。

2尼高力红外光谱仪-结果与讨论

2．1香烟烟气的FTIR/AFT检测

采用FTIR/AFT方法对香烟烟气进行红外扫描,得到烟气的红外光谱图(如图3所示),其中包含气态和固态燃烧产物。从图中可以看出,香烟烟气的基团振动信息比较复杂,因此主要对其中的几组峰进行分析。将每组峰放大,其峰形、峰位如图4所示。

尼高力红外光谱仪,由图4可知,在600～750cm-1范围内出现若干峰,其中650cm-1附近的峰为OH基团的面外摇摆振动;720cm-1附近的峰为CH2基团的面内摇摆振动;在650～950cm-1范围内存在芳环上CH的面外变形振动;1230cm-1左右的峰强度较强,为C—O的伸缩振动,且由于其峰形较宽,可能为酚的C—O伸缩振动;在1306cm-1的位置上出现一尖峰,强度较强,可能属于羧酸的C—OH伸缩振动;在1300～1370cm-1范围内出现的峰为脂肪族NO2的对称伸缩振动,同时在1300～1500cm-1范围还出现OH的面内变形振动以及CH3和CH2基团的变形振动;而脂肪族NO2反对称伸缩振动出现在1500～1600cm-1范围内;1450～1650cm-1范围内还存在芳环骨架振动;在1735cm-1附近出现的尖峰为羧酸中CO基团的伸缩振动峰,也可能是一些挥发性羰基化合物如五碳以下的醛和酮;2118,2170cm-1双峰为气体CO的吸收峰;2900～3000cm-1内的峰为饱和CH的伸缩振动峰;而在3015cm-1附近的尖峰可能为芳环上不饱和CH的伸缩振动;对于波数在3500cm-1以上的若干峰可能是一些基团振动的倍频峰;在3640cm-1附近出现的峰属于气体CO2。气态水会在3500cm-1以上出现一系列尖锐的吸收峰。

2．2香烟烟气溶胶的FTIR/ATR检测

采用FTIR/ATR技术对沉积在ZnSe晶片上的香烟气溶胶颗粒进行红外分析,其红外谱图如图5所示。

尼高力红外光谱仪,由图5可以发现,香烟气溶胶的红外谱图中很多峰都叠加在一起,说明香烟气溶胶中的成分复杂多样。其中多环芳烃主要存在于香烟气溶胶中。对图5中不同波数范围内的几个主要峰进行放大分析(如图6所示)。

尼高力红外光谱仪由图6可知,在700～800cm-1波数范围内可能为OH、CH及CH2的摇摆振动;对于C—O的伸缩振动会出现在1000～1260cm-1波数范围内,其可能是属于醇、酚或醚;1514cm-1峰可能属于芳香族化合物的骨架振动或是亚硝基化合物中NO的伸缩振动;1702cm-1为基团CO的伸缩振动峰;2343,2362cm-1双峰为气体CO2的伸缩振动峰。2850～2960cm-1波数范围内的峰为饱和CH,CH2及CH3的对称及反对称伸缩振动峰。在3300～3400cm-1范围内的宽吸收带是OH基团伸缩振动吸收峰,并且是化合物分子中O—H基团生成了分子内或分子间氢键,从而使谱带变宽,可能属于醇、酚或液态水。

2．3尼高力红外光谱仪 AFT与ATR分析香烟燃烧产物的比较

通过对比图3和图5,可以发现其不同点主要体现在三个方面:(1)AFT谱图中2000～2250cm-1范围内的两双峰为气体CO的吸收峰,而在ATR谱图中没有。(2)AFT和ATR技术都检测出了2300cm-1左右的CO2气体峰,但峰的相对强度却有很大差异,用AFT技术检测的样品中CO2的信号极强,远远高于其他峰的强度;而用ATR技术检测的CO2的信号相对于同谱中其他峰则强度较弱。(3)AFT谱图中在波数3500cm-1以上存在四个峰,而ATR谱图中却没有。造成以上谱图差异的原因是AFT检测的是整体烟气,包括气态及固态物质;而ATR仅对沉积在晶片上的气溶胶有响应,对气体无响应或响应很小。

4尼高力红外光谱仪 结论

本文主要采用FTIR/AFT及FTIR/ATR两种方法分别得到了香烟烟气及香烟气溶胶的红外光谱图。AFT方法可以获得了整体烟气的信息,而ATR方法可得到香烟气溶胶的信息,从而可以观察到燃烧产物中组分结构的变化和香烟气溶胶的动态变化过程。通过比较AFT与ATR得到的谱图,可以观察到在AFT谱图中,气体CO2的信号远远强于其他组分信号,并且出现了CO的信号。而在ATR谱图中,由于香烟气溶胶中的一些挥发性组分沉积一段时间之后,随着样品池内气压的变化会慢慢挥发,从而引起谱图中某些特征峰随时间发生变化。与以往分析香烟的方法相比,本方法不需复杂的香烟样品预处理程序,分析方便、易行,将两种技术结合对于研究香烟燃烧产物的形态及组成具有指导意义。