Đo Độ Axit Của Sol Khí Tại Chỗ Bằng Máy Quang Phổ Uv-Vis Và Ứng Dụng Của Nó Với Không Khí Xung Quanh

GIỚI THIỆU

Pha ngưng tụ của khí quyển bao gồm các hạt lỏng hoặc rắn lơ lửng gọi là sol khí khí quyển, được phân biệt với các giọt mây bởi kích thước nhỏ hơn đáng kể (thường nhỏ hơn 10 μm). Độ pH của sol khí khí quyển có thể thay đổi các đặc tính quang học và khả năng hấp thụ nước của các hạt. Độ pH này cũng có thể thúc đẩy các phản ứng hóa học cụ thể, dẫn đến sự hình thành sol khí thứ cấp (khối lượng pha ngưng tụ bổ sung từ các chất có độ bay hơi thấp hơn). Ngoài ra, độ pH còn có thể hòa tan kim loại, và các kim loại này có thể đóng vai trò là dưỡng chất quan trọng trong các hệ sinh thái thiếu dưỡng chất, hoặc gây căng thẳng oxy hóa khi hít phải.

Mặc dù độ axit của sol khí rất quan trọng đối với khí hậu và sức khỏe, nhưng kích thước và độ phức tạp của sol khí (>99% trong số đó nhỏ hơn 1 μm) đã cản trở sự hiểu biết cơ bản của chúng ta về độ pH. Trong một hạt khí quyển, có thể có hàng trăm đến hàng nghìn loại hóa chất riêng biệt, hàm lượng nước khác nhau, cường độ ion cao và các pha khác nhau (lỏng, bán rắn và rắn). Việc phân tích sol khí càng trở nên khó khăn hơn, các hạt sol khí liên tục trải qua các phản ứng hóa học phức tạp không chỉ với các chất khí trong khí quyển mà còn trong bản thân pha ngưng tụ. Dựa trên những thách thức này, các phép đo pH truyền thống là không khả thi và trong nhiều năm, các phương pháp gián tiếp và proxy là cách phổ biến nhất để ước tính pH sol khí, với nhiều kết quả khác nhau. Tuy nhiên, độ pH của sol khí cần được đưa vào các mô hình khí hậu để xác định chính xác phản ứng hóa học nào chiếm ưu thế trong khí quyển. Do đó, các phép đo tại chỗ để thăm dò độ pH trong các hạt có liên quan đến khí quyển là vô cùng cần thiết.

Những tiến bộ gần đây trong việc đo tại chỗ độ axit của khí dung đã được nghiên cứu: phương pháp bazơ liên hợp axit, phương pháp phân hủy polyme, ... Một cách tiếp cận thậm chí còn đơn giản hơn và chi phí thấp hơn để tổng hợp pH trung bình cho các hạt có phạm vi kích thước khác nhau đến một đường kính vài trăm nanomet là phương pháp so màu tích hợp với máy quang phổ phản xạ UV-Visible (C-RUV).

PHƯƠNG PHÁP

Sử dụng phương pháp đo màu kết hợp với phương pháp phản xạ thông qua máy quang phổ UV-Visible để đo độ axit của sol khí (nồng độ mol H⁺, mol/L) bằng cách sử dụng mẫu lọc sol khí. Trong phương pháp này, sol khí vô cơ chứa NH4⁺-H⁺-SO₄²-H₂O được lấy mẫu trên màng lọc sợi thủy tinh phủ Teflon được nhuộm bằng chất chỉ thị metanil yellow (MY). Do đó, nồng độ proton trong sol khí có thể được đo bằng sự thay đổi màu sắc của chất chỉ thị trên bộ lọc. Do có độ nhạy cao nên phương pháp C-RUV có thể giảm đáng kể thời gian lấy mẫu. C-RUV cũng yêu cầu thời gian phân tích ngắn vì nó không yêu cầu chiết bằng dung môi và sử dụng phương pháp quang học không cần tách cột. Sau đó, phổ hấp thụ của mẫu lọc được đo bằng kỹ thuật C-RUV trên phạm vi bước sóng VIS từ 400 đến 800 nm.

Phổ hấp thụ cực đại đối với MY không proton hóa xuất hiện ở bước sóng 420 nm và đối với MY proton hóa (MYH⁺) cực đại được nhìn thấy ở bước sóng 545 nm (Hình 1). Dựa trên Định luật Beer-Lambert, nồng độ MY trên bộ lọc có quan hệ tuyến tính với khả năng hấp thụ tia cực tím của nó. Do đó, độ hấp thụ tia cực tím của MYH⁺ (A ∗ 545 nm) và độ hấp thụ tia cực tím của MY tương tác với axit trong sol khí (A ∗ 420 nm) có thể được sử dụng để ước tính tỷ lệ ion hóa của MY trong hệ thống sol khí.

Hình 1: Phổ hấp thụ của sol khí thu được trên bộ lọc nhuộm MY.

Thông thường, để xem xét tính không lý tưởng của các sol khí, nồng độ ion sol khí thu được bằng IC đã được tích hợp với các mô hình nhiệt động vô cơ để dự đoán nồng độ proton trong sol khí. Có một số mô hình nhiệt động vô cơ được sử dụng để dự đoán hàm lượng nước trong sol khí và nồng độ proton, ví dụ: SCAPE2 (Meng và cộng sự 1995), ISORROPIA (Nenes và cộng sự 1998) và E-AIM (Clegg và cộng sự 1998). Để cung cấp các giá trị tham chiếu về nồng độ proton cho phương pháp C-RUV, E-AIM Model II đã được sử dụng cho hệ thống khí dung vì nó đã được chứng minh là đưa ra dự đoán chính xác nhất về nồng độ proton. Nồng độ proton dự đoán bằng phương pháp E-AIM Model II được so sánh với nồng độ proton tính toán bằng phương pháp C-RUV thể hiện trên Hình 2 với tỷ lệ nồng độ [H₂SO₄]/([NH₃]+[H₂SO₄]) (FSA) khác nhau. Từ biểu đổ có thể quan sát thấy sự phù hợp tuyến tính khá tốt (R² = 0.95) giữa dự đoán E-AIM Model II và phương pháp C-RUV.

Hình 2: Mối tương quan của nồng độ H+ được dự đoán bởi E-AIM Model II so với nồng độ H+ được đo bằng kỹ thuật C-RUV.

ỨNG DỤNG

Đo độ axit tại chỗ của khí dung là một kỹ thuật quan trọng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, cung cấp thông tin chi tiết và dữ liệu thúc đẩy nghiên cứu và ứng dụng thực tế. Dưới đây là một số ứng dụng đáng chú ý:

- Khoa học Môi trường: Trong giám sát chất lượng không khí, phép đo độ axit tại chỗ giúp theo dõi sự hiện diện của các sol khí có tính axit, có thể góp phần gây ô nhiễm không khí và mưa axit. Đồng thời, hiểu được tính axit của sol khí sẽ hỗ trợ mô hình hóa tác động của chúng đối với hóa học khí quyển và khí hậu, ảnh hưởng đến các chính sách và biện pháp nhằm giải quyết vấn đề biến đổi khí hậu trong các nghiên cứu. nghiên cứu về biến đổi khí hậu.

- Sức khỏe và Y học: Giúp đánh giá tác động sức khỏe của ô nhiễm không khí bằng cách cung cấp dữ liệu về độ axit của các hạt vật chất (PM), có thể gây hại cho sức khỏe hô hấp và tim mạch.

- Nông nghiệp: Các sol khí có tính axit có thể ảnh hưởng đến độ pH của đất và sức khỏe cây trồng. Các phép đo độ axit tại chỗ cho phép nông dân thực hiện các hành động khắc phục để bảo vệ cây trồng khỏi sự lắng đọng axit, đảm bảo năng suất và chất lượng đất tốt hơn.

- Hóa học khí quyển: Dữ liệu độ axit tại chỗ chính xác giúp nâng cao độ chính xác của các mô hình vận chuyển hóa học trong khí quyển, được sử dụng để dự đoán sự phân bố và chuyển đổi các chất ô nhiễm. Hơn nữa, nghiên cứu tính axit của sol khí giúp hiểu được động học phản ứng của các hạt trong khí quyển, cung cấp cái nhìn sâu sắc về các quá trình như hình thành sol khí hữu cơ thứ cấp.

- Ứng dụng công nghiệp: Các ngành công nghiệp có thể sử dụng phép đo độ axit tại chỗ để theo dõi và kiểm soát lượng khí thải axit, đảm bảo tuân thủ các quy định về môi trường và giảm tác động đến môi trường.

- Khoa học vật liệu: Đo độ axit của sol khí có thể giúp nghiên cứu tốc độ ăn mòn của vật liệu, từ đó phát triển các vật liệu bền hơn và chống ăn mòn hơn. Hiểu cách các sol khí có tính axit tương tác với các bề mặt khác nhau có thể giúp thiết kế các lớp phủ và vật liệu tốt hơn cho các ứng dụng khác nhau.

Hình 3: Những ảnh hưởng của sol khí đối với bầu khí quyển, hệ sinh thái trên cạn, dưới biển và sức khỏe con người.

XÂY DỰNG HỆ THỐNG

INTINS có thể cung cấp một hệ thống hoàn chỉnh cho ứng dụng này. Máy quang phổ UV-VIS Ocean SR4 là máy quang phổ hiệu suất cao với khả năng thu quang phổ tốc độ cao và hiệu suất tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu tuyệt vời cho các ứng dụng đa dạng. Thiết bị có kích thước nhỏ này có thể thu dữ liệu đặc trưng trong vùng UV-VIS từ 190-1100 nm và các tùy chọn khe vào có chiều rộng khác nhau từ 5 µm đến 200 µm. Máy quang phổ SR4 nhỏ gọn, linh hoạt và tương thích với các nguồn sáng và phụ kiện của Ocean Insight.

Điều quan trọng nhất khi chọn nguồn sáng để phản xạ là tìm nguồn sáng có công suất mạnh trên phạm vi bước sóng quan tâm. Trong ứng dụng này, nguồn sáng cần được quan sát ở phổ nhìn thấy được từ 400 nm - 800 nm. Sản phẩm của chúng tôi - Nguồn sáng halogen vonfram - phù hợp để đáp ứng các tiêu chuẩn này. Dòng HL-2000 của Ocean Insight cung cấp các mô hình có bước sóng từ 380nm – 2400 nm và thay đổi từ các mô hình công suất cao (Nguồn sáng HL-2000-HP) đến các mô hình có tuổi thọ cao (nguồn sáng HL-2000-FHSA-LL và nguồn sáng HL -2000-LL Source), cả hai đều đáp ứng yêu cầu ứng dụng của bạn.

Fiber phân nhánh có chung hai sợi ở một đầu và chia thành hai chân ở đầu kia. Loại sợi (tức là phạm vi truyền hiệu quả nhất) được sử dụng trên mỗi chân có thể giống hoặc khác nhau, tùy thuộc vào nhu cầu ứng dụng của bạn. Fiber phân nhánh này là sợi OH cao có khả năng truyền hiệu quả từ 300-1100 nm. Nó rất tốt để định tuyến lượng ánh sáng bằng nhau từ một nguồn đến hai vị trí khác nhau hoặc từ một mẫu đến hai máy quang phổ được cấu hình cho các phạm vi bước sóng khác nhau.