紅外光譜分析技術在化工生產中的應用

李 磊，陳 豐

（1.江蘇省溧陽市市場綜合檢驗檢測中心，江蘇溧陽 213300；2.化學生物與材料工程學院，蘇州科技大學，江蘇蘇州 215009）

1 概述

紅外光譜分析技術可以用來研究化學成分的分子結構和具體的化學鍵類型，也可以用來表征和鑒別化學物種，快速檢測化學成分。紅外光譜的特征性非常明顯，可以通過和標準化合物的卡片進行對比來分析鑒定化學成分，目前已經有眾多標準紅外光譜圖集出版，通過和標準圖集進行對比，檢測速度更加快捷。利用紅外光譜不僅可以鑒定化學成分，還可以定量分析。分子之間相鄰的基團可以相互作用，致使在不同分子中的同一基團的特征波數在一定的范圍內變化。目前，在高分子聚合物的力學性能、構像和構型方面的研究均會采用該技術，物理、氣象、生物、醫學、天文等領域也廣泛應用紅外光譜分析技術，尤其是在化工生產領域，紅外光譜分析技術的應用有巨大的價值。

2 紅外光譜分析技術的原理及特點

2.1 紅外光譜分析技術的原理

紅外光譜又稱分子振動轉動光譜，屬于分子吸收光譜，頻率連續變化的紅外光照射到樣品上時，分子通過振動或轉動引起了偶極矩變化，迫使振動-轉動能級從基態躍遷到了激發態，相應的，該段頻率的光會減弱，光透過的百分率對應波數或波長的曲線即為紅外光譜。

分子的運動分為平動、轉動、振動和分子內部的電子運動，每種運動對應不同的能級，分子平動的能量只與溫度變化有關，分子平動時不會產生紅外光譜，因此，和光譜變化有關的就是轉動、振動和電子運動。分子轉動能級躍遷時會吸收遠紅外和微波區的輻射，而振動能級躍遷吸收的是中紅外區的輻射，無論是有機化合物還是無機化合物。紅外光譜通常指的是中紅外區域形成的光譜，近紅外區和遠紅外區形成的光譜分別叫近紅外光譜和遠紅外光譜。近紅外光譜還可研究晶體的晶格振動和金屬有機物的有機鍵和分子轉動吸收等。分子的振動可分為伸縮振動和彎曲振動，其中，伸縮振動的頻率較高。

2.2 紅外光譜分析技術的特點

2.2.1 可同時進行多成分測定對樣品進行一次全光譜掃描，獲取每個化學成分的光譜數據，之后利用模型進行詳細的計算，便可得到樣品中具體的化學成分和組成比例。

2.2.2 不需要對樣品進行預處理

紅外光區集中在0.75～1 000μm，范圍較廣，有利于光的散射，而且投射深度較大，因此紅外光譜技術可以通過漫反射的助力，對樣品進行直接測試，不用提前預處理。

2.2.3 保證解析數據的完整性

電腦在主機進行掃描測量的同時對所獲得的光譜信號資料進行解析，這一過程不需要其他試劑的介入，因此，不會破壞樣品本身，也不會影響樣品的物化性能，這一性質對于今后采樣技術的進步、設計實驗步驟、研究產品性能都有重要意義。

2.2.4 快速解析圖譜

利用紅外分光光度計掃描樣品時速率非?？?，短時間內就能對樣品進行全譜掃描，而且掃描時間可以根據樣品的個性化進行設定，一般來說，一個樣品平均掃描1min，將掃描的數據應用于計算機的模型當中進行轉化，從而得出紅外光譜圖，分析紅外光譜圖確定物質的成分及含量。

2.2.5 可遠程取樣

在線紅光譜分析技術把遠程收集樣品的光譜信息以及有效性分析變成可能，目前大多數的紅外光譜分光光度計都是利用光纖來實現遠距離數據傳輸的，這是由于紅外光在光纖中的傳播性能較好，遠程光纖傳輸數據的方式助力紅外光譜分析適應多種工作環境，實現實地在線測量。光纖組成部分具有性能穩定、不容易受電磁波的干擾、成本低廉、方便攜帶、使用壽命長等優點，為紅外光譜分析技術提供了有力的保障。2.2.6 可重復性高

紅外光譜測定的可重復性非常高，最終的測定結果不會因為細微的外界干擾就有巨大差別。與其他的表征方式相比，紅外光譜分析技術結果更精確、穩定。

3 紅外光譜分析技術在化工生產中的應用

紅外光譜分析技術在化學分析行業中應用廣泛，使用最多的要數石油化工領域。紅外光譜分析技術主要是用來測定樣品中的有機成分，通過掃描樣品、采集有關氫基的數據來完成，石油與石油副產物就是以烴類為主的有機化 合物，正好符合含氨基物質的特有性質，也是紅外光譜能用于分析石油成分的前提。我國很多單位都采用紅外光譜分析技術來檢測石油以及一系列衍生物，不僅是在實驗室，在實際的應用中均取得很好的效果。20世紀90年代，國外已經有人將該技術應用于乙烯裂解工藝以及蒸汽裂解生產單元中，幫助人們更清楚地了解裂解過程，創造了更大的經濟效益。國內的研究者們經過不懈努力，也最終研發出基于紅外光譜分析技術將乙烯和重質油進行分離的工藝，還有效的降低了生產成本。

有一些危險的化學反應體系在密閉的環境中進行，或充滿了易燃氣體，類似于催化氫反應和格氏反應等，此時對取樣操作造成了極大的困難，而且非常危險，給傳統的表征手段帶來巨大的挑戰，不能實時監測反應的過程。而在線紅外光譜技術的問世給此類化工生產帶來了福音。不僅精簡了檢測環節，節約人力物力，因為實時監測著反應的整個過程，若是有異樣發生，可第一時間被告知，起到很好的預警作用，最大程度地避免了經濟上的損失。

科研工作者們做了很多努力，將紅外光譜分析技術應用于不同物質的檢測中，例如，新型紅外分析裝置被設計用于在線分析醋酸的生產，實時監測反應釜中化學成分含量的變化，為醋酸生產的安全穩定提供了保障?；谥鞒煞址治黾夹g建立多相催化反應的模型，用于紅外光譜分析技術中，可以判斷化學反應狀態是否穩定。催化加氫反應臨近反應結束時，若控制不好反應結束節點，則會因為過度催化而產生一種脫氯副產品，影響最終產物的純度，建立定量模型應用于在線紅外光譜技術中，對反應進程進行監控，在反應完成節點結束反應，避免原料損耗，保證產品的純度，并在量化生產的生產線進行測試，取得了理想的效果。若將紅外光譜分析與連續流動反應器聯合起來，設計基于紅外光譜定量模型的反饋控制回路，控制回路可對反應物的比例進行調控，將動態控制變成現實，不僅提高了生產效率，還避免了副產物的產生，由此可見，紅外光譜分析技術在生產當中是作為自動化系統控制的核心而存在的。

4 結束語

綜上所述，通過介紹紅外光譜分析技術的原理和特征，明確了該技術在化工生產領域廣泛應用的可行性。紅外光譜分析技術帶來的不僅僅是技術上的進步，也提升了生產水平，保證了化工生產的質量，提高了企業的經濟效益。在采用紅外光譜分析技術之前，需要結合自身產品的性能分析是否適用于這一技術，不盲從，不做無畏的、多余的檢測。不同產品有不同的性質，需要的計算模型也不同，不能全部照搬別人的模式，結合材料特點，建立適用的數學模型，合理利用紅外光譜技術。就目前的發展狀況而言紅外光譜技術還有很大的提升空間，在利用的過程中應不斷總結分析，加以改進，使紅外光譜分析技術達到最優。