紅外光譜分析技術(shù)在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用

李 磊，陳 豐

（1.江蘇省溧陽(yáng)市市場(chǎng)綜合檢驗(yàn)檢測(cè)中心，江蘇溧陽(yáng) 213300；2.化學(xué)生物與材料工程學(xué)院，蘇州科技大學(xué)，江蘇蘇州 215009）

1 概述

紅外光譜分析技術(shù)可以用來(lái)研究化學(xué)成分的分子結(jié)構(gòu)和具體的化學(xué)鍵類型，也可以用來(lái)表征和鑒別化學(xué)物種，快速檢測(cè)化學(xué)成分。紅外光譜的特征性非常明顯，可以通過(guò)和標(biāo)準(zhǔn)化合物的卡片進(jìn)行對(duì)比來(lái)分析鑒定化學(xué)成分，目前已經(jīng)有眾多標(biāo)準(zhǔn)紅外光譜圖集出版，通過(guò)和標(biāo)準(zhǔn)圖集進(jìn)行對(duì)比，檢測(cè)速度更加快捷。利用紅外光譜不僅可以鑒定化學(xué)成分，還可以定量分析。分子之間相鄰的基團(tuán)可以相互作用，致使在不同分子中的同一基團(tuán)的特征波數(shù)在一定的范圍內(nèi)變化。目前，在高分子聚合物的力學(xué)性能、構(gòu)像和構(gòu)型方面的研究均會(huì)采用該技術(shù)，物理、氣象、生物、醫(yī)學(xué)、天文等領(lǐng)域也廣泛應(yīng)用紅外光譜分析技術(shù)，尤其是在化工生產(chǎn)領(lǐng)域，紅外光譜分析技術(shù)的應(yīng)用有巨大的價(jià)值。

2 紅外光譜分析技術(shù)的原理及特點(diǎn)

2.1 紅外光譜分析技術(shù)的原理

紅外光譜又稱分子振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)光譜，屬于分子吸收光譜，頻率連續(xù)變化的紅外光照射到樣品上時(shí)，分子通過(guò)振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)引起了偶極矩變化，迫使振動(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)從基態(tài)躍遷到了激發(fā)態(tài)，相應(yīng)的，該段頻率的光會(huì)減弱，光透過(guò)的百分率對(duì)應(yīng)波數(shù)或波長(zhǎng)的曲線即為紅外光譜。

分子的運(yùn)動(dòng)分為平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、振動(dòng)和分子內(nèi)部的電子運(yùn)動(dòng)，每種運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)不同的能級(jí)，分子平動(dòng)的能量只與溫度變化有關(guān)，分子平動(dòng)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生紅外光譜，因此，和光譜變化有關(guān)的就是轉(zhuǎn)動(dòng)、振動(dòng)和電子運(yùn)動(dòng)。分子轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷時(shí)會(huì)吸收遠(yuǎn)紅外和微波區(qū)的輻射，而振動(dòng)能級(jí)躍遷吸收的是中紅外區(qū)的輻射，無(wú)論是有機(jī)化合物還是無(wú)機(jī)化合物。紅外光譜通常指的是中紅外區(qū)域形成的光譜，近紅外區(qū)和遠(yuǎn)紅外區(qū)形成的光譜分別叫近紅外光譜和遠(yuǎn)紅外光譜。近紅外光譜還可研究晶體的晶格振動(dòng)和金屬有機(jī)物的有機(jī)鍵和分子轉(zhuǎn)動(dòng)吸收等。分子的振動(dòng)可分為伸縮振動(dòng)和彎曲振動(dòng)，其中，伸縮振動(dòng)的頻率較高。

2.2 紅外光譜分析技術(shù)的特點(diǎn)

2.2.1 可同時(shí)進(jìn)行多成分測(cè)定對(duì)樣品進(jìn)行一次全光譜掃描，獲取每個(gè)化學(xué)成分的光譜數(shù)據(jù)，之后利用模型進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算，便可得到樣品中具體的化學(xué)成分和組成比例。

2.2.2 不需要對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理

紅外光區(qū)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(shù)可以通過(guò)漫反射的助力，對(duì)樣品進(jìn)行直接測(cè)試，不用提前預(yù)處理。

2.2.3 保證解析數(shù)據(jù)的完整性

電腦在主機(jī)進(jìn)行掃描測(cè)量的同時(shí)對(duì)所獲得的光譜信號(hào)資料進(jìn)行解析，這一過(guò)程不需要其他試劑的介入，因此，不會(huì)破壞樣品本身，也不會(huì)影響樣品的物化性能，這一性質(zhì)對(duì)于今后采樣技術(shù)的進(jìn)步、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟、研究產(chǎn)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(jì)掃描樣品時(shí)速率非常快，短時(shí)間內(nèi)就能對(duì)樣品進(jìn)行全譜掃描，而且掃描時(shí)間可以根據(jù)樣品的個(gè)性化進(jìn)行設(shè)定，一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)樣品平均掃描1min，將掃描的數(shù)據(jù)應(yīng)用于計(jì)算機(jī)的模型當(dāng)中進(jìn)行轉(zhuǎn)化，從而得出紅外光譜圖，分析紅外光譜圖確定物質(zhì)的成分及含量。

2.2.5 可遠(yuǎn)程取樣

在線紅光譜分析技術(shù)把遠(yuǎn)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(shù)的紅外光譜分光光度計(jì)都是利用光纖來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)模@是由于紅外光在光纖中的傳播性能較好，遠(yuǎn)程光纖傳輸數(shù)據(jù)的方式助力紅外光譜分析適應(yīng)多種工作環(huán)境，實(shí)現(xiàn)實(shí)地在線測(cè)量。光纖組成部分具有性能穩(wěn)定、不容易受電磁波的干擾、成本低廉、方便攜帶、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，為紅外光譜分析技術(shù)提供了有力的保障。2.2.6 可重復(fù)性高

紅外光譜測(cè)定的可重復(fù)性非常高，最終的測(cè)定結(jié)果不會(huì)因?yàn)榧?xì)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(shù)結(jié)果更精確、穩(wěn)定。

3 紅外光譜分析技術(shù)在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用

紅外光譜分析技術(shù)在化學(xué)分析行業(yè)中應(yīng)用廣泛，使用最多的要數(shù)石油化工領(lǐng)域。紅外光譜分析技術(shù)主要是用來(lái)測(cè)定樣品中的有機(jī)成分，通過(guò)掃描樣品、采集有關(guān)氫基的數(shù)據(jù)來(lái)完成，石油與石油副產(chǎn)物就是以烴類為主的有機(jī)化 合物，正好符合含氨基物質(zhì)的特有性質(zhì)，也是紅外光譜能用于分析石油成分的前提。我國(guó)很多單位都采用紅外光譜分析技術(shù)來(lái)檢測(cè)石油以及一系列衍生物，不僅是在實(shí)驗(yàn)室，在實(shí)際的應(yīng)用中均取得很好的效果。20世紀(jì)90年代，國(guó)外已經(jīng)有人將該技術(shù)應(yīng)用于乙烯裂解工藝以及蒸汽裂解生產(chǎn)單元中，幫助人們更清楚地了解裂解過(guò)程，創(chuàng)造了更大的經(jīng)濟(jì)效益。國(guó)內(nèi)的研究者們經(jīng)過(guò)不懈努力，也最終研發(fā)出基于紅外光譜分析技術(shù)將乙烯和重質(zhì)油進(jìn)行分離的工藝，還有效的降低了生產(chǎn)成本。

有一些危險(xiǎn)的化學(xué)反應(yīng)體系在密閉的環(huán)境中進(jìn)行，或充滿了易燃?xì)怏w，類似于催化氫反應(yīng)和格氏反應(yīng)等，此時(shí)對(duì)取樣操作造成了極大的困難，而且非常危險(xiǎn)，給傳統(tǒng)的表征手段帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)，不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反應(yīng)的過(guò)程。而在線紅外光譜技術(shù)的問(wèn)世給此類化工生產(chǎn)帶來(lái)了福音。不僅精簡(jiǎn)了檢測(cè)環(huán)節(jié)，節(jié)約人力物力，因?yàn)閷?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)著反應(yīng)的整個(gè)過(guò)程，若是有異樣發(fā)生，可第一時(shí)間被告知，起到很好的預(yù)警作用，最大程度地避免了經(jīng)濟(jì)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(shù)應(yīng)用于不同物質(zhì)的檢測(cè)中，例如，新型紅外分析裝置被設(shè)計(jì)用于在線分析醋酸的生產(chǎn)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反應(yīng)釜中化學(xué)成分含量的變化，為醋酸生產(chǎn)的安全穩(wěn)定提供了保障。基于主成分分析技術(shù)建立多相催化反應(yīng)的模型，用于紅外光譜分析技術(shù)中，可以判斷化學(xué)反應(yīng)狀態(tài)是否穩(wěn)定。催化加氫反應(yīng)臨近反應(yīng)結(jié)束時(shí)，若控制不好反應(yīng)結(jié)束節(jié)點(diǎn)，則會(huì)因?yàn)檫^(guò)度催化而產(chǎn)生一種脫氯副產(chǎn)品，影響最終產(chǎn)物的純度，建立定量模型應(yīng)用于在線紅外光譜技術(shù)中，對(duì)反應(yīng)進(jìn)程進(jìn)行監(jiān)控，在反應(yīng)完成節(jié)點(diǎn)結(jié)束反應(yīng)，避免原料損耗，保證產(chǎn)品的純度，并在量化生產(chǎn)的生產(chǎn)線進(jìn)行測(cè)試，取得了理想的效果。若將紅外光譜分析與連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器聯(lián)合起來(lái)，設(shè)計(jì)基于紅外光譜定量模型的反饋控制回路，控制回路可對(duì)反應(yīng)物的比例進(jìn)行調(diào)控，將動(dòng)態(tài)控制變成現(xiàn)實(shí)，不僅提高了生產(chǎn)效率，還避免了副產(chǎn)物的產(chǎn)生，由此可見(jiàn)，紅外光譜分析技術(shù)在生產(chǎn)當(dāng)中是作為自動(dòng)化系統(tǒng)控制的核心而存在的。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)介紹紅外光譜分析技術(shù)的原理和特征，明確了該技術(shù)在化工生產(chǎn)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的可行性。紅外光譜分析技術(shù)帶來(lái)的不僅僅是技術(shù)上的進(jìn)步，也提升了生產(chǎn)水平，保證了化工生產(chǎn)的質(zhì)量，提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。在采用紅外光譜分析技術(shù)之前，需要結(jié)合自身產(chǎn)品的性能分析是否適用于這一技術(shù)，不盲從，不做無(wú)畏的、多余的檢測(cè)。不同產(chǎn)品有不同的性質(zhì)，需要的計(jì)算模型也不同，不能全部照搬別人的模式，結(jié)合材料特點(diǎn)，建立適用的數(shù)學(xué)模型，合理利用紅外光譜技術(shù)。就目前的發(fā)展?fàn)顩r而言紅外光譜技術(shù)還有很大的提升空間，在利用的過(guò)程中應(yīng)不斷總結(jié)分析，加以改進(jìn)，使紅外光譜分析技術(shù)達(dá)到最優(yōu)。