基于差分吸收光谱技术的CS2转化机制及其分解产物检测研究

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二硫化碳(CS2)是平流层和对流层的微量成分,其光解过程和光解产物知识在大气物理学、大气化学和星际化学的研究中必不可少,因此开展CS2转化特性及分解产物测量研究是十分必要的。本文基于差分吸收光谱技术(Differential Optical Absorption Spectroscopy,DOAS)开展了CS2及其分解产物浓度测量研究,并根据CS2分解产物浓度演变规律阐明了CS2转化特性;首先根据CS2及其分解产物吸收光谱特性,选取了评估CS2与其分解产物的光谱波段,并基于分解产物吸收光谱之间的关系建立了评估CS2和其分解产物浓度的方法,解决了紫外吸收光谱中两种或多种物质特征光谱重叠而互相干扰的问题;其次,基于差分吸收光谱技术开展了在紫外光作用下CS2转化特性的研究,并进一步研究了氧气和臭氧对CS2转化特性的影响;同时,在准备评估CS2及其分解产物的基础上,首次获得了CS2不稳定分解产物C2S的差分吸收光谱;最后,基于差分吸收光谱技术开展了高温下CS2的转化特性研究。首先,开展了CS2及其分解产物的特征波段选取研究,并给出了两个新的CS特征吸收峰,补充了CS吸收截面的缺失。研究表明CS2在强紫外光的照射下会发生分解,其分解过程分为动态过程和静态过程。在动态过程中,气室内气体处于动态平衡的状态,CS2的分解产物包括CS、微量SO2及一种未知物质CxSy,CS2和CS的含量比受光强及流速影响。在静态阶段,CS2的分解产物CxSy和CS均有一个先增大后减小直至为零的过程,研究结果表明CS2转化的最终产物为SO2,并通过对CS2及其分解产物的紫外吸收光谱分析,得到了其演变趋势。此外,本文还补充了现有CS吸收截面数据的缺失,除了现有文献给出的两个吸收峰外,给出了CS在244.61 nm及259.08 nm处的两个新特征吸收峰。其次,研究了紫外光作用下CS2的转化特性及氧气和臭氧对转化特性的影响。通过对CS2光解过程光谱数据的分析,在275-315 nm波段发现了一种未见报导的特征谱线,基于光谱分离法获得未知物质CxSy的差分吸收光谱,并根据CS2分解产物构成初步确定产物为C2S。在氧气极其微量的条件下,最终产物SO2的浓度与CS2浓度一致,有二分之一的硫元素转化为SO2;另外,研究了氧气和臭氧对CS2转化特性的影响,在强紫外光照射下分别加入少量不同浓度的O2和O3,实验结果表明O2和O3对强紫外光下CS2的光解起到促进作用,都会增加最终产物SO2浓度,但是随着O2含量增加最终产物SO2有增加趋势,而随着O3含量增加最终产物SO2有减少趋势。研究表明原子氧和CS2的不稳定分解产物在CS2的转化中起着不可或缺的作用。最后,研究了在高温条件下CS2的转化特性。首先,根据所需的高温实验条件设计了高温加热装置和水浴降温装置,提供了500-900℃高温反应环境及室温测量环境;其次,开展了高温实验装置温度场性能评估研究,对反应过程所需温度进行了测量,实验结果表明温度场满足实验要求;最后,在高温条件下研究了不同氧气浓度条件下CS2转化特性。研究结果表明在CS2达到临界温度后,CS2在短时间内即全部转化为SO2,在高温实验过程中并未观察到常温反应时存在的的CxSy和CS等中间瞬态物质。此外,在温度一定时,SO2浓度随O2浓度的增加而减少。
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