红外光谱分析技术可以用来研究化学成分的分子结构和具体的化学键类型,也可以用来表征和鉴别化学物种,快速检测化学成分。红外光谱的特征性非常明显,可以通过和标准化合物的卡片进行对比来分析鉴定化学成分,目前已经有众多标准红外光谱图集出版,通过和标准图集进行对比,检测速度更加快捷。利用红外光谱不仅可以鉴定化学成分,还可以定量分析。分子之间相邻的基团可以相互作用,致使在不同分子中的同一基团的特征波数在一定的范围内变化。目前,在高分子聚合物的力学性能、构像和构型方面的研究均会采用该技术,物理、气象、生物、医学、天文等领域也广泛应用红外光谱分析技术,尤其是在化工生产领域,红外光谱分析技术的应用有巨大的价值。
2 红外光谱分析技术的原理及特点
2.1 红外光谱分析技术的原理
红外光谱又称分子振动转动光谱,属于分子吸收光谱,频率连续变化的红外光照射到样品上时,分子通过振动或转动引起了偶极矩变化,迫使振动-转动能级从基态跃迁到了激发态,相应的,该段频率的光会减弱,光透过的百分率对应波数或波长的曲线即为红外光谱。
分子的运动分为平动、转动、振动和分子内部的电子运动,每种运动对应不同的能级,分子平动的能量只与温度变化有关,分子平动时不会产生红外光谱,因此,和光谱变化有关的就是转动、振动和电子运动。分子转动能级跃迁时会吸收远红外和微波区的辐射,而振动能级跃迁吸收的是中红外区的辐射,无论是有机化合物还是无机化合物。红外光谱通常指的是中红外区域形成的光谱,近红外区和远红外区形成的光谱分别叫近红外光谱和远红外光谱。近红外光谱还可研究晶体的晶格振动和金属有机物的有机键和分子转动吸收等。分子的振动可分为伸缩振动和弯曲振动,其中,伸缩振动的频率较高。
2.2 红外光谱分析技术的特点
2.2.1 可同时进行多成分测定
对样品进行一次全光谱扫描,获取每个化学成分的光谱数据,之后利用模型进行详细的计算,便可得到样品中具体的化学成分和组成比例。
2.2.2 不需要对样品进行预处理
红外光区集中在0.75～1000µm,范围较广,有利于光的散射,而且投射深度较大,因此红外光谱技术可以通过漫反射的助力,对样品进行直接测试,不用提前预处理。
2.2.3 保证解析数据的完整性
电脑在主机进行扫描测量的同时对所获得的光谱信号资料进行解析,这一过程不需要其他试剂的介入,因此,不会破坏样品本身,也不会影响样品的物化性能,这一性质对于今后采样技术的进步、设计实验步骤、研究产品性能都有重要意义。
2.2.4 快速解析图谱
利用红外分光光度计扫描样品时速率非常快,短时间内就能对样品进行全谱扫描,而且扫描时间可以根据样品的个性化进行设定,一般来说,一个样品平均扫描1min,将扫描的数据应用于计算机的模型当中进行转化,从而得出红外光谱图,分析红外光谱图确定物质的成分及含量。
2.2.5 可远程取样
在线红光谱分析技术把远程收集样品的光谱信息以及有效性分析变成可能,目前大多数的红外光谱分光光度计都是利用光纤来实现远距离数据传输的,这是由于红外光在光纤中的传播性能较好,远程光纤传输数据的方式助力红外光谱分析适应多种工作环境,实现实地在线测量。光纤组成部分具有性能稳定、不容易受电磁波的干扰、成本低廉、方便携带、使用寿命长等优点,为红外光谱分析技术提供了有力的保障。
2.2.6 可重复性高
红外光谱测定的可重复性非常高,最终的测定结果不会因为细微的外界干扰就有巨大差别。与其他的表征方式相比,红外光谱分析技术结果更精确、稳定。
3 红外光谱分析技术在化工生产中的应用
红外光谱分析技术在化学分析行业中应用广泛,使用最多的要数石油化工领域。红外光谱分析技术主要是用来测定样品中的有机成分,通过扫描样品、采集有关氢基的数据来完成,石油与石油副产物就是以烃类为主的有机化合物,正好符合含氨基物质的特有性质,也是红外光谱能用于分析石油成分的前提。我国很多单位都采用红外光谱分析技术来检测石油以及一系列衍生物,不仅是在实验室,在实际的应用中均取得很好的效果。20世纪90年代,国外已经有人将该技术应用于乙烯裂解工艺以及蒸汽裂解生产单元中,帮助人们更清楚地了解裂解过程,创造了更大的经济效益。国内的研究者们经过不懈努力,也最终研发出基于红外光谱分析技术将乙烯和重质油进行分离的工艺,还有效的降低了生产成本。
有一些危险的化学反应体系在密闭的环境中进行,或充满了易燃气体,类似于催化氢反应和格氏反应等,此时对取样操作造成了极大的困难,而且非常危险,给传统的表征手段带来巨大的挑战,不能实时监测反应的过程。而在线红外光谱技术的问世给此类化工生产带来了福音。不仅精简了检测环节,节约人力物力,因为实时监测着反应的整个过程,若是有异样发生,可第一时间被告知,起到很好的预警作用,最大程度地避免了经济上的损失。
科研工作者们做了很多努力,将红外光谱分析技术应用于不同物质的检测中,例如,新型红外分析装置被设计用于在线分析醋酸的生产,实时监测反应釜中化学成分含量的变化,为醋酸生产的安全稳定提供了保障。基于主成分分析技术建立多相催化反应的模型,用于红外光谱分析技术中,可以判断化学反应状态是否稳定。催化加氢反应临近反应结束时,若控制不好反应结束节点,则会因为过度催化而产生一种脱氯副产品,影响最终产物的纯度,建立定量模型应用于在线红外光谱技术中,对反应进程进行监控,在反应完成节点结束反应,避免原料损耗,保证产品的纯度,并在量化生产的生产线进行测试,取得了理想的效果。若将红外光谱分析与连续流动反应器联合起来,设计基于红外光谱定量模型的反馈控制回路,控制回路可对反应物的比例进行调控,将动态控制变成现实,不仅提高了生产效率,还避免了副产物的产生,由此可见,红外光谱分析技术在生产当中是作为自动化系统控制的核心而存在的。
通过介绍红外光谱分析技术的原理和特征,明确了该技术在化工生产领域广泛应用的可行性。红外光谱分析技术带来的不仅仅是技术上的进步,也提升了生产水平,保证了化工生产的质量,提高了企业的经济效益。在采用红外光谱分析技术之前,需要结合自身产品的性能分析是否适用于这一技术,不盲从,不做无畏的、多余的检测。不同产品有不同的性质,需要的计算模型也不同,不能全部照搬别人的模式,结合材料特点,建立适用的数学模型,合理利用红外光谱技术。就目前的发展状况而言红外光谱技术还有很大的提升空间,在利用的过程中应不断总结分析,加以改进,使红外光谱分析技术达到最优。
