Trọng tâm của giám sát trực tuyến khí nhà kính là cho phép giám sát liên tục các khí nhà kính như carbon dioxide (CO₂), metan (CH₄), nitơ oxit (N₂) bằng cách thu thập các tín hiệu đặc trưng của các phân tử khí trong thời gian thực và chuyển đổi chúng thành dữ liệu nồng độ có thể định lượng được. Nguyên tắc hoạt động của nó xoay quanh các đặc tính vật lý hoặc hóa học của các phân tử khí và sự khác biệt giữa các kỹ thuật giám sát khác nhau chủ yếu được phản ánh trong cách thu tín hiệu.
Hấp thụ quang học: Chụp quang phổ "dấu vân tay" của khí
Cốt lõi của nguyên tắc: sử dụng các đặc tính hấp thụ chọn lọc của các phân tử khí nhà kính đối với ánh sáng bước sóng cụ thể.
Mỗi phân tử khí có một phổ hấp thụ độc đáo (như "dấu vân tay phân tử"), chẳng hạn như CO ₂ hấp thụ mạnh với bước sóng 4,26 μm của ánh sáng hồng ngoại và CH ₄ nhạy cảm với ánh sáng hồng ngoại 3,31 μm và 7,66 μm. Thiết bị giám sát trực tuyến phát ra một bước sóng ánh sáng cụ thể thông qua một nguồn ánh sáng, và khi ánh sáng đi qua khí được đo có chứa khí nhà kính, một phần ánh sáng được hấp thụ bởi khí và cường độ ánh sáng bị suy giảm tỷ lệ thuận với nồng độ khí (theo định luật Lambert-Beer).
Bằng cách phát hiện sự thay đổi cường độ ánh sáng, nồng độ khí có thể được đẩy ngược. Trong số các phương pháp này, phương pháp hồng ngoại không phân tán (NDIR) được sử dụng rộng rãi để giám sát trực tuyến các nguồn ô nhiễm cố định (như ống khói nhà máy) và không khí xung quanh do cấu trúc đơn giản và đáp ứng nhanh; Phương pháp quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) có thể theo dõi nhiều loại khí cùng một lúc, phù hợp với điều kiện làm việc phức tạp.
Quang phổ laser: nồng độ chính xác cao với laser
Cốt lõi của nguyên tắc: sử dụng laser làm nguồn sáng, sử dụng dây hấp thụ của phân tử khí để phát hiện độ nhạy cao.
Laser có đặc tính đơn sắc mạnh mẽ, bước sóng có thể điều chỉnh và nhắm mục tiêu chính xác các đường hấp thụ cụ thể của các phân tử khí nhà kính (chẳng hạn như điều chỉnh bước sóng laser đến đỉnh hấp thụ của CH₄). Khi laser đi qua khí được đo, các phân tử khí hấp thụ năng lượng laser, dẫn đến giảm cường độ laser và biên độ giảm của nó tương quan với nồng độ khí.
Các công nghệ phổ laser phổ biến bao gồm quang phổ hấp thụ laser bán dẫn điều chỉnh (TDLAS) và quang phổ hấp thụ laser tăng cường khoang (CELAS). Các phương pháp này có khả năng chống nhiễu mạnh, hạn chế phát hiện thấp (lên đến mức ppb) và phù hợp với việc giám sát trực tuyến các tạp chất trong các khí nhà kính nồng độ thấp (như CH₄ trong không khí xung quanh) hoặc các khí có độ tinh khiết cao.
Sắc ký khí: Phát hiện khí hỗn hợp sau khi tách
Nguyên tắc cốt lõi: trước tiên tách các thành phần khác nhau trong khí hỗn hợp, sau đó phát hiện nồng độ từng cái một.
Khí được đo đi vào cột sắc ký thông qua hệ thống lấy mẫu, và các pha cố định bên trong cột, chẳng hạn như chất hấp phụ, tạo ra các hiệu ứng hấp phụ-giải hấp khác nhau đối với các phân tử khí nhà kính khác nhau, dẫn đến thời gian lưu giữ khác nhau của các thành phần trong cột sắc ký, do đó đạt được sự tách biệt. Khí sau khi tách lần lượt đi vào máy dò (chẳng hạn như máy dò ion hóa ngọn lửa FID để phát hiện CH₄ và máy dò dẫn nhiệt TCD để phát hiện CO ₂), máy dò tạo ra tín hiệu điện dựa trên phản ứng của khí với một tác nhân cụ thể (chẳng hạn như sự đốt cháy CH₄ trong FID để tạo ra một dòng ion), với cường độ tín hiệu tỷ lệ thuận với độ đậm đặc.
Sắc ký khí có độ chính xác cao, có thể phân tích nhiều loại khí cùng một lúc, nhưng tốc độ phản ứng chậm hơn (thường là dữ liệu một lần trong vài phút), phù hợp với các tình huống đòi hỏi độ chính xác cao nhưng không cần giám sát tần số cao, chẳng hạn như tuần tra khí nhà kính ở biên giới công viên.
Khối phổ: Xác định khí bằng tỷ lệ khối lượng ion trên điện tích
Cốt lõi của nguyên lý: ion hóa các phân tử khí thành các ion, phân biệt các loại khí khác nhau và tính nồng độ dựa trên tỷ lệ khối lượng-điện tích (m/z) của ion.
Khi khí được đo đi vào nguồn ion, nó bị ion hóa (chẳng hạn như ion hóa bắn phá electron), các ion được tạo ra bị lệch trong điện trường hoặc từ trường, quỹ đạo lệch ion khác nhau cho các khối lượng khác nhau và cuối cùng tạo thành các đỉnh tín hiệu khác nhau trên máy dò. Các loại khí có thể được xác định bởi vị trí của đỉnh (tương ứng với m/z) (ví dụ: m/z của CO ₂ là 44 và CH ₄ là 16) và cường độ của đỉnh phản ánh nồng độ.
Phương pháp quang phổ khối phản ứng nhanh, có thể phát hiện nhiều loại khí cùng một lúc và không cần tiền xử lý phức tạp, nhưng chi phí thiết bị cao và bảo trì phức tạp, chủ yếu được sử dụng trong phòng thí nghiệm hoặc các tình huống công nghiệp đặc biệt (chẳng hạn như theo dõi thời gian thực của khí nhà kính trong quá trình phản ứng hóa học).
Tóm tắt: Các kịch bản áp dụng cho các nguyên tắc khác nhau
Tất cả các loại kỹ thuật giám sát trực tuyến khí nhà kính, về cơ bản, thực hiện đo nồng độ bằng cách xác định các đặc tính vật lý và hóa học độc đáo của các phân tử khí. Phương pháp hấp thụ quang học và phổ laser có ưu điểm là nhanh chóng, thời gian thực, dẫn đầu giám sát liên tục trực tuyến; Sắc ký khí giành chiến thắng với độ chính xác cao, phù hợp để kiểm tra định kỳ; Quy luật phổ khối đóng một vai trò trong phân tích thành phần phức tạp. Cùng với nhau, các công nghệ này tạo thành phương tiện cốt lõi để giám sát phát thải khí nhà kính trong các lĩnh vực hóa dầu, điện và bảo vệ môi trường, cung cấp hỗ trợ dữ liệu cho các quyết định giảm phát thải.