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近紅外光譜分析技術在消防領域中的應用

 隨著現代儀器研制技術的不斷進步,以及與化學計量學方法的日趨融合,整個近紅外光譜分析系統,無論是硬件系統(近紅外光譜儀、配套專用測量附件等)的穩定性、光學一致性,還是軟件系統(儀器操作控制軟件、數據分析軟件等)的人機對話功能、復雜數據處理和數學建模功能,均得到全面提升;加之,近年來物聯網技術、云計算技術的興起,近紅外光譜分析技術服務于產業現代化,無論是應用于離線分析,還是在線過程監測,必將發揮越來越重要的作用,近紅外光譜法在在線過程質量監測中的應用研究及相關標準制訂,基于近紅外光譜數據庫與相關領域知識的數據挖掘技術應用研究成為熱點。

公安部天津消防研究所宋文琦等人,通過近紅外光譜分析技術解決哈龍滅火劑回收過程中的快速取樣及檢定的新方法,設計并研制了適用于哈龍滅火劑的帶壓取樣裝置,用于哈龍滅火劑液態近紅外光譜采集。通過化學計量學中的歐氏距離和相似度匹配理論,建立了哈龍滅火劑的快速檢定評價模型,利用不同種類的滅火劑的近紅外光譜圖進行模型的驗證,驗證結果表明,近紅外光譜分析技術能夠用于哈龍滅火劑回收中的快速檢定及有效性評價,將近紅外光譜分析技術應用到了消防領域。


哈龍是屬于氯代烷的一類化學品,主要作為滅火藥劑使用,通常指的是一溴一氯二氟甲烷(1211)、一溴三氟甲烷(1301)和二溴四氟乙烷(2402)等物質。哈龍滅火劑由于其電絕緣性好、滅火速度快,釋放后殘留物質少,滅火后的毒性和腐蝕性小等優點,曾一直是國際上主要應用的清潔高效滅火劑。但是哈龍氣體被排放到大氣中,在太陽光的照射下,會分解出氯和溴的自由基與臭氧分子中的一個氧原子結合,破壞鏈式反應,使臭氧遭到破壞,從而降低大氣中臭氧的濃度,產生臭氧空洞。由于哈龍氣體在大氣中對臭氧層的破壞作用能夠持續幾十年甚至更長時間。為了保護臭氧層,國際社會在19851987年簽訂了《保護臭氧層維也納公約》和《關于消耗臭氧層物質的蒙特利爾議定書》,將哈龍1211、13012402列為附件A中第二組受控物質。我國從20世紀80年代開始在滅火器和固定式滅火系統中使用哈龍12111301滅火劑。1989年我國加入《保護臭氧層維也納公約》,1991年正式簽署 《蒙特利爾議定書》。1993年,我國政府批準執行《中國消耗臭氧層物質逐步淘汰國家方案》。1994年公安部和環保局發布《關于非必要場所禁止再配置哈龍滅火器的通知》,有效遏制了哈龍滅火劑的生產和使用。1997年我國的《中國哈龍行業淘汰計劃》在《蒙特利爾議定書》多邊基金執委會上原則通過,1998年我國消防行業正式開始實施哈龍滅火劑的淘汰計劃。目標是在2005年底完成1211滅火劑的淘汰,2006年全部停止1211滅火劑的生產,2010年全部停止1301滅火劑的生產。與此同時,我國政府鼓勵12111301滅火劑生產企業轉型和升級,不斷研發哈龍替代滅火劑,并建立了我國的哈龍銀行,以保證必要場所哈龍滅火劑的使用和充裝。

我國政府制定了哈龍滅火劑淘汰的日程表,消防企業也在規定的時限內提前完成了滅火劑生產的淘汰工作,但是針對各地已經安裝和正在使用的哈龍滅火系統,存在著用戶分散、情況復雜的現象,為了進一步鞏固和保質保量的完成哈龍滅火劑的回收和淘汰工作,必須對一些固定場所的現有哈龍滅火系統進行妥善處理。目前我國哈龍消防設備的用戶和哈龍保有量仍然很難統計,為了規范現存哈龍滅火系統的評價和回收,2012年公安部頒發了哈龍滅火系統工況評定的標準要求,旨在對現有的哈龍滅火系統工作狀況進行評價。但是在哈龍滅火系統的評價過程中,對滅火系統中充裝的藥劑的成分和含量無法進行快速的檢定和判斷,這對于哈龍滅火系統的評價和滅火劑的回收十分不利,因此,找到一種能夠進行哈龍滅火劑快速檢定的方法十分必要和緊迫。

由于近紅外光譜能夠反映出分子中化學鍵基頻振動的組合頻以及一級、二級和三級倍頻的吸收譜帶信息,可利用1000~250nm波段的光譜數據對液體、固體和粉體等樣品進行分析。近紅外光譜技術在干粉滅火劑、防火涂料以及七氟丙烷等滅火劑及阻燃材料中應用廣泛,通過偏最小二乘法建立了干粉滅火劑含量和含水率的定量分析模型;通過相似分析(SIMCA)方法建立了防火涂料的品牌鑒別模型;通過一致性比對能夠快速鑒別七氟丙烷滅火劑。由于一溴一氯二氟甲烷(1211)的臨界溫度和臨界壓力為153.8℃和40.4atm、一溴三氟甲烷(1301)的臨界溫度和臨界壓力為67℃和39.1atm,因此可以通過加壓的方式測量液體狀態下哈龍氣體滅火劑的近紅外光譜圖,從而實現快速準確的在回收過程中檢定哈龍氣體滅火劑的真偽。

 
 

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