一种碳氢化合物光纤化学检测探头及其制备方法与流程

本发明属于有机污染物化学检测仪器技术领域，具体涉及一种碳氢化合物光纤化学检测探头及其制备方法。

背景技术：

进入21世纪以来，我国的城镇化和工业化事业正处于前所未有的发展阶段，与此同时，场地污染问题也成为了我国现阶段面临的严峻挑战。土地污染分为无机污染物和有机污染物两大类，其中无机污染物所引起的危害已经受到人们的关注和重视，而有机污染物因其可溶性、挥发性、生物积累性以及持久性逐渐进入人们视野。随着城市不断的扩展，农业、工业曾用场地被不断作为日常生活使用，有机污染物对人的影响越来越被注意。

随着城市的发展和扩张，城市土地稀缺，许多原本存在污染的工业区用地转变为居民用地或者商业用地，这些受污染的场地需要岩土工程评价与环境修复处理，才能保证周边人员和环境的安全。传统的钻孔取样技术，无法快速获取土体的性质参数，污染土样品的运输和迁移也会耗费大量成本，并增加安全风险，因此原位测试技术成为在污染场地调查中的一个重要手段。

如何提供一种可以根据不同的被检测的含有碳氢化合物的有机物的浓度不同而进行灵敏地、不同折射率改变而带来的测量数值的光线化学检测探头是现有技术急需解决的问题。

技术实现要素：

本发明针对上述缺陷，提供一种涂层材料可以随环境中的被检测的污染物化学物质的存在而变化折射率，

本发明提供如下技术方案：一种碳氢化合物光纤化学检测探头，其特征在于，所述光纤化学检测探头包括光源发射器、有机涂层包裹的光纤和光电二极管检测器，所述有机涂层为硅沸石涂层，所述硅沸石涂层优先吸附动力学直径小于沸石孔径的碳氢化合物有机分子，所述硅沸石涂层中的硅沸石的折射率在吸附所述碳氢化合物有机分子后有所增加，所述硅沸石涂层的折射率随着被检测的所述碳氢化合物有机分子的浓度而升高。

进一步地，所述硅沸石涂层中的硅沸石的有效孔径为

进一步地，所述硅沸石涂层中的硅沸石的比表面积约为400m²/g～600m²/g。

进一步地，所述碳氢化合物光纤化学检测探头检测的含有碳氢化合物的污染物包括石油烃、半挥发性有机物、三氯乙烯、水中苯系物、空气中苯系染物。

进一步地，所述光纤化学检测探头对于水中苯系物的检出限为0.1ppm。

进一步地，所述光纤化学检测探头对于空气中苯系物的检出限为10ppm。

本发明还提供上述碳氢化合物光纤化学检测探头的制备方法，包括以下步骤：

s1：将作为结构导向剂、浓度为1m的氢氧化四丙基铵，质量分数浓度为98％的原硅酸四乙酯和水按体积比为0.5～1.5:1～3:5～7混合后，在50℃下剧烈搅拌3小时；

s2：将所述s1步骤所得的澄清溶液转移至衬有特氟龙的不锈钢合成容器中，将10cm～20cm的光纤安装在所述合成容器中，然后将所述合成容器密封并垂直放置在烤箱中，在自生压力下于180℃进行水热合成4小时；

s3：在所述s2步骤的水热处理后，用去离子水冲洗表面形成所述硅沸石涂层的光纤，然后干燥并在500℃的空气中焙烧2小时，以除去作为结构导向剂的氢氧化四丙基铵。

本发明的有益效果为：

1、经光源发射器发射出的光束进入光纤的一端，如果其投射到光纤内核的入射角大于临界角，则在光纤内被反射，以此在光纤内部进行传输。临界角的大小是由折射率和环境介质决定的。本申请的碳氢化合物光纤化学检测探头的光纤为有机涂层包裹的光纤，将光纤内核外包裹根据所检测的有机污染的浓度不同而具有不同折射角的硅沸石涂层材料，可以优化光纤内部传输的光束的量。

2、本发明提供的碳氢化合物光纤化学检测探头的硅沸石涂层对环境中的石油碳氢类有机物很敏感，可以探测其是否存在。当有机污染物中所包含的碳氢化合物通过扩散或吸附进入光纤外部包裹的硅沸石涂层材料时，硅沸石涂层的折射率发生变化，光的传输随之变化。非常微弱的折射率的改变就可以得到光束传播的较大变化。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1为本发明提供的碳氢化合物光纤化学检测探头结构示意图；

图2为本发明提供的碳氢化合物光纤化学检测探头实物图。

具体实施例方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-2所示，为本发明提供的一种碳氢化合物光纤化学检测探头，所述光纤化学检测探头包括光源发射器1、有机涂层2-1包裹的光纤2和光电二极管检测器3，有机涂层2-1为硅沸石涂层，硅沸石涂层优先吸附动力学直径小于沸石孔径的碳氢化合物有机分子，所述硅沸石涂层中的硅沸石的折射率在吸附所述碳氢化合物有机分子后有所增加，所述硅沸石涂层的折射率随着被检测的所述碳氢化合物有机分子的浓度而升高。

沸石是具有独特的化学和光学特性组合的结晶铝硅酸盐材料，由于空间限制和客体(分子)-主体(沸石)相互作用，吸附的污染物分子在纳米级沸石孔中被组织和排列，污染物的吸附和解吸可以改变沸石的光学和结构性质，可以通过各种光学方法对其进行有效检测。因此沸石材料是开发各种光学化学传感器的理想选择。本发明提供的碳氢化合物光纤化学检测探头中的硅沸石涂层中的硅沸石的有效孔径为硅沸石涂层中的硅沸石的比表面积约为400m²/g～600m²/g，它优先吸附动力学直径小于沸石孔径的有机分子。硅沸石的折射率在吸附有机物后有所增加，折射率随着被检测的污染物中的碳氢化合物的浓度而升高。

涂层材料的折射率是决定光束传播的关键因素。本发明提供的碳氢化合物光纤化学检测探头具有的光纤外包裹的硅沸石涂层材料可以随环境中的化学物质的存在而变化折射率，其具有高灵敏度，所使用的光纤内核外的硅沸石涂层材料对环境中的石油碳氢类有机物很敏感，可以探测它们的存在。当碳氢化合物通过扩散或吸附进入光纤外部的包裹材料时，包裹材料的折射率发生变化，光的传输随之变化。非常微弱的折射率的改变就可以得到光束传播的较大变化。这样的变化经过校准和测量，就能得到碳氢化合物的浓度。该探测器既可测量水中碳氢化合物浓度，也可测量其在空气中的浓度。本发明提供的碳氢化合物光纤化学检测探头检测的含有碳氢化合物的污染物包括石油烃、半挥发性有机物、三氯乙烯、水中苯系物、空气中苯系染物。

本发明提供的碳氢化合物光纤化学检测探头对于水中苯系物的检出限为0.1ppm，对于空气中苯系物的检出限为10ppm。本发明提供的探头可以固定在不同记录仪上使用。一个记录仪可固定数量不同的探头。本发明提供的碳氢化合物光纤化学检测探头可以用于原位修复的持续监测，也可安装在手持式记录仪上。

实施例2

本实施例提供实施例1提供的碳氢化合物光纤化学检测探头的制备方法，包括以下步骤：

s1：将作为结构导向剂、浓度为1m的氢氧化四丙基铵，质量分数浓度为98％的原硅酸四乙酯和水按体积比为0.5～1.5:1～3:5～7混合后，在50℃下剧烈搅拌3小时；作为结构导向剂、浓度为1m的氢氧化四丙基铵，质量分数浓度为98％的原硅酸四乙酯和水的体积比可以根据实际制备得到的有机涂层对碳氢化合物吸收后的折角率变换升高多少程度进行选择，优选为1:2:6；

s2：将所述s1步骤所得的澄清溶液转移至衬有特氟龙的不锈钢合成容器中，将将10cm～20cm的的光纤安装在所述合成容器中，然后将所述合成容器密封并垂直放置在烤箱中，在自生压力下于180℃进行水热合成4小时；

s3：在所述s2步骤的水热处理后，用去离子水冲洗表面形成所述硅沸石涂层的光纤，然后干燥并在500℃的空气中焙烧2小时，以除去作为结构导向剂的氢氧化四丙基铵。

用涂层材料浸涂过的光纤被装入探碳氢化合物光纤化学检测探头中，本发明提供的将检测到的光学变化转化为电信号，由数据记录装置记录电信号。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的技术特征。尤其是，只要不存在技术方案的冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。