2023-12-18111

光催化實(shí)驗(yàn)中,常見(jiàn)氣體體積單位及換算方法

在做實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中,，我們常常會(huì)遇到有關(guān)氣體濃度、氣體產(chǎn)率,、反應(yīng)速率的單位和換算困擾,。由于實(shí)驗(yàn)要求與設(shè)備所提供的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)之間經(jīng)常存在描述單位不統(tǒng)一的問(wèn)題,，這一期帶領(lǐng)大家學(xué)習(xí)了解在進(jìn)行光催化實(shí)驗(yàn)中會(huì)遇到的各種常見(jiàn)氣體單位,。

首先，我們回顧一下高中化學(xué)知識(shí),。

mol,、mmol與μmol

摩爾(mole)，簡(jiǎn)稱(chēng)摩,，符號(hào)為mol,，是物質(zhì)的量的單位，每1 mol微觀物質(zhì)含有約6.03×10²³個(gè)微粒,。

1 mol=1000 mmol=1000000 μmol

mol與g,、μmol與mg

mol與L、μmol與mL

下面開(kāi)始本期的正式講解,。

（一）

在我們做與氣體相關(guān)的實(shí)驗(yàn)時(shí),，會(huì)使用到標(biāo)準(zhǔn)氣體，如CO和CH?的標(biāo)準(zhǔn)氣體,、H?標(biāo)準(zhǔn)氣體等,，其中很多標(biāo)準(zhǔn)氣體是混合氣，如CO和CH?的標(biāo)準(zhǔn)氣體,，是CO,、CH?和Ar的混合氣。標(biāo)注濃度的單位有很多種,，氣體鋼瓶上常見(jiàn)的濃度單位多為體積濃度（V/V）或ppm,，如圖1所示。

標(biāo)準(zhǔn)氣體氣瓶標(biāo)簽

圖1. 標(biāo)準(zhǔn)氣體氣瓶標(biāo)簽

使用百分比來(lái)表示氣體含量是不夠精準(zhǔn)的,，多數(shù)實(shí)驗(yàn)及工業(yè)領(lǐng)域都是使用質(zhì)量濃度單位（如：mg/m³）來(lái)表示氣體濃度,，那么氣瓶上寫(xiě)著ppm的單位，該如何計(jì)算為mg/m³,？

首先來(lái)了解ppm的定義,，ppm是體積比濃度Parts Per Million的縮寫(xiě)，用溶質(zhì)質(zhì)量占全部溶液質(zhì)量的百萬(wàn)分比來(lái)表示的濃度,，也稱(chēng)百萬(wàn)分比濃度,，與之相似的還有ppb（Parts Per Billion）。

對(duì)于氣體,，ppm一般指摩爾分?jǐn)?shù)或體積分?jǐn)?shù)。

對(duì)于溶液,，ppm一般指質(zhì)量濃度,。

具體換算關(guān)系如下：

一般氣體濃度是指質(zhì)量濃度c，單位mg/m³,，而質(zhì)量濃度與氣體的溫度和壓力有關(guān),，通常無(wú)法直接測(cè)得,，是需要將測(cè)量結(jié)果以規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（0℃，101.325 kPa或760 mmHg）為準(zhǔn)進(jìn)行換算,。而測(cè)得的濃度為體積濃度,，多以ppm表示，要得到質(zhì)量濃度c,，需按下列公式換算：

質(zhì)量濃度c公式換算

其中M為氣體的分子量,；T為氣體的溫度（以攝氏度為單位，符號(hào)為℃）,；P為大氣壓（以巴Ba為單位,，1 Ba相當(dāng)于100 kPa）；1.01325是標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的值,，即標(biāo)準(zhǔn)大氣壓為1.01325 Ba,；273是絕對(duì)溫度(Kelvin)與攝氏溫度(Celsius)之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)，273 K=0℃,，壓力修正公式是以氣體狀態(tài)方程式為基礎(chǔ)的,，狀態(tài)方程式的溫度單位是開(kāi)爾文，因此需要將攝氏溫度轉(zhuǎn)換成開(kāi)爾文溫度,。

由于多數(shù)時(shí)候參數(shù)都統(tǒng)一使用常溫常壓計(jì)算得來(lái),，因此由上式可得到如下簡(jiǎn)化關(guān)系：

簡(jiǎn)化關(guān)系公式

使用質(zhì)量濃度單位（mg/m³）作為混合氣濃度的表示方法是可以方便計(jì)算出污染物的真正量。但質(zhì)量濃度與檢測(cè)氣體的溫度,、壓力環(huán)境條件有關(guān),，其數(shù)值會(huì)隨著溫度、氣壓等環(huán)境條件的變化而有所不同,；所以在實(shí)際測(cè)量時(shí),，需要同時(shí)測(cè)定氣體的溫度和大氣壓力。而使用ppm描述氣體濃度時(shí)采取的是體積比,，就不會(huì)出現(xiàn)這個(gè)問(wèn)題,。

（二）

實(shí)驗(yàn)室甲烷氣體上寫(xiě)了10%LEL，到底是多少ppm,？

▼

%VOL,、%LEL與%UEL

%VOL是氣體體積百分比，英文全稱(chēng)為Volume,，主要是指100份體積中,，氣體含量占多少。
%LEL是指爆炸下限,，即可燃?xì)怏w在空氣中遇明火爆炸時(shí)的最低體積濃度,，英文全稱(chēng)為L(zhǎng)ower Explosion Limited。爆炸下限百分比,，即把爆炸下限分為一百份,，一個(gè)單位為1%LEL,。
%UEL是爆炸上限簡(jiǎn)稱(chēng)，英文全稱(chēng)為Upper Explosion Limited,，即可燃?xì)怏w在空氣中遇明火種爆炸的最高濃度,。

可燃性氣體的濃度過(guò)低或過(guò)高時(shí)可能沒(méi)有較大的危險(xiǎn)性，但當(dāng)與空氣混合達(dá)到一定比例的混合氣后,，會(huì)發(fā)生燃燒或爆炸,。低于爆炸下限，混合氣中的可燃?xì)獾暮坎蛔?，不能引起燃燒或爆炸,；高于上限，混合氣中的氧氣的含量不?也不能引起燃燒或爆炸,。

%VOL和%LEL的換算,，要先找出該可燃?xì)怏w的爆炸下限值是多少，空氣中可燃?xì)怏w濃度達(dá)到其爆炸下限值時(shí),，我們稱(chēng)這個(gè)空間的可燃?xì)猸h(huán)境爆炸危險(xiǎn)度為100%,。

例如：H?的%LEL是4%VOL，即它在空氣中的體積百分比達(dá)到4%VOL時(shí),，遇明火就會(huì)爆炸,，因此將4%VOL作為100%危險(xiǎn)來(lái)看，稱(chēng)為100%LEL,，即4%VOL=100%LEL,，那么1%VOL=25%LEL

ppm和VOL的換算

ppm和VOL的換算↑

所以，實(shí)驗(yàn)室甲烷氣體上寫(xiě)了10%LEL,，到底是多少ppm,？

由于ppm與LEL之間無(wú)法直接換算，需先將LEL換算成VOL,，再由VOL與ppm進(jìn)行換算,。CH?的爆炸下限是4%VOL，一般將爆炸下限的10%~25%作為報(bào)警值,，所以10%LEL的甲烷氣體有以下對(duì)應(yīng)關(guān)系：

10%LEL = 10% × 4%VOL = 0.4%VOL = 4000 ppm

也就是說(shuō),，實(shí)驗(yàn)室CH?氣體上寫(xiě)了10%LEL，也就是4000 ppm,。

常用情況下,，O?的容積濃度用VOL表示，CH?等可燃?xì)怏w的容積濃度用%LEL表示,，其余的如SO?,、H?S、甲醛等有毒氣體使用ppm表示容積濃度值。

（三）

泊菲萊科技近期推出了一款新型科研設(shè)備——μGAS1000 微量氣體反應(yīng)評(píng)價(jià)系統(tǒng),，這款設(shè)備已在中科院大連化學(xué)物理研究所、中科院金屬所投入使用,，為其提供了強(qiáng)有力的科研支持,。

μGAS1000 微量氣體反應(yīng)評(píng)價(jià)系統(tǒng)最大的亮點(diǎn)就是其電腦端軟件可對(duì)系統(tǒng)、氣相色譜儀,、真空泵實(shí)現(xiàn)一體化控制,，并通過(guò)可控制取樣結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)在線取樣,、進(jìn)樣,。μGAS1000 微量氣體反應(yīng)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的上位機(jī)軟件利用軟件內(nèi)置的計(jì)算方法，讀取氣相色譜儀的測(cè)試數(shù)據(jù),，通過(guò)軟件界面生成報(bào)表計(jì)算出氣體產(chǎn)量,、反應(yīng)速率等數(shù)據(jù)。