CN108535341B - 一种环境空气氟化物浓度连续在线监测设备及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种环境空气氟化物浓度连续在线监测设备及方法，所述设备包括经管路依次连接的气体采样***、氟化物捕集***、溶液中和***、溶液测定***、溶液储存输送***，以及主控***。本发明连续在线监测设备将户外采样设备、实验室分析设备以及数据处理计算过程集成于一体，可实现自动、远程在线连续监测。现场检测时只需定期更换配液，无需人员值守，大大提高监测工作效率，节省人力物力，具有广泛的推广应用价值。
Description
技术领域
本发明属于空气质量监测技术领域，尤其涉及一种环境空气氟化物浓度连续在线监测设备及方法。
背景技术
环境空气中氟化物有气态氟和尘态氟两种，气态氟主要是氟化氢，含氟粉尘只要是冰晶石、萤石、氟化铝及磷石灰，污染主要来源于电解铝厂、磷肥厂和冰晶石厂等排放或逸散的气体和粉尘。人在氟化氢400～430mg/m3浓度下可引起急性中毒致死，长期吸入低浓度的氟及其化合物的气体和粉尘，能够影响各组织和器官的正常生理功能，甚至引起慢性氟中毒氟骨症，因此准确测定环境空气中的氟污染非常重要。
目前环境空气中氟化物浓度的监测主要依靠滤膜采样或被动吸附的方法手工收集空气氟化物，然后将样本在实验室中进行溶解、提取，最后通过绘制标准曲线，对比分析得到溶液氟化物浓度信息并人工折算出空气中氟化物的浓度值，费时费力；采样前准备工作、采样后分析工作较为繁琐，通常一星期只能采集处理一次样本。
发明内容
本发明针对滤膜滤纸采集氟化物并在实验室处理分析计算的手工检测方法中操作周期长、费时费力，无法连续监测环境空气中氟化物的浓度的问题，提出一种将户外采样过程、实验室分析过程以及数据处理计算过程集成于一体，可自动、远程在线连续监测的在线监测设备及方法。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种环境空气氟化物浓度连续在线监测设备，包括经管路依次连接的气体采样***、氟化物捕集***、溶液中和***、溶液测定***、溶液储存输送***，以及主控***；
所述氟化物捕集***包括经气管依次串连的盐酸溶液冲击瓶、氢氧化钠溶液冲击瓶和截留冲击瓶和多个平衡阀；
所述气体采样***包括TSP切割器、滤水干燥器及采样器，环境空气由TSP切割器吸入采样管路，经过氟化物捕集***的各个冲击瓶，经滤水干燥器干燥后由采样器排出；
所述溶液中和***包括溶液中和瓶、截止阀和带有高效过滤器的隔膜泵，溶液中和瓶内安装有PH电极和液位传感器，盐酸溶液冲击瓶、氢氧化钠溶液冲击瓶和截留冲击瓶下端均由液管连接至溶液中和瓶；截止阀和隔膜泵将洁净气体输送至溶液中和瓶；
所述溶液测定***包括测定瓶和氟电极，溶液中和瓶与测定瓶通过液管连接；
所述溶液储存输送***包括盐酸液桶、氢氧化钠液桶、纯水桶、TISAB液桶、标准液桶以及废液桶，及用于输送各桶内液体的泵和阀；
所述主控***包括控制器、存储器及GPRS模块，控制器控制上述采样器及所有阀和泵的运行。
作为优选，所述盐酸溶液冲击瓶、氢氧化钠溶液冲击瓶和截留冲击瓶底部均连接有过滤器。
作为优选，还包括温控***，所述温控***包括容纳氟化物捕集***、溶液中和***、溶液测定***、溶液储存输送***的箱体，箱体内安装有由温度控制器控制运行的电热风、加热板及制冷装置，并由温度传感器检测温度。
作为优选，所述GPRS模块包括GPS定位模块。
作为优选，上述气管和液管均为耐酸碱管路。
作为优选，还包括风速风向传感器、大气压传感器及环境温湿度传感器。
作为优选，所述箱体内安装有锂电池，所述主控***包括断电检测电路，突然断电时由锂电池供电。
作为优选，所述箱体为透明材质制成。
作为优选，还包括与控制器电连接的触摸屏，用于输入检测参数及显示检测结果。
本发明还提出一种环境空气氟化物浓度连续在线监测方法，包括以下步骤：
（1）控制器控制采样器启动，环境空气由TSP切割器进入采样管路；
（2）经TSP切割器除颗粒物后的气体依次流经盐酸溶液、氢氧化钠溶液及截留冲击瓶，此后经滤水干燥器过滤除去水分，经采样器排出；
（3）步骤2中的盐酸溶液、氢氧化钠溶液及节流冲击瓶内液体均经过滤后用泵输送至溶液中和瓶；
（4）PH电极实时检测溶液中和瓶内液体PH值并将检测值传输至控制器，溶液储存输送***中的注射泵根据PH值加入适量的盐酸溶液和氢氧化钠溶液调节液体PH值至5.5，加纯水定容。
（5）溶液中和瓶内液体输送至测定瓶，采用氟电极检测溶液内氟离子浓度。
（6）控制器根据采样器采样气体体积及负离子浓度计算得出环境空气氟化物浓度。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
1、环境空气氟化物浓度连续在线监测设备将户外采样设备、实验室分析设备以及数据处理计算过程集成于一体，可实现自动、远程在线连续监测。
2、该设备自备液桶，现场检测时只需定期更换配液，无需人员值守，大大提高监测工作效率，节省人力物力，具有广泛的推广应用价值。
3、配有温度控制***以及断电保护***，可模拟实验室恒温恒湿环境，克服户外极端环境影响。
4、采用高精度氟电极、PH电极以及高精度液位传感器，保证满足测试精度要求。
5、采用该设备的检测方法实现了户外采样过程、实验室分析过程以及数据处理计算过程一体化、自动化以及智能化，数据可自动上传综合数据至监测数据平台，是一种连续在线监测方法，有效减少了氟化物浓度监测工作的复杂性。使用该方法可实现各个监测点网络化布局，可进行多监测点同时采样，整体分析变化趋势。
附图说明
图1为本发明在线监测设备的结构示意图；
图2为本发明在线监测设备的电控关系图；
以上各图中：1、TSP切割器；2、滤水干燥器；3、采样器；4、盐酸溶液冲击瓶；5、氢氧化钠溶液冲击瓶；6、截留冲击瓶；7、高效过滤器；8、溶液中和瓶；9、PH电极；10、液位传感器；11、测定瓶；12、氟电极；13、平衡阀；14、隔膜泵；15、截止阀Ａ；16、截止阀B；17、盐酸液桶；18、氢氧化钠液桶；19、纯水桶；20、TISAB液桶；21、标准液桶；22、废液桶。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合附图和实施例做具体说明。
实施例一：如图1、图2所示，一种环境空气氟化物浓度连续在线监测设备，包括经管路依次连接的气体采样***、氟化物捕集***、溶液中和***、溶液测定***、溶液储存输送***，以及主控***，该设备将户外采样过程、实验室分析过程以及数据处理计算过程集成于一体，可自动、远程在线连续监测环境空气中氟化物的浓度。
所述气体采样***包括TSP切割器1、滤水干燥器2及采样器3，环境空气由TSP切割器1吸入采样管路，经过氟化物捕集***的各个冲击瓶，经滤水干燥器2干燥后由采样器3排出；
所述氟化物捕集***包括经气管依次串连的两个盐酸溶液冲击瓶4、两个氢氧化钠溶液冲击瓶5和截留冲击瓶6和多个平衡阀13。盐酸溶液冲击瓶4内容纳有盐酸溶液，其进气管***盐酸溶液内，其出气管位于盐酸溶液冲击瓶4上端。氢氧化钠溶液冲击瓶5内容纳有氢氧化钠溶液，其进气管一端经气管连接盐酸溶液冲击瓶4的出气管另一端***盐酸溶液内。氢氧化钠溶液冲击瓶5出气管位于氢氧化钠溶液冲击瓶5上端，该出气管经气管连接至截留冲击瓶6的进气管。气流携带的液滴在上升过程中落入截留冲击瓶6内，气体流经截留冲击瓶6后经出气管排出。上述各个冲击瓶之间均设有平衡阀13，用于平衡冲击瓶内气体压力。空气中的吸收尘氟与气氟经氟化物捕集***的盐酸溶液和氢氧化钠溶液吸收，各冲击瓶串联，可充分吸收氟化物，保障检测值的准确性。
所述盐酸溶液冲击瓶4、氢氧化钠溶液冲击瓶5和截留冲击瓶6底部均连接有高效过滤器7，高效过滤器7下端均由液管连接至溶液中和瓶8，采样结束后各个冲击瓶内的液体均通过泵输送至溶液中和***，高效过滤器7可阻断空气中的颗粒物进入溶液中和***，避免影响检测结果。
所述溶液中和***包括溶液中和瓶8、截止阀和带有高效过滤器7的隔膜泵14，溶液中和瓶8内安装有检测液体ＰＨ值的PH电极9和液位传感器10，PH电极9和液位传感器10的输出端均与控制器的输入端电连接；隔膜泵14进端连接高效过滤器7，其出端并联截止阀Ａ15和截止阀B16，截止阀Ａ15经管路连接至测定瓶11底部，截止阀B16经气管连接至溶液中和瓶8底部。PH电极9实时检测溶液中和瓶8内液体的ＰＨ值，并将检测值输送至控制器，控制器控制溶液储存输送***输送定量盐酸溶液和氢氧化钠溶液至溶液中和瓶8内，用于调节PH值。调节PH值时，截止阀Ａ15关闭，截止阀B16打开，隔膜泵14将过滤后的洁净气体输送至溶液中和瓶8，加快中和反应，直至PH值调节至5.5。液位传感器10实时检测溶液中和瓶内的液位高度，并将液位信息传输至控制器，PH调节结束后控制器控制注射泵从纯水桶内注入纯水，使液位达到设定值，完成定容。上述隔膜泵14采用武汉优立可DA50EEDC型，PH电极9采用杭州美控PH/ORP4.0型，均为市场购买。
所述溶液测定***包括测定瓶11和***测定瓶11内的氟电极12，测定瓶11与溶液中和瓶8通过液管及泵连接，溶液中和瓶8内液体PH调节及定容后，控制器控制泵将液体输送至溶液测定瓶11，氟电极12对液体进行氟离子浓度检测，并将测定结果输送至控制器。
所述溶液储存输送***包括盐酸液桶17、氢氧化钠液桶18、纯水桶19、TISAB液桶20、标准液桶21以及废液桶22，以及用于输送各桶内液体至溶液中和瓶8和测定瓶11内的注射泵和阀，各桶内装有相应的液体，通过泵和液管可输送至上述各个***。当一次采样及氟离子浓度检测结束后，测定后的废液输送至废液桶22存放，纯水输送至各个溶液***中进行清洗工作，为下次采样测定工作做准备。
上述***内的管路，包括气管和液管均采用耐酸碱管路，可采用PVC管或者内壁涂覆聚四氟乙烯的管路，使用寿命长。
所述主控***包括控制器、存储器及GPRS模块，控制器控制上述采样器3及所有阀和泵的运行，并接收PH电机和氟电极12的检测信号，控制器芯片型号为STM32 F407。控制器将氟电极12和采样信息存储至存储器内并通过GPRS模块无线传输至监测站。所述GPRS模块包括GPS定位模块，可对在线监测设备的采样位置进行定位。
由于监测地点和时间的不同，该连续在线监测设备可能在高温下使用，也可能在结冰情况下使用，为保障正常检测，该设备还设置有温控***。所述温控***包括容纳氟化物捕集***、溶液中和***、溶液测定***、溶液储存输送***的箱体，箱体内安装有由温度控制器控制运行的电热风、加热板及制冷装置，并由温度传感器检测温度。当温度传感器测定温度高于设定值Th时，制冷装置启动制冷，防止高温下液桶内液体大量蒸发。制冷装置采用现有空调或冰箱制冷技术即可，具体结构不再赘述，压缩机可采用深圳酷凌时Aspen-Q924微型直流变频压缩机、Aspen-1924微型直流变频压缩机或Coolingstyle-1924微型直流变频压缩机。当温度低于0度时，电热风和加热板启动，使箱体内温度达到设定值T0，防止液桶和各容器内结冰，影响正常检测。为便于观察设备内部情况，所述箱体为透明材质制成，可以选用塑料或钢化玻璃材质，本实施例采用PC制成。
为全面监控采样条件，该监测设备还包括风速风向传感器、大气压传感器及环境温湿度传感器，上述传感器均与控制器的输入端电连接，通过风速风向传感器可实时检测当地的风向和风速，大气压传感器及环境温湿度传感器分别检测采样地点的大气压和温度湿度。上述传感器均为市场购置，其结构和原理不在赘述。
在线监测设备采用电源插头与插座直接连接供电，同时设置有断电保护***。断电保护***包括安装在箱体内的锂电池，所述主控***包括断电检测电路，突然断电时由锂电池供电。一旦在采样过程中检测到发生断电的情况，切换到锂电池供电并排空各个***以及管路中的溶液，防止温度控制***断电后瓶体或管路中产生结冰现象，起保护作用。
为便于输入检测参数及显示检测结果，该在线监测设备还设置有与控制器电连接的触摸屏。
本实施例所述的环境空气氟化物浓度连续在线监测设备将户外采样设备、实验室分析设备以及数据处理计算过程集成于一体，可实现自动、远程在线连续监测。该设备自备液桶，现场检测时只需定期更换配液，无需人员值守，大大提高监测工作效率，节省人力物力，具有广泛的推广应用价值。配有温度控制***以及断电保护***，可模拟实验室恒温恒湿环境，克服户外极端环境影响。采用高精度氟电极12、PH电极9以及高精度液位传感器10，保证满足测试精度要求。
实施例二：一种基于实施例一的环境空气氟化物浓度连续在线监测方法，包括以下步骤：
（1）控制器控制采样器3启动，环境空气由TSP切割器1进入采样管路；
（2）经TSP切割器1去除颗粒物后的气体依次流经盐酸溶液、氢氧化钠溶液及节流冲击瓶，此后经滤水干燥器2过滤除去水分，经采样器3排出；
（3）步骤2中的盐酸溶液、氢氧化钠溶液及节流冲击瓶内液体均经过滤后用泵输送至溶液中和瓶8；
（4）PH电极9实时检测溶液中和瓶8内液体PH值并将检测值传输至控制器，溶液储存输送***中的注射泵根据ＰＨ值加入适量的盐酸溶液和氢氧化钠溶液调节液体PH值至５.５，定容。PH调节过程中采用隔膜泵14向溶液中和瓶8内输送洁净气体，以加快溶液混合速度。
（5）溶液中和瓶8内液体输送至测定瓶11，采用氟电极12检测溶液内氟离子浓度。
（6）控制器根据采样器3采样气体体积及氟离子浓度计算得出环境空气氟化物浓度。
（7）环境空气氟化物浓度及其他检测数据经GPRS无线传输模块输送至监测站。
采用该环境空气氟化物浓度连续在线监测方法实现了户外采样过程、实验室分析过程以及数据处理计算过程一体化、自动化以及智能化，数据可自动上传综合数据至监测数据平台，是一种连续在线监测方法，有效减少了氟化物浓度监测工作的复杂性。使用该方法可实现各个监测点网络化布局，可进行多监测点同时采样，整体分析变化趋势。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (8)
1.一种环境空气氟化物浓度连续在线监测设备，其特征在于：包括经管路依次连接的气体采样***、氟化物捕集***、溶液中和***、溶液测定***、溶液储存输送***，以及主控***；
所述氟化物捕集***包括多个平衡阀及经气管依次串连的盐酸溶液冲击瓶、氢氧化钠溶液冲击瓶和截留冲击瓶；
所述气体采样***包括TSP切割器、滤水干燥器及采样器，环境空气由TSP切割器吸入采样管路，流经氟化物捕集***的各个冲击瓶，经滤水干燥器干燥后由采样器排出；
所述溶液中和***包括溶液中和瓶、截止阀和带有高效过滤器的隔膜泵，溶液中和瓶内安装有PH电极和液位传感器，盐酸溶液冲击瓶、氢氧化钠溶液冲击瓶和截留冲击瓶下端均由液管连接至溶液中和瓶；截止阀和隔膜泵将洁净气体输送至溶液中和瓶；
所述溶液测定***包括测定瓶和氟电极，溶液中和瓶与测定瓶通过液管连接；
所述溶液储存输送***包括盐酸液桶、氢氧化钠液桶、纯水桶、TISAB液桶、标准液桶以及废液桶，及用于输送各桶内液体的泵和阀；
所述主控***包括控制器、存储器及GPRS模块，控制器控制上述采样器及所有阀和泵的运行；
还包括温控***，所述温控***包括容纳氟化物捕集***、溶液中和***、溶液测定***、溶液储存输送***的箱体，箱体内安装有由温度控制器控制运行的电热风、加热板及制冷装置，并由温度传感器检测温度。
2.根据权利要求1所述的环境空气氟化物浓度连续在线监测设备，其特征在于：所述盐酸溶液冲击瓶、氢氧化钠溶液冲击瓶和截留冲击瓶底部均连接有过滤器。
3.根据权利要求1所述的环境空气氟化物浓度连续在线监测设备，其特征在于：所述GPRS模块包括GPS定位模块。
4.根据权利要求3所述的环境空气氟化物浓度连续在线监测设备，其特征在于：上述管路均为耐酸碱管路。
5.根据权利要求1所述的环境空气氟化物浓度连续在线监测设备，其特征在于：还包括风速风向传感器、大气压传感器及环境温湿度传感器。
6.根据权利要求1所述的环境空气氟化物浓度连续在线监测设备，其特征在于：所述箱体内安装有锂电池，所述主控***包括断电检测电路，突然断电时由锂电池供电。
7.根据权利要求1所述的环境空气氟化物浓度连续在线监测设备，其特征在于：所述箱体为透明材质制成。
8.根据权利要求1所述的环境空气氟化物浓度连续在线监测设备，其特征在于：还包括与控制器电连接的触摸屏，用于输入检测参数及显示检测结果。
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