CN1632570A

CN1632570A - 大气挥发性有机物在线分析仪

Info

Publication number: CN1632570A
Application number: CN 200510002895
Authority: CN
Inventors: 曾立民; 李虹杰; 邵敏
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2005-01-28
Filing date: 2005-01-28
Publication date: 2005-06-29
Anticipated expiration: 2025-01-28
Also published as: CN100353164C

Abstract

本发明涉及一种大气挥发性有机物在线分析仪，其特征在于它包括：一操作台；一具有两侧壁和一翻盖的支撑座，两侧壁上设置有采样进、出口和载气进、出口；一电加热器设置在翻盖上；一采样泵连接采样出口，采样进口连接一进气管；一高纯氢气发生器通过一换向阀连接两载气进口；一电机通过传动装置带动一转动毂，至少两根吸附管，其分别连接在转动毂上设置的固定座上；一支架，一加热器，其设置在支架上；一富集管，其穿设在加热器内；一气相色谱柱，其一端与富集管连接，另一端盘绕固定在一保温柱箱内；一FID检测器，其输入端连接气相色谱柱设置在操作台上。本发明可对大气挥发性有机物中C₄－C₁₂非甲烷碳氢等化合物进行在线自动连续监测，很适合需要大量外场采样的城市和郊区大气监测。

Description

大气挥发性有机物在线分析仪

技术领域

本发明涉及一种环境保护监测仪器，特别是关于一种大气挥发性有机物在线分析仪。

背景技术

挥发性有机化合物(Volatile Organic Compounds，简称VOCs)是指沸点范围在50～260℃、室温下饱和蒸汽压超过133.322Pa的化合物。这类化合物普遍存在于室内外空气中，在对流层臭氧增加和其他氧化剂的生成中扮演着重要的角色，它还可以直接产生有机气溶胶等二次污染物。更重要的是VOCs成分中的一些化合物如苯、1，3-丁二烯具有潜在的致癌作用，因此研究环境中VOCs的存在、来源、分布规律、迁移转化及其对人体健康的影响一直受到人们的重视，并成为国内外研究的重点。VOCs成分复杂，含量极微，建立简单与可靠的VOCs采样及测定方法是实现这一研究的必要手段。

目前应用最广的VOCs采样方法是气袋采样、不锈钢罐采样、吸附剂采样和低温采样。样品预处理方法有溶剂解析法、固相微萃取法、低温预浓缩-热解析法等。样品分析方法有：气相色谱法、高效液相色谱法、气相色谱-质谱法、荧光分光光度法、膜导入质谱法等。在现有技术中，对大气VOCs监测的技术存在以下问题：

1、样品采集：目前的各种采样方法在采样的过程中均存在一定的缺陷，例如：气袋采样由于内壁存在吸附和解吸效应，现在已不多用；不锈钢罐采样需要送回实验室后进行吸附剂浓缩或低温预浓缩处理，虽然可以避免吸附剂采样时的穿透和人为污染，进行多次分析，但是费用高，需要复杂的清洗设备。吸附剂采样和低温采样虽然在采样的同时，可以完成对样品的预浓缩，但是需要低温运输、存放，这种较高的后勤需求在外场的连续自动监测中却是难以做到的。

2、样品预处理：对于吸附-解吸法，无论是溶剂解析还是热解析，对于如何提高样品的解析效率和回收率、减少解析过程中VOCs的挥发仍是亟待解决的问题；低温采样虽然可以防止吸附剂带来的人为污染，但无法避免采样时化合物与臭氧反应带来的误差，同时还会产生水份干扰、操作复杂等问题。

3、样品分析：VOCs的连续自动分析是一项比较难以实施的技术，这是因为：VOCs在大气环境中组分复杂，其中的数百个物质种类，其混合比从小于10pptv到几十ppbv，因此实现样品分离和辨别所需的分析时间长，要求仪器的线性范围宽。目前最常用的分析方法是气相色谱法和气相色谱-质谱法，但大多采用离线分析技术，时间分辨率低，无法反映VOCs中各种物质成分的浓度随时间的精细变化，同时采样分析过程对操作人员的技术要求较高。

在检测方面，气相色谱***可与火焰离子化检测器(FID检测器)、电子捕获检测器(ECD检测器)、光电离检测器(PID检测器)等非特种检测器结合，也可与特种的质谱检测器(MSD检测器)结合，实现对VOCs的定性和定量。

在我国，对环境大气挥发性有机物的研究起步较晚，对大气挥发性有机物的采集分析主要是依靠国外的大型分析设备与仪器，不但价格昂贵，而且分析过程繁杂，采样和分析的时间分辨率很差，尚未实现实时的分析，与大气污染研究的实际需要尚有较大的差距。因此，研究更新VOCs的采样方法和分析技术，发展高灵敏度、操作简便、经济实用且易维护的VOCs分析仪器，发展VOCs在线连续自动监测技术，在大气环境监测研究领域具有重要的意义。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种灵敏度高，操作方便，经济实用，并可以进行自动连续监测的大气挥发性有机物在线分析仪。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种大气挥发性有机物在线分析仪，其特征在于它包括：一操作台；一具有两侧壁和一翻盖的支撑座，其设置在所述操作台上，所述两侧壁上至少设置有采样进、出口和载气进、出口；一电加热器，其设置在所述翻盖上；一采样泵，其通过管路连接所述采样出口，所述采样进口连接一进气管；一高纯氢气发生器，其通过一换向阀分别连接两所述载气进口；一电机带动的传动装置，其设置在所述支撑座的一端；一转动毂，其与所述传动装置的输出端连接，可转动地设置在所述两侧壁之间；至少两根吸附管，其分别连接在所述转动毂上设置的固定座上，所述吸附管内设置有两段吸附剂；一支架，其与所述电机带动的传到装置相对，设置在所述支撑座一端的所述操作台上；一加热器，其设置在所述支架上；一富集管，其与连接所述载气出口连接，且穿设在所述加热器内，所述富集管内设置有吸附剂；一气相色谱柱，其一端与所述富集管连接，另一端盘绕固定在一保温柱箱内；一FID检测器，其输入端连接所述气相色谱柱设置在所述操作台上。

在靠近所述富集管一侧的所述载气进口内设置有一直通的所述换向堵头，所述直通换向堵头轴向设置有一贯通的中心孔，且在所述换向堵头一端轴向设置一螺孔，在所述螺孔内连接一出口管，所述富集管插设在所述出口管内，所述换向堵头的中部设置一连通所述中心孔的径向孔，所述径向孔的两侧轴向分别设置有一密封圈。

除靠近所述富集管一侧的所述载气进口以外，设置在所述支撑座上的各进、出口内的换向堵头均为一端呈半封闭状，另一端设置一中心孔，在所述换向堵头的中部设置有一连通所述中心孔末端的径向孔，所述径向孔的两侧轴向分别设置有一密封圈。

在所述支撑座上的传动装置的输出轴外端连接一透光定位盘，与其对应在所述支撑座上还设置有一光电耦合器。

所述保温柱箱内设置有一盘线板，所述气相色谱柱盘设固定在所述盘线板上，所述盘线板的下面设置有一散热风扇。

所述富集管为毛细石英管。

所述色谱柱长25～35米。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明通过设置在转动毂上的吸附管对大气挥发性有机物在线进行吸附，又通过一次热解吸后，将其送入富集管中进行二次吸附和热解吸，进而实现了在常温条件下对大气挥发性有机物，特别是对大气中C₄-C₁₂痕迹量有机物的采样和浓缩。2、本发明通过将富集管中浓缩的有机物在瞬间加热解吸，送入30米左右的气相色谱柱中，通过色谱柱中的固定相进行分离，并通过FID检测器能够实现对大气挥发性有机物中C₄-C₁₂非甲烷碳氢化合物的连续自动监测。3、本发明体积小巧，所用气体种类少，不需要液氮等低温条件，具有较高的时间分辨率，灵敏度可以达到0.01ppbC，而且后勤需求低，运行成本低，操作方便，很适合需要大量外场采样的城市和郊区大气监测。

附图说明

图1是本发明结构示意图

图2是图1的俯视示意图

图3是本发明推杆定位盘结构示意图

图4是本发明转动毂结构示意图

图5是图4的剖视侧视图

图6是本发明吸附管结构示意图

图7的图6的侧视示意图

图8是本发明支撑座结构示意图

图9是图8的侧视示意图

图10是本发明换向堵头结构示意图

图11是本发明另一种换向堵头结构示意图

具体实施方式

如图1、图2所示，本发明包括一操作台1，在操作台1上设置一支撑座2，支撑座2包括两侧壁3和一翻盖4，在翻盖4上设置一电加热器5，在两侧壁3的一端设置一由电机6带动的蜗轮蜗杆传动装置7，在传动装置7的输出轴8一端连接一转动毂9，另一端连接一透光定位盘10(如图3所示)，透光定位盘10上设置有透光槽48，与透光定位盘10对应，在支撑座2上设置有一光电耦合器(图中未示出)，以准确定位转动毂9的转动角度。

如图4、图5所示，转动毂9由一圆柱11和设置在圆柱11两端的圆盘12组成，圆柱11固定在传动装置7的输出轴8上。两圆盘12上对应设置有多个吸附管固定座13，每两个对应的固定座13上插设一根吸附管14(如图6、图7所示)，每根吸附管14内设置有两段吸附不同粒径物质的碳分子筛作为吸附剂。吸附管14的轴向设置有进、出气孔15，与其对应，两圆盘12的固定座13也在轴向设置有通透的进、出气孔16。转动毂9上设置的固定座13数量可以根据需要设置成两个、三个、四个或六个，进而形成两个或三个工作位，四个或六个中的一半为候补工作位。

如图8、图9所示，支撑座2的两侧壁3上分别设置有采样进口17和采样出口18，采样进、出口17、18的开口形式是在两侧壁3上对应开一轴向孔，再在两侧壁3的径向开一连通轴向孔的径向孔。在两侧壁3的轴向孔内分别设置一换向堵头19(如图10所示)，换向堵头19的一端封闭另一端设置一中心孔20，在换向堵头19的中部设置一连通中心孔20末端的径向孔21，在径向孔21两侧的台阶轴22处分别设置一橡胶密封圈23，在换向堵头19具有中心孔20的一端内设置有耐磨且具有弹性的聚四氟材料24。安装时，将换向堵头19的封闭端向外，从两侧壁3的轴向孔***，并通过螺钉25(如图1所示)将换向堵头19顶入，换向堵头19具有聚四氟材料24的一端以紧贴转动毂9但不影响其转动为宜，同时要配合透光定位盘10，使转动毂9每转动一次，换向堵头19上的中心孔21都能对准转动毂9上的进、出孔16。在采样进口17连接一进气管27，在采样出口18连接一抽气泵26。

如图8所示，支撑座2的两侧壁3上还设置有两载气进口28、29，两载气进口28、29的开口形式与采样进、出口17、18的开口形式相同，且在载气进口28内也设置了一个换向堵头，不同的是，在载气进口29内设置的是一直通的换向堵头30(如图11所示)。换向堵头30的中心孔31是贯通孔，径向孔32和两橡胶密封圈33的设置与半封闭的换向堵头19相同。载气进口29内的换向堵头30在径向和靠近转动毂9的一端进气，而远离转动毂9的一端形成一载气出口34。在载气出口34的一端还设置有一螺孔，在螺孔中旋入一出口管35，在出口管35中***一个毛细石英管制成的富集管36。如图8、图9所示，在两载气进口28、29上通过一换向阀37连接一高纯氢气发生器38，以在两载气进口28、29中择一地通入氢气。在支撑座2上还可以设置其它工作位，比如设置吹扫进、出口39(如图9所示)，并连接高压空气，对解吸完成的吸附管14进行吹扫清理。

如图1、图2所示，在操作台1上靠近载气出口34一侧设置有一支架40，在支架40上设置一加热器41，加热器41可以是一与变压器连接的感应线圈，也可以是其它加热结构。富集管36从加热器41中间穿过，且在加热器41内的富集管36中设置有石墨化碳黑等作为吸附剂，一旦作为加热器41的变压器启动，感应线圈会瞬间加热至所需高温使富集管36内的物质迅速解吸。富集管36的另一端通过一接头42连接一毛细管气相色谱柱43，气相色谱柱43长30米左右，其盘绕固定在一具有盘线板44的保温柱箱45内，在盘线板44下面设置有散热风扇46，以根据需要保温和散热。气相色谱柱43的引出端接入设置在操作台1上的FID检测器47，FID检测器47分析***的控制和数据的获得由内置的计算机来完成，重要的GC参数，如色谱柱温度，采样开始和结束的时间，吸附管的循环周期，解吸开始和结束的时间以及数据获得都可以通过计算机单独设置。计算机软件还可根据选择的积分参数提供峰面积的自动积分结果，样品色谱峰的定性辨别通过与标准气体混合物的保留时间对照得到，利用仪器多点校准曲线的平均碳数响应因子进行物种浓度的定量计算。由于FID检测器47的设置和工作原理都是已有技术，就不再赘述。

上述实施例中，可以在操作台和各装置的外面罩设一外箱体(图中未示出)，将各需要操作和观察的仪表、按钮等设置在外箱体表面。

本发明使用时，转动毂9在电机6和传动装置7的带动下，在光电耦合器和透光定位盘10的作用下，每一次转动都可以使其上的三根吸附管14(以具有三个工作位为例)同时被转动到采样、热解吸和吹扫三个工作位上。吸附管14在采样工作位时，采样泵26启动，大气从进气管27进入采样进口17，通过换向堵头19进入吸附管14，气体中的挥发性有机物质在环境温度下被吸附管14中的两段吸附剂吸附，其余物质随气体在采样泵20的作用下，经换向堵头19、采样出口18，从采样泵26排出，这一吸附过程一般要进行30分钟左右。与此同时，位于翻盖4上加热器5下方的吸附管14处于热解吸工作位，350℃左右的高温可以使吸附管14吸附的大气样品热解吸，此时通过一换向阀37将高纯氢气发生器38产生的载气(高纯氢气)通过载气进口28反吹(载气流动方向与采样时的流动方向相反)，使大气样品被吹扫进填充有石墨化碳黑的富集管36中进一步吸附浓缩，此载气输送过程也需要30分钟左右。当向富集管36载气输送过程基本完成时，设置在其周围的加热器41迅速升温至350℃，富集管36内的大气样品被迅速热解吸，同时通过换向阀37换向，使载气从载气进口29进入，瞬间将富集管36中的样品一下子吹入毛细管色谱柱43。由于毛细管色谱柱43中固定相填料对样品中各种化学成分的作用力强弱不同，因此各种化学成分从毛细管色谱柱43通过并进入FID检测器47的时间先后不同，从而可以实现物质的有效分离。大气样品中的各种化学成分进入FID检测器47后，根据不同化学成分的波峰状态变化及其峰面积，可在不同瞬时检测出不同化学成分的种类和含量。

上述采样和热解吸过程进行的同时，处于吹扫工作位的吸附管14被通入吹扫进、出口39的高压空气进行吹扫清洗。

本发明的吸附管14可起到对大气样品的浓缩作用，富集管36起到对浓缩大气样品的优化进样及改善色谱分离效果的作用。采用本发明的大气挥发性有机物在线分析仪，在城市中心区室外环境下，采集大气样品进行在线实际检测，经过30分钟后，从放大的谱图至少可以分辨出35种以上的不同挥发性有机物，分析结果可以通过标准样品确定挥发性有机物的类别以及在大气中的浓度。

采用本发明大气挥发性有机物在线分析仪，能够实现对大气中C₄-C₁₂痕迹量挥发性有机物的连续在线采集分析，分析结果稳定可靠，可常年连续运行，获取污染物的变化规律，运行成本低，操作方便，具有良好的用户界面。本发明既可用于实验室的研究，又可在外场采样实施现场连续在线采集分析，还适于全国各地的自动监测站使用，从而获得大气中痕迹量挥发性有机物含量数据及大气质量变化的规律，为环境政策的制定提供可靠的数据保证。

Claims

1、一种大气挥发性有机物在线分析仪，其特征在于它包括：

一操作台；

一具有两侧壁和一翻盖的支撑座，其设置在所述操作台上，所述两侧壁上至少设置有采样进、出口和载气进、出口；

一电加热器，其设置在所述翻盖上；

一采样泵，其通过管路连接所述采样出口，所述采样进口连接一进气管；

一高纯氢气发生器，其通过一换向阀分别连接两所述载气进口；

一电机带动的传动装置，其设置在所述支撑座的一端；

一转动毂，其与所述传动装置的输出端连接，可转动地设置在所述两侧壁之间；

至少两根吸附管，其分别连接在所述转动毂上设置的固定座上，所述吸附管内设置有两段吸附剂；

一支架，其与所述电机带动的传到装置相对，设置在所述支撑座一端的所述操作台上；

一加热器，其设置在所述支架上；

一富集管，其与连接所述载气出口连接，且穿设在所述加热器内，所述富集管内设置有吸附剂；

一气相色谱柱，其一端与所述富集管连接，另一端盘绕固定在一保温柱箱内；

一FID检测器，其输入端连接所述气相色谱柱设置在所述操作台上。

2、如权利要求1所述的一种大气挥发性有机物在线分析仪，其特征在于：在靠近所述富集管一侧的所述载气进口内设置有一直通的所述换向堵头，所述直通换向堵头轴向设置有一贯通的中心孔，且在所述换向堵头一端轴向设置一螺孔，在所述螺孔内连接一出口管，所述富集管插设在所述出口管内，所述换向堵头的中部设置一连通所述中心孔的径向孔，所述径向孔的两侧轴向分别设置有一密封圈。

3、如权利要求1所述的一种大气挥发性有机物在线分析仪，其特征在于：除靠近所述富集管一侧的所述载气进口以外，设置在所述支撑座上的各进、出口内的换向堵头均为一端呈半封闭状，另一端设置一中心孔，在所述换向堵头的中部设置有一连通所述中心孔末端的径向孔，所述径向孔的两侧轴向分别设置有一密封圈。

4、如权利要求2所述的一种大气挥发性有机物在线分析仪，其特征在于：除靠近所述富集管一侧的所述载气进口以外，设置在所述支撑座上的各进、出口内的换向堵头均为一端呈半封闭状，另一端设置一中心孔，在所述换向堵头的中部设置有一连通所述中心孔末端的径向孔，所述径向孔的两侧轴向分别设置有一密封圈。

5、如权利要求1或2或3或4所述的一种大气挥发性有机物在线分析仪，其特征在于：在所述支撑座上的传动装置的输出轴外端连接一透光定位盘，与其对应在所述支撑座上还设置有一光电耦合器。

6、如权利要求1或2或3或4所述的一种大气挥发性有机物在线分析仪，其特征在于：所述保温柱箱内设置有一盘线板，所述气相色谱柱盘设固定在所述盘线板上，所述盘线板的下面设置有一散热风扇。

7、如权利要求5所述的一种大气挥发性有机物在线分析仪，其特征在于：所述保温柱箱内设置有一盘线板，所述气相色谱柱盘设固定在所述盘线板上，所述盘线板的下面设置有一散热风扇。

8、如权利要求1或2或3或4或7所述的一种大气挥发性有机物在线分析仪，其特征在于：所述富集管为毛细石英管。

9、如权利要求1或2或3或4或7所述的一种大气挥发性有机物在线分析仪，其特征在于：所述色谱柱长25～35米。

10、如权利要求9所述的一种大气挥发性有机物在线分析仪，其特征在于：所述色谱柱长25～35米。