一種過氧醯基硝酸脂類物質進樣系統及檢測方法
2023-10-29 03:55:47
專利名稱：一種過氧醯基硝酸脂類物質進樣系統及檢測方法
技術領域：
本發明涉及環境質量監測領域，具體涉及一種過氧醯基硝酸酯類 物質進樣系統及檢測方法。
背景技術：
過氧醯基硝酸酯類物質(RC(0)OON02， PANs)(包括過氧乙 醯硝酸酯(peroxyacetyl nitrate, PAN))是大氣光化學汙染的重要產 物，但目前，我國對過氧醯基硝酸酯類物質PANs的監測研究屈指可 數，原因在於其監測技術上存在困難大氣中的PANs物質濃度較低， 從最低幾個ppt到最高几十ppb;而且其受熱容易分解，室溫下不能 長時間貯存，這些都給檢測帶來了困難。雖然可以通過液氮冷凝富集 後進樣，但操作複雜，無法連續監測，特別是在線監測儀器的研究和 開發處於空白狀態。隨著我國城巿機動車數量日趨增大，光化學煙霧 汙染日益嚴重，作為大氣氧化劑重要指標的PANs的監測非常重要。 因此，迫切需要 一種能夠在線檢測PANs含量的進樣系統和檢測方法。發明內容本發明的目的是提供 一種過氧醯基硝酸酯類物質進樣系統及檢 測方法，在不需引入零空氣(即不含PANs氣體的空氣)的情況下， 能根據進入零空氣中PANs流量的大小，稀釋得到不同濃度的標氣， 從而完成在線標定過程，將釆集的空氣樣本與標定的結果自動檢測出 空氣樣本中過氧醯基硝酸酯類物質的含量。為實現上述目的，本發明採用如下技術方案提供一種過氧醯基硝酸酯類物質進樣系統，該系統包括進樣氣 路，用於輸送空氣樣本；降解迴路，用於熱解去除空氣樣本中的過氧 醯基硝酸酯類物質，降解後得到零空氣；標氣生成單元，用於將零空5氣與不同量的過氧醯基硝酸酯類物質混合，得到不同濃度的標氣；檢 測單元，用於釆集零空氣、標氣和空氣樣本的數據，得到空氣樣本中 過氧醯基硝酸酯類物質的濃度。其中，所述進樣氣路中連接有進樣閥與零氣閥，所述標氣生成單 元由過氧醯基硝酸酯類物質輸入單元和標定閥組成，所述進樣閥、零 氣閥和標定閥均為電磁三通閥，空氣樣本由進樣閥的公共端進入，所 述進樣閥的常閉端與降解迴路輸入端連接，所述進樣閥的常開端與零氣閥的常開端連接；所述零氣閥的常閉端與所述降解迴路的輸出端連 接，所述零氣閥的公共端與所述標定閥的常閉端連接；所述標定閥的 公共端與過氧醯基硝酸酯類物質輸入單元連接；所述零氣閥的公共端 與所述標定閩的常閉端同時與所述檢測單元連接。其中，所述檢測單元包括色譜柱和電子捕獲檢測器，所述零氣閥 的公共端與所述標定閥的常閉端同時接入六通進樣閥的其中一個端 口，所述六通進樣閥的其中一個埠連接氦氣管，其中一個埠接真 空泵，其中一個埠連接色譜柱，所述六通進樣閩連接所述控制單元， 通過改變六通埠的內部連接實現氣體裝載和氣體注入所述色譜柱 的切換。其中，在所述六通進樣閥的一個埠在接入所述色譜柱之前，還 連接有質量流量控制器，用於控制進入色譜柱的氣體流速。其中，過氧醯基硝酸酯類物質輸入單元為過氧醯基硝酸酯類物質 光源，所述過氧醯基硝酸酯類物質光源連接有檢測裝置，用於檢測產 生的過氧醯基硝酸酯類物質流量。其中，所述零氣閥的公共端在與標定閥的常閉端連接有檢測裝 置，用於檢測從零氣閥常閉端流出氣體的流量。其中，所述降解迴路包括管路，與進樣的常閉端連接，用於接 收空氣樣本並向外輸送；加熱帶，纏繞在所述管路上，用於將所述管 路加熱；溫度傳感器，用於測量所述管路內溫度；溫度控制器，與溫度傳感器、加熱帶連接，用於根據測量的管路內溫度控制所述加熱帶 的溫度。其中，所述溫度控制器控制所述加熱帶的溫度，使所述管路內溫度達到125°C。本發明還提供了 一種上述進樣系統的過氧醯基硝酸酯類物質檢 測方法，該方法包括步驟在進樣氣路中輸入空氣樣本；利用降解回 路熱解去除空氣樣本中的過氧醯基硝酸酯類物質，將降解後得到的零空氣輸入到所述檢測單元進行數據釆集；利用標氣生成單元將零空氣與不同量的過氧醯基硝酸酯類物質混合，得到不同濃度的標氣並輸出到檢測單元進行數據釆集；將待測的空氣樣本輸入到所述檢測單元進 行數據採集，所述檢測單元根據釆集的零空氣、標氣和空氣樣本的數 據，得到空氣樣本中過氧醯基硝酸酯類物質的濃度。本發明還提供了另一種使用上述進樣系統的過氧醯基硝酸酯類物質檢測方法，該方法包括步驟將所述進樣閥的常開端、所述零氣閥的常開端、所述標定閥的常閉端關閉，將所述進樣閩的常閉端、所述零氣閥的常閉端、所述標定閥的常開端打開；持續設定第一時間， 所述檢測單元得到零空氣數據；將所述標定閥的常閉端打開，將所述 標定閥的常開端關閉；持續設定第二時間，所述檢測單元得到標氣數 據；將所述進樣閥的常開端、所述零氣閥的常開端和所述標定閥的常 開端打開，同時將所述進樣閩的常閉端、所述零氣閥的常閉端和標定 閥的常閉端關閉；持續設定第三時間，所述檢測單元得到空氣樣本數 據；根據得到的零空氣、標氣和空氣樣本的數據，得到空氣樣本中過 氧醯基硝酸酯類物質的濃度。利用本發明的技術方案，具有以下有益效果1) 利用現有電磁三通閥產品自主設計時間序列控制程序；2) 可以通過控制電磁三通閥，實現系統在"釆樣模式"、"零模式" 和"標定模式"間的切換，實現了系統進樣程序和標定程序的整合，操作方便；3) 進樣控制系統包括自主設計的降解迴路，可將空氣中的PANs 物質熱解，從而在不需引入零空氣(即不含PANs氣體的空氣)的情 況下利用空氣樣本和PAN標氣生成系統完成在線標定；4) 實現計算機全程在線自動控制、調整釆樣時間。
圖i為本發明過氧醯基硝酸酯類物質進樣系統組成框圖；圖2為實施例中過氧醯基硝酸酯類物質進樣系統原理圖；圖3為實施例中的六通進樣閥的示意圖；圖4為實施例中六通進樣閩處於氣體裝載狀態時內部連接圖；圖5為實施例中六通進樣閥處於氣體注入狀態時內部連接圖；圖6為實施例中六通進樣閥的切換實現氣體釆樣的流程；圖7為實施例中熱解迴路電路示意圖。圖中1、不鏽鋼管路；2、加熱帶；3、溫度傳感器；4、真空泵； 5、載氣He; 6、色譜柱。
具體實施方式
本發明提出的過氧醯基硝酸酯類物質進樣系統及檢測方法，結合 附圖和實施例說明如下。 實施例如圖2所示的過氧醯基硝酸酯類物質進樣系統組成圖，本實施例 中用於輸送空氣樣本的進樣氣路中連接有進樣閥與零氣閩，標氣生成 單元由PANs輸入單元和標定閥組成，進樣閥、零氣閥和標定闊均為 電磁三通閥，空氣樣本由進樣閥的公共端COMi進入，進樣閥的常閉 端Nd與降解迴路輸入端連接，進樣閥的常開端NCh與零氣閥的常 開端N02連接；零氣閥的常閉端NC2與降解迴路的輸出端連接，零 氣閥的公共端COM2與標定閥的常閉端NC3連接；標定閥的公共端 COM3與PANs輸入單元連接；零氣閥的公共端COM2與標定閥的常閉端NC3同時與檢測單元連接。本實施例中PANs輸入單元為PANs光源，檢測單元包括相互連 接的色譜柱6和電子捕獲檢測器ECD,零氣閥的公共端COM2與標 定閥的常閉端NC3同時接入六通進樣閥的 一個埠 ，六通進樣閥的一 個埠連接氦氣管， 一個埠連接色譜柱6， 一個埠連接真空泵4， 六通進樣閥連接控制單元，通過改變六通埠的內部連接實現氣體裝 載和氣體注入所述色譜柱6的切換。如圖3所示為六通進樣閩的示意圖，六通進樣閥的功能是實現系 統的自動進樣，其自動切換進樣是由採樣程序控制實現的，圖中為巿 售六通進樣閥。六通進樣閥(簡稱六通閥)的六個接口在其內部是兩 兩相連的。本實施例中釆用了四個接口，連接零氣閥的公共端COM2 與標定閥的常閉端NC3的其中 一個接口實現釆樣氣體的進入，連接氦 氣管的接口、連接真空泵的接口為進樣提供動力，連接色譜柱6的端 口用於輸送釆樣氣體到色譜柱6進行色譜檢測，色譜檢測後然後送往 電子捕獲檢測器ECD進行檢測。六通進樣閥有兩種狀態， 一種為氣體裝載"LOAD"狀態， 一種 為氣體注入"INJECT"狀態，如圖4所示，六通進樣閥平時為"LOAD" 狀態，通過改變內部連接，使進入六通進樣閥的釆樣氣體在真空泵4 提供動力的作用下，在與COM2、 NC3連接的接口和與真空泵連接的 接口管路，本實施例中稱其為定量管，通過"LOAD"狀態，在定量 管內裝載好進樣氣體，需要採樣時，切換為如圖5所示的"INJECT" 狀態，切換過程為改變六通進樣閥內部連接，使上述定量管的一端連 接載氣He氣5，另一端接入色譜柱6，這樣載氣He氣5就把定量管 內的釆樣氣體吹入色譜柱6中；進樣結束後(IO秒之後)，六通進樣 閥再次回到"LOAD"狀態。在分析一個樣品的同時，其餘空氣不再流入色譜柱GC，而直接 流出系統。如圖2，從進樣閥、標定閥或零氣閥出來的管路在進入色譜柱之前分為兩路， 一路直接接入色譜柱，本實施例中稱其為來樣氣路，在釆樣時使用；另一路通過質量流量控制器MFC2、 MFC1後接 入色譜柱6，接MFC2的管路還接入真空泵然後連通外部，本實施例 稱其為主空氣氣路，在分析樣品時使用。本實施例中將進入色譜柱的 管路稱為釆樣氣路，將流出到外部的氣路稱為主空氣氣路。標氣釆樣 與空氣樣本採用使用不同的管路，空氣樣本釆用使用直接進入色譜柱 的採樣氣路，標氣釆樣所述使用的管路是MFC1先流過MFC2的管 路，然後再流過MFC1的管路。可以使用質量流量控制器控制標氣採 樣氣體的流速，以使零氣和PANs充分混合，另一個MFC2在系統分 析樣品時控制主空氣氣路的流速。圖6所示釆樣時六通進樣閥的控制過程，首先設定各個參數，如 質量流量控制器需控制的釆樣氣體的流速，以及進樣(INJECT)和 分析時間之後，點擊"開始"；通過改變六通進樣閥內部連接，使其 處於"LOAD"狀態，釆樣氣體進入定量管內(這裡的釆樣氣體可以 零空氣、標氣和空氣樣本)；進樣設定時間後，切換回來，本實施例 中設定時間為10s，切換回來使指通過改變六通進樣閥內部連接，使 其處於"INJECT"狀態；5min後，再次切換到"LOAD"狀態。以 上切換使其處於"INJECT"狀態，通過載氣He將氣體吹入色譜柱6， 觸發了色譜柱GC,進行數據採集和記錄，4.3min後，釆集完數據後 停止，處於"INJECT"狀態的時間為5min後；然後切換到"LOAD" 狀態，5min後，再次切換到"INJECT"狀態。因此，本實施例是在 5分鐘的整數倍時，六通進樣閥切換。如圖7所示為本實施例中的降解迴路電路圖，降解迴路處於進樣 閥和零氣閥之間，是將空氣轉化為零氣的管路。其原理是利用125°C 的高溫，將空氣中的PANs物質熱分解祛除。該降解迴路包括不鏽 鋼管路l，用於接收空氣樣本並向外輸送；加熱帶2，纏繞在管路1 上，用於將管路l加熱；ptl00溫度傳感器3，通過導熱矽膠粘在不繡鋼管上，用於測量所述管路內溫度；溫度控制器，與溫度傳感器、 加熱帶連接，用於根據測量的管路內溫度控制加熱帶的溫度。本實施例中所用的不鏽鋼管外徑6mm，長2m，盤成4圈裝在保溫盒內，使 得管內空氣達到125°C,在此溫度下99。/。以上的PANs物質都將發生熱解。本實施例中採樣程序由Visual Basic語言編寫，通過控制數據採 集卡(數據釆集卡通過A/D、 D/A轉化和I/0控制，控制質量流量計 的流速和三個電磁閥的切換)和觸發氣相色譜儀，實現系統的自動採 樣、自動標定以及數據記錄。數據釆集卡均為北京寶創源科技有限公司生產。其中，型號為 BC431的數據採集卡進行DA轉換，實現對質量流量計的流速控制； 型號為BC411L的數據釆集卡進行AD轉化，將質量流量計的流速反 饋回電腦，顯示在界面上，同時BC411L還能控制1/0轉化，實現六 通進樣閥和三個電磁閥的自動切換。採樣界面如圖所示(即整個控制 過程都可以通過該數據釆集卡實現)。本實施例中控制單元通過控制三個電磁閩，根據不同的信號輸入， 完成不同氣路的打開/關閉動作，實現儀器在"釆樣模式"、"零模 式"和"標定模式"間的切換，實現空氣樣本中PANs濃度檢測，具 體控制過程詳述如下。(1)釆樣模式進樣閥常開端NO,打開，常閉端Nd關閉；零氣閥常開端N02打開，常閉端NC2關閉；標定閥常開端N03打開，常閉端NC3關閉。空氣樣本進入系統後首先通過進入進樣閥的公共端COMp由進 樣閥的"常開端NCh進入零氣閥，通過零氣閥的公共端COM2進入 檢測單元，通過上述對六通進樣閥的切換進入色譜柱6進行數據採 集，色譜柱6是氣相色譜檢測器中的核心部件，其作用為將空氣不同的物質進行分離，方便進一步檢測，進行分離檢測。本實施例中氣相 色譜儀為島津公司生產的GC-2010氣相色譜儀。(2) 零模式進樣閥常開端NOi關閉，常閉端Nd打開；零氣閥常開端N02關閉，常閉端NC2打開；標定閥常開端N03打開，常閉端NC3關閉。空氣樣品進入系統後首先進入進樣閥的公共端COMt ，由進樣閥 的常閉端Nd進入降解迴路，空氣樣品中的PANs被熱解去除，然後 進入零氣閥的常閉端NC2,通過零氣閥的公共端COM2進入檢測單元， 通過上述對六通進樣閥的切換進入色譜柱6進行數據釆集。(3) 標定模式進樣閥常開端NO,關閉，常閉端Nd打開；零氣閥常開端N02關閉，常閉端NC2打開；標定閥常開端N03關閉，常閉端NQ打開。空氣樣品進入系統後首先進入進樣閥的公共端COMi,由進樣閥 的常閉端Nd進入降解迴路，空氣樣品中的PANs被熱解去除，然後 進入零氣閥的常閉端NC2，通過零氣閥的公共端COM2與標定閥的常 閉端NC3排出的PANs氣體混合，本實施例中PANs氣體是由PANs 光源產生，可以利用現有檢測器檢測產生PANs氣體的流量，同時通 過檢測器檢測從零氣閥流出的零空氣的流量，這樣可以獲得不同濃度 得PANs標準氣體(簡稱標氣)，PANs標準氣體中混合著空氣的成 分，如氧氣和氮氣，還混合著少量的丙酮氣和NO氣，PANs標準氣 體中PANs的濃度也是很低的，約為lppm,但該濃度可以通過上述 計算得到，標同進入檢測單元，通過上述對六通進樣閥的切換進入色 譜柱6進行數據釆集。上面的過程中通過"釆樣模式"、"零模式"和"標定模式"間 的切換，將待測空氣、零空氣和PAN標氣通入檢測單元色譜柱6，12然後進入電子捕獲檢測器(ECD)進行測定。如果已知零空氣的釆樣數據、標氣的釆樣數據及對應的PANs濃度，可以建立PANs濃度與 對應特徵的關係，然後將釆集的空氣樣本數據與上述關係作對比，可 以得到空氣樣本的PANs濃度檢測，得到零空氣、標氣和空氣樣本後 的檢測過程為現有技術，這裡不再詳述。本實施例中的降解迴路利用對空氣樣本中的PAN熱解，可認為進 樣的空氣樣本中不再含有PANs物質，得到零空氣。從而在不需額外 提供零空氣的情況下利用空氣樣本和PANs標氣完成對儀器的在線標 定。以上實施方式僅用於說明本發明，而並非對本發明的限制，有關 技術領域的普通技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍的情況下， 還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術方案也屬於本發明 的範疇，本發明的專利保護範圍應由權利要求限定。
權利要求
1、一種過氧醯基硝酸酯類物質進樣系統，其特徵在於，該系統包括進樣氣路，用於輸送空氣樣本；降解迴路，用於熱解去除空氣樣本中的過氧醯基硝酸酯類物質，降解後得到零空氣；標氣生成單元，用於將零空氣與不同量的過氧醯基硝酸酯類物質混合，得到不同濃度的標氣；檢測單元，用於採集零空氣、標氣和空氣樣本的數據，得到空氣樣本中過氧醯基硝酸酯類物質的濃度。
2、 如權利要求l所述的過氧醯基硝酸酯類物質進樣系統，其特 徵在於，所述進樣氣路中連接有進樣閥與零氣閥，所述標氣生成單元 由過氧醯基硝酸酯類物質輸入單元和標定閩組成，所述進樣閥、零氣閥和標定閥均為電磁三通閥，其中空氣樣本由進樣閥的公共端進入，所述進樣閥的常閉端與降解迴路輸入端連接，所述進樣閥的常開端與零氣閥的常開端連接；所述零氣閥的常閉端與所述降解迴路的輸出端連接，所述零氣閩的公共端與所述標定閥的常閉端連接；所述標定閥的公共端與過氧醯基硝酸酯類物質輸入單元連接；元連接。
3、 如權利要求2所述的過氧醯基硝酸酯類物質進樣系統，其特 徵在於，所述檢測單元包括色譜柱和電子捕獲檢測器，所述零氣閥的 公共端與所述標定閥的常閉端同時接入六通進樣閩的其中一個埠， 所述六通進樣閥的其中一個埠連接氦氣管，其中一個埠接真空 泵，其中一個埠連接色譜柱，所述六通進樣閥連接所述控制單元， 通過改變六通埠的內部連接實現氣體裝載和氣體注入所述色譜柱的切換。
4、 如權利要求2所述的過氧醯基硝酸酯類物質進樣系統，其特 徵在於，在所述六通進樣閥的一個埠在接入所述色譜柱之前，還連 接有質量流量控制器，用於控制進入色譜柱的氣體流速。
5、 如權利要求2所述的過氧醯基硝酸酯類物質進樣系統，其特徵在於，過氧醯基硝酸酯類物質輸入單元為過氧醯基硝酸酯類物質光 源，所述過氧醯基硝酸酯類物質光源連接有檢測裝置，用於檢測產生 的過氧醯基硝酸酯類物質流量。
6、 如權利要求2所述的過氧醯基硝酸酯類物質進樣系統，其特 徵在於，所述零氣閥的公共端在與標定閥的常閉端連接有檢測裝置， 用於檢測從零氣閥常閉端流出氣體的流量。
7、 如權利要求1 6任一項所述的過氧醯基硝酸酯類物質進樣系 統，其特徵在於，所述降解迴路包括管路，與進樣的常閉端連接，用於接收空氣樣本並向外輸送； 加熱帶，纏繞在所述管路上，用於將所述管路加熱；溫度傳感器，用於測量所述管路內溫度；溫度控制器，與溫度傳感器、加熱帶連接，用於根據測量的管路 內溫度控制所述加熱帶的溫度。
8、 如權利要求7所述的過氧醯基硝酸酯類物質進樣系統，其特 徵在於，所述溫度控制器控制所述加熱帶的溫度，使所述管路內溫度 達到125°C。
9、 一種如權利要求1所述進樣系統的過氧醯基硝酸酯類物質檢 測方法，其特徵在於，該方法包括步驟在進樣氣路中輸入空氣樣本；利用降解迴路熱解去除空氣樣本中的過氧醯基硝酸酯類物質，將降解後得到的零空氣輸入到所述檢測單元進行數據釆集；利用標氣生成單元將零空氣與不同量的過氧醯基硝酸酯類物質混合，得到不同濃度的標氣並輸出到檢測單元進行數據釆集；將待測的空氣樣本輸入到所述檢測單元進行數據釆集，所述檢測單元根據釆集的零空氣、標氣和空氣樣本的數據，得到空氣樣本中過氧醯基硝酸酯類物質的濃度。
10、 一種如權利要求2所述進樣系統的過氧醯基硝酸酯類物質檢測方法，其特徵在於，該方法包括步驟將所述進樣閥的常開端、所述零氣閥的常開端、所述標定閥的常 閉端關閉，將所述進樣閥的常閉端、所述零氣閥的常閉端、所述標定閥的常開端打開；持續設定第一時間，所述檢測單元得到零空氣數據； 將所述標定閥的常閉端打開，將所述標定閥的常開端關閉； 持續設定第二時間，所述檢測單元得到標氣數據； 將所述進樣閥的常開端、所述零氣閥的常開端和所述標定閥的常開端打開，同時將所述進樣閥的常閉端、所述零氣閥的常閉端和標定閥的常閉端關閉；持續設定第三時間，所述檢測單元得到空氣樣本數據； 根據得到的零空氣、標氣和空氣樣本的數據，得到空氣樣本中過氧醯基硝酸酯類物質的濃度。
全文摘要
本發明涉及一種過氧醯基硝酸酯類物質進樣系統及檢測方法，包括進樣氣路，用於輸送空氣樣本；降解迴路，用於熱解去除空氣樣本中的過氧醯基硝酸酯類物質，降解後得到零空氣；標氣生成單元，用於將零空氣與不同量的過氧醯基硝酸酯類物質混合，得到不同濃度的標氣；檢測單元，用於採集零空氣、標氣和空氣樣本的數據，得到空氣樣本中過氧醯基硝酸酯類物質的濃度，該檢測方法通過時序控制，在同一個系統中在不使用零空氣的情況下利用空氣樣本進行在線標定，根據標定的數據自動實現空氣樣本檢測。本發明實現了系統進樣程序和標定程序的整合，操作方便。
文檔編號G01N1/28GK101329228SQ20081011733
公開日2008年12月24日 申請日期2008年7月29日 優先權日2008年7月29日
發明者於雪娜, 張劍波, 曾立民, 光 楊, 斌 王 申請人:北京大學