適用於氧化亞氮的製冷式吹掃捕集儀的製作方法
2023-07-03 17:38:06 1
專利名稱：適用於氧化亞氮的製冷式吹掃捕集儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及富集水中溶存氣體的吹掃捕集裝置，特別是涉及適用於 氧化亞氮等水中溶存的低濃度氣體的吹掃捕集裝置。
背景技術：
氧化亞氮(N20)是一種氮氧化合物，在全球氮循環中起著重要作用。 氧化亞氮(N20)也是主要的溫室氣體之一，是已知溫室效應氣體中在大 氣中持留期最長的(可達150年)。特別是，氧化亞氮(N20)對輻射的 吸收波長(7.78 jam)正處於大氣熱傳導的主要譜線區(7 14pm)範圍 內，因而具有顯著的增溫效應。
海洋是重要的N20源，分析研究海洋中N20的時空分布，有利於揭示 N20在海洋中的產生機制及控制因素。檢測海洋水體中溶存的N20，可為 計算海洋與大氣之間N20通量提供基礎數據，對於研究區域性乃至全球 尺度氮元素地球化學過程十分重要。
目前，檢測水中溶存N20的方法有靜態頂空法和吹掃捕集法。
靜態頂空法，將檢測水樣在密閉容器中震蕩，使N20從水體裡釋放 出來，然後吸取水樣上層的空氣進樣檢測。由於海水中溶存N20的量很 少，因此，直接檢測海水水樣上層空氣中溶存的N20，而沒有通過相應的 富集過程，這種方法對N20的測量靈敏度不高。
吹掃捕集法是現有技術中檢測水中揮發性溶存物樣品的前處理富集 方法。其原理是讓惰性氣體作為載氣連續吹掃通過樣品，萃取其中的揮 發組分，再由捕集管中的填料吸附，或利用冷阱以液氮凝結捕集，再加 熱揮發，然後進行分析測定。吹掃捕集法是一種非平衡態連續萃取方法， 可以定量地將水中的氣體被測物萃取出來，取樣量少，萃取效率較高， 受基體幹擾小。現有的吹掃捕集方法或者採用捕集管的室溫下吹掃捕集 方式，或者採用冷阱的低溫吹掃捕集方式。
圖1為現有技術的室溫捕集的吹掃捕集裝置結構示意圖。如圖1所 示，室溫捕集的吹掃捕集裝置包括吹掃瓶l、吸附管2、捕集管3及其連 通的管路。捕集管3裡面填有吸附填料，外側套有加熱裝置。所述的室 溫捕集的吹掃捕集裝置工作時，惰性氣體的吹掃氣從吹掃瓶1的底部進 入並連續吹掃瓶內的水樣，吹掃氣攜帶萃取水樣中的N20進入吸附管2，水分及雜質被吸附管中的吸附劑吸附，然後再進入捕集管3中。待測氣
體被捕集管3中的填料吸附，再經加熱裝置的加熱捕集管3後脫附待測 氣體，脫附的待測氣體隨載氣進入氣相色譜儀4進行檢測。
圖2為冷阱捕集的吹掃捕集裝置結構示意圖。如圖2所示，冷阱捕 集的吹掃捕集裝置包括氣提室7、水冷凝器室5、熱解吸管6、冷阱8及 其連通的管路。所述冷阱捕集的吹掃捕集裝置工作時，惰性氣體的吹掃 氣從氣提室7底部連續吹掃室內的水樣，吹掃氣攜帶萃取水樣中揮發組 分的N20經水冷凝器室5進入熱解吸管6，在熱解吸管6中吹出待測氣體， 再經採用液氮的冷阱8捕集待測氣體。然後，將捕集待測氣體的冷阱8 升溫，待測氣體隨惰性氣體進入氣相色譜儀4進行檢測。
圖1和圖2所顯示的現有技術的吹掃捕集裝置的富集效率均可滿足 針對V0Cs等濃度較高氣體的一般檢測要求，可以達到提高檢測靈敏度的 目的。但是，對於像水中溶存的N20這一類痕量氣體的樣品來說，圖1 所示的室溫捕集吹掃捕集裝置的捕集效率不能滿足檢測要求，吹掃過程 中大量水氣被攜帶出來，水氣富集到捕集管中不僅對捕集管中的填料造 成損害，也使儀器的重複性下降。圖2所示冷阱捕集吹掃捕集裝置又難 以實現儀器自動化在線連續操作，而且同一種方法實驗室之間測定結果 的重複性不好。
因此，在對水體溶存N20的分析研究中，需要富集效率更高、易於 實現自動化操作又可以避免水氣等雜質影響的吹掃捕集儀器設備。
發明內容
本發明推出一種對水中溶存的N20富集效率高、易於實現自動化操 作的吹掃捕集儀器，其目的在於採用具有吸附填料的捕集管和半導體制 冷技術的冷阱聯合組成的裝置，實現對水體中痕量溶存的N20進行高富 集效率的吹掃捕集，提高檢測靈敏度。
本發明所涉及的適用於氧化亞氮的製冷式吹掃捕集儀包括惰性氣 體鋼瓶、質量流量控制器、樣品瓶、氣提室、吸附管、捕集裝置、控制 電路板，以及連接管路和電磁閥。
惰性氣體鋼瓶內盛有用於吹掃水體樣品中N20的惰性氣體，惰性氣 體鋼瓶通過質量流量控制器和電磁閥連接海水樣品瓶，質量流量控制器 精確控制通過氣體的流量。海水樣品瓶內盛待測水體樣品，樣品瓶又連 接氣提室。
氣提室由玻璃製成，可避免內面對待測氣體的吸附，氣提室的下端內置有石英砂芯，樣品水體在石英砂芯上方，惰性氣體通過石英砂芯時 可以在水體中產生連續細密的氣泡，使惰性氣體均勻通過待測水體，實 現高效氣體吹掃。
氣提室連接吸附管，吸附管再通過三通電磁閥、六通電磁閥和高溫 電磁截止閥連接捕集裝置。
捕集裝置通過高溫電磁截止閥和六通電磁閥連接外部的氣相色譜
^捕集裝置用於對攜帶N20載氣的製冷捕集及加熱解析，可實現高效 製冷捕集和高效加熱解析。捕集裝置包括加熱製冷體、螺旋捕集管、半 導體致冷片、加熱棒和溫度控制器。加熱製冷體為長方體結構，內部有 長方體空腔，長方體空腔內放置螺旋捕集管。加熱製冷體長方體空腔兩 側的腔壁內各有一圓柱體空腔，圓柱體空腔內放置加熱棒。加熱製冷體 長方體空腔另外兩側的腔壁上設置半導體製冷片，半導體製冷片緊貼在 腔壁上。加熱棒和半導體製冷片分別與控制電路板連接，控制電路板連 接溫度控制器。加熱棒和半導體製冷片分別在溫度控制器的控制下，對 加熱製冷體以及空腔內的捕集管進行加熱和製冷。
螺旋狀的捕集管置於加熱製冷體的長方體空腔內，螺旋捕集管兩端
分別連接兩個高溫電磁閥。捕集管內添有碳分子篩等對N20具有吸附作
用的填料。
螺旋捕集管通過管路和電磁閥分別連接吸附管和吹掃捕集裝置的吹 掃捕集氣體出口，吹掃捕集氣體出口連接外部的氣相色譜儀。
惰性氣體鋼瓶、質量流量控制器、海水樣品瓶、氣提室、吸附管、 捕集裝置由管路連接形成氣路。管路上的電磁閥都分別與控制電路板連 接，在控制電路板的控制下用於各氣路的切換和關閉，實現儀器的系統 待機、取樣捕集、樣品解析、氣相色譜儀進樣和系統準備等五個儀器狀 態的轉換。質量流畺控制器用於精確控制氣路中的氣體流速。
本發明所涉及的氧化亞氮製冷式吹掃捕集儀應用時，鋼瓶內的惰性 氣體在質量流量控制器的控制下，通入樣品瓶，樣品瓶中的水體在壓力 的作用下進入到氣提室中，惰性氣體從氣提室的底部吹掃水體樣品中的
N20，攜帶N20的惰性氣體載氣從氣提室進入吸附管，載氣的水分和雜質 在吸附管內被吸收和去除，攜帶N20的載氣再進入捕集裝置的捕集管， 在低溫下進行捕集，捕集結束之後，捕集管兩端的截止閥關閉，捕集管 升溫將N20解析出來，待解析結束之後，捕集管兩端截止閥打開，載氣進入捕集管將N20帶入到氣相色譜中進行分析檢測。
本發明涉及的適用於氧化亞氮的製冷式吹掃捕集儀，結構緊湊、加
工方便，易於批量化生產；利用具有對待測氣體有吸附作用填料的捕集 管和半導體製冷技術製成的冷阱的綜合配置，可以大大提高水中痕量溶 存的N20的高富集效率，實現吹掃捕集的自動化操作；捕集裝置的設計， 可以方便進行捕集管更換，以適應對其他低沸點氣體的捕集；捕集裝置 和兩個高溫電磁閥的聯合使用可大大提高檢測靈敏度。
圖l為現有技術的室溫捕集吹掃捕集裝置結構示意圖。 圖2為現有技術的冷阱捕集吹掃捕集裝置結構示意圖。 圖3為本發明涉及的捕集管制冷式吹掃捕集儀結構示意圖。 圖4為本發明中的捕集裝置結構示意圖。 圖中標記說明
I、 氣提室 3、捕集管 5、水冷凝器室 7、氣提室 9、惰性氣體鋼瓶
II、 三通電磁閥 13、海水樣品瓶 15、吸附管 17、捕集裝置 19、高溫電磁截止閥 21、氣提室 23、加熱棒 25、半導體製冷片
具體實施方式
現結合附圖對本發明的具體實施方式
進一步說明。 圖3顯示本發明涉及的捕集管制冷式吹掃捕集儀的基本結構。圖4
顯示本發明中捕集裝置的基本結構。圖4為本發明中的捕集裝置的基本結構。
2、吸附管 4、氣相色譜儀 6、熱解吸管 8、冷阱
10、質量流量控制器 12、電磁截止閥 14、三通電磁閥 16、高溫電磁截止閥 18、六通電磁閥 20、電磁截止閥 22、加熱製冷體 24、螺旋捕集管如圖3和圖4所示，本發明所涉及的捕集管制冷式吹掃捕集儀包括:
惰性氣體鋼瓶9、質量流量控制器IO、海水樣品瓶13、氣提室21、吸附 管15、捕集裝置17 ，以及連接管路和電磁閥。
惰性氣體鋼瓶9內盛有用於吹掃水體樣品中N20的惰性氣體，惰性 氣體鋼瓶9通過質量流量控制器10和三通電磁閥11連接海水樣品瓶13。 質量流量控制器10精確控制通過氣體的流量。海水樣品瓶13內盛待測 水體樣品，樣品瓶13又連接氣提室21。
在氣提室21內，實現惰性氣體對水體樣品中N20的吹掃。氣提室21 由玻璃製成，可避免內面對待測氣體的吸附。氣提室21的下端內置有石 英砂芯，水體樣品在石英砂芯上方，惰性氣體通過石英砂芯時可以在水 樣中產生連續細密的氣泡，使惰性氣體均勻通過待測水體，實現高效氣 體吹掃。
氣提室21連接吸附管15，吸附管15再通過三通電磁閥14、六通電 磁閥18和高溫電磁截止閥16連接捕集裝置17。
捕集裝置17通過高溫電磁截止閥19和六通電磁閥18連接外部的氣 相色譜儀4。
捕集裝置17用於對氣提室21的吹掃載氣中的N20進行捕集和解析， 經捕集裝置17捕集和解析的N20由氣相色譜儀4進行檢測。
捕集裝置17可實現高效製冷捕集和高效加熱解析的作用。捕集裝置 17包括加熱製冷體22、螺旋捕集管24、半導體致冷片25、加熱棒23和
溫度控制器。
加熱製冷體22為長方體結構，內部為長方體空腔，長方體空腔內放 置螺旋捕集管24。加熱製冷體22長方體空腔兩側的腔壁內各有一圓柱 體空腔，圓柱體空腔內放置加熱棒23，加熱棒23與圓柱體空腔緊密接 觸。加熱製冷體22長方體空腔另外兩側的腔壁上設置半導體製冷片25， 半導體製冷片25緊貼在腔壁上。加熱棒23和半導體製冷片25分別與控 制電路板連接，控制電路板連接溫度控制器。加熱棒23和半導體製冷片 25用於對加熱製冷體進行加熱和製冷。
螺旋狀的捕集管24置於加熱製冷體22的長方體空腔內。捕集管24 內添有碳分子篩等對N20具有吸附作用的填料。螺旋捕集管24兩端分別 連接兩個高溫電磁閥16、 19。
惰性氣體鋼瓶9、質量流量控制器IO、海水樣品瓶13、氣提室21、 吸附管15和捕集裝置17由管路連接形成氣路，管路上的電磁閥都與控制電路板連接，在控制電路板的控制下用於各氣路的切換和關閉，實現 儀器的系統待機、取樣捕集、樣品解析、氣相色譜儀進樣和系統準備等 五個儀器狀態的轉換。
本發明所涉及的氧化亞氮製冷式吹掃捕集儀應用時，鋼瓶9內的惰
性氣體在質量流量控制器10的控制下，通入樣品瓶13，樣品瓶13中的 水體在壓力的作用下進入到氣提室21中，惰性氣體從氣提室21的底部 吹掃水體樣品中的N20，攜帶N20的惰性氣體載氣從氣提室21進入吸附 管15，載氣中的水分和雜質在吸附管15內被吸收和去除，攜帶N20的載 氣再進入捕集裝置17的捕集管24，在低溫下進行捕集，捕集結束之後， 捕集管24兩端的截止閥關閉，捕集管24升溫將N20解析出來，待解析 結束之後，捕集管24兩端截止閥打開，載氣進入捕集管24將N20帶入 到氣相色譜儀4中進行分析撿測。
權利要求
1、一種適用於氧化亞氮的製冷式吹掃捕集儀，其特徵在於，包括惰性氣體鋼瓶(9)、質量流量控制器(10)、海水樣品瓶(13)、氣提室(21)、吸附管(15)、捕集裝置(17)、控制電路板，以及連接管路和電磁閥，惰性氣體鋼瓶(9)、質量流量控制器(10)、海水樣品瓶(13)、氣提室(21)、吸附管(15)、捕集裝置(17)由管路連接形成氣路，管路上的電磁閥與控制電路板連接；惰性氣體鋼瓶(9)通過質量流量控制器(10)和三通電磁閥(11)、電磁截止閥(12)連接海水樣品瓶(13)，海水樣品瓶(13)連接氣提室(21)，氣提室(21)連接吸附管(15)，吸附管(15)再通過三通電磁閥(14)、六通電磁閥(18)和高溫電磁截止閥(16)連接捕集裝置(17)，捕集裝置(17)連接外部的氣相色譜儀(4)。
2、 根據權利要求1所述的適用於氧化亞氮的製冷式吹掃捕集儀，其 特徵在於，所述的捕集裝置(17)包括加熱製冷體(22)、螺旋捕集管(24)、 半導體致冷片(25)、加熱棒(23)和溫度控制器，加熱製冷體(22)為長方體 結構，螺旋捕集管(24)放置在加熱製冷體(22)內部的長方體空腔內， 加熱製冷體長方體空腔兩側腔壁的圓柱體空腔內放置加熱棒(23)，加 熱製冷體長方體空腔另外兩側的腔壁上設置半導體製冷片(25)，加熱 棒(23)和半導體製冷片(25)分別與控制電路板連接。
3、 根據權利要求2所述的適用於氧化亞氮的製冷式吹掃捕集儀，其 特徵在於，所述的螺旋捕集管(24)內添有對N20具有吸附作用的碳分子篩填料。 '
4、 根據權利要求2所述的適用於氧化亞氮的製冷式吹掃捕集儀，其 特徵在於，所述的螺旋捕集管(24)兩端分別連接高溫電磁截止閥(16、 19)，螺旋捕集管(24)通過管路和高溫電磁截止閥分別連接吸附管(15) 和吹掃捕集裝置外部的氣相色譜儀(4)。
5、 根據權利要求1所述的適用於氧化亞氮的製冷式吹掃捕集儀，其 特徵在於，所述氣提室(21)的下端內置有石英砂芯，水體樣品在石英 砂芯上方，惰性氣體通過石英砂芯時在水樣中產生連續細密的氣泡並均 勻通過待測水體樣品。
全文摘要
本發明所涉及的適用於氧化亞氮的製冷式吹掃捕集儀包括惰性氣體鋼瓶、質量流量控制器、海水樣品瓶、氣提室、吸附管、捕集裝置、控制電路板，由管路和電磁閥連接形成氣路。惰性氣體鋼瓶內的惰性氣體在質量流量控制器的控制下，通入海水樣品瓶，樣品瓶中的水樣在壓力的作用下進入到氣提室中，惰性氣體從氣提室的底部吹掃水體樣品中的N2O，攜帶N2O的惰性氣體載氣從氣提室進入吸附管，載氣的水分和雜質在吸附管內被吸收和去除，攜帶N2O的載氣再進入捕集裝置的捕集管，在低溫下進行捕集，捕集結束之後，捕集管兩端的截止閥關閉，捕集管升溫將N2O解析出來，待解析結束之後，捕集管兩端截止閥打開，載氣進入捕集管將N2O帶入到氣相色譜中進行分析檢測。
文檔編號G01N30/00GK101609074SQ20091006977
公開日2009年12月23日 申請日期2009年7月17日 優先權日2009年7月17日
發明者劉廣生, 姚子偉, 趙冬梅, 趙化德 申請人:國家海洋環境監測中心