一種大氣揮發性有機物取樣分析裝置及取樣分析方法

2023-04-26 17:21:51

一種大氣揮發性有機物取樣分析裝置及取樣分析方法
【專利摘要】本發明公開了一種大氣揮發性有機物取樣分析裝置，包括低溫環境箱和大氣採樣器，低溫環境箱中設有低溫冷阱裝置，低溫冷阱裝置包括第一冷阱、第二冷阱以及第三冷阱，第一冷阱包括第一冷凝管、以及第一半導體製冷片組，第一冷凝管上纏繞有第一加熱絲；第二冷阱包括第二冷凝管、以及第二半導體製冷片組，第二冷凝管上纏繞有第二加熱絲；第三冷阱包括第三冷凝管、以及第三半導體製冷片組。本發明還公開了一種大氣揮發性有機物取樣分析方法，本發明的大氣揮發性有機物取樣分析裝置及取樣分析方法，能滿足對揮發性有機物含量在線監測的需要，可用於大氣揮發性有機物含量的實地在線自動檢測。
【專利說明】一種大氣揮發性有機物取樣分析裝置及取樣分析方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及大氣環境檢測設備【技術領域】，具體地說，涉及一種大氣揮發性有機物 取樣分析裝置及取樣分析方法。
【背景技術】
[0002]大氣中含有的揮發性，大多具有致畸、致癌、致突變等危害，並且是大氣光化學危 害、溫室效應等現象的重要元兇，因此為了對大氣的汙染程度及時監測與控制，對大氣揮發 性有機物含量進行實時檢測顯得日益重要，尤其是對揮發性有機物含量進行在線監測日益 重要。目前，對大氣揮發性有機物進行檢測主要通過色譜分析完成。由於大氣中的揮發性 有機物種類多，且濃度低，須進行富集濃縮處理(即把大氣體中的微量物質變為固態縮小體 積)，才能達到分析儀器檢測的要求。而對於對揮發性有機物含量進行在線監測來說，對濃 縮系統要求較高，應達到以下條件:不消耗製冷劑、富集解吸速度快，以便縮短自動監測的 分析周期。
[0003]目前，用於實驗室揮發性有機物冷凝濃縮的裝置一般使用液氮製冷，即直接 把液氮噴入冷阱外部的蒸發器中，利用液氮蒸發吸收熱量來進行製冷。例如中國專利 CN101337135中提出了一種低溫冷講，解決了冷凝劑的消耗問題，並縮短了濃縮時間。但是， 該方法液氮消耗量大，製冷成本較高，同時液氮野外更換，儲存困難，且分析周期長，為使用 和維護帶來極大不便，因此其不適合連續在線監測。且目前技術中低溫冷阱中普遍使用多 孔性吸附劑，對揮發性有機物進行低溫吸附後再快速熱解吸，在這個過程中，很容易產生交 叉汙染以及「記憶效應」。因此，目前的冷凝濃縮裝置及冷凝濃縮方法不能滿足對揮發性有 機物含量在線監測的需要。另外，使用多孔性吸附劑吸附揮發性有機物，解吸時間長，使整 個分析周期加長，且易在不同樣品分析之間產生交叉汙染問題。再有，大氣中揮發性有機物 種類繁多，在需要使用氣相色譜儀對大氣中的揮發性有機物含量進行分析時，需要分析幾 十種乃至幾百種含碳類物質，目前氣相色譜儀多使用具有一毛細管分離柱的氣相色譜儀， 由於單個毛細管柱對大氣中的所有揮發性有機物選擇性差，造成分離效率低，一般需超過 60m長的毛細管柱，才能實現對物質的完全分離，造成要求系統進樣壓力要求高，分析周期 長等缺點。

【發明內容】

[0004]本發明所要解決的第一個技術問題是:提供一種不消耗製冷劑、富集解吸速度快 以及分析周期短的大氣揮發性有機物取樣分析裝置。
[0005]本發明所要解決的第二個技術問題是:提供一種不消耗製冷劑、富集解吸速度快 以及分析周期短的大氣揮發性有機物取樣分析方法。
[0006]為解決上述第一個技術問題，本發明的技術方案是:一種大氣揮發性有機物取樣 分析裝置，包括:
[0007]低溫環境箱，所述低溫環境箱連接有壓縮機，所述低溫環境箱中設有低溫冷阱裝置，所述低溫冷阱裝置包括第一冷阱、第二冷阱以及第三冷阱，所述第一冷阱包括第一冷凝 管、以及第一半導體製冷片組，所述第一冷凝管上纏繞有第一加熱絲；所述第二冷阱包括第 二冷凝管、以及第二半導體製冷片組，所述第二冷凝管上纏繞有第二加熱絲；所述第三冷阱 包括第三冷凝管、以及第三半導體製冷片組，所述第三冷凝管上纏繞有第三加熱絲；
[0008]大氣採樣器，所述大氣採樣器的輸出端連接到質量流量計的輸入端，所述質量流 量計的輸出端連接到第一多通閥的第一端，所述第一多通閥的第二端連接有載氣氣源，所 述第一多通閥的第三端連接到所述第一冷凝管的進口端；
[0009]所述第一冷凝管的出口端連接到第二多通閥的第三端，所述第二多通閥的第一端 與所述第二冷凝管的進口端連接，所述第二多通閥的第二端與所述第三冷凝管的進口端連 接;
[0010]所述第二冷凝管的出口端連接到第三多通閥的第三端，所述第三多通閥的第一端 與反吹氣源連接，所述第三多通閥的第二端連接到第一色譜儀的檢測輸入端；
[0011]所述第三冷凝管的出口端連接到第四多通閥的第三端，所述第四多通閥的第一端 與所述反吹氣源連接，所述第四多通閥的第二端連接到第二色譜儀的檢測輸入端。
[0012]優選的，所述低溫環境箱中設有第一製冷腔體、第二製冷腔體以及第三製冷腔體； 所述第一冷凝管以及所述第一加熱絲設置於所述第一製冷腔體中，所述第二冷凝管以及所 述第二加熱絲設置於所述第二製冷腔體中，所述第三冷凝管以及所述第三加熱絲設置於所 述第三製冷腔體中。
[0013]優選的，所述第二多通閥的第二端和所述第三冷凝管的進口端之間還連接有半滲 透膜除水管，所述半滲透膜除水管外部套設有乾燥管。
[0014]優選的，所述半滲透膜除水管的出口端與所述第三冷凝管的進口端之間還連接有 壓力閥。
[0015]優選的，所述第一半導體製冷片組包括兩個以上貼合在一起的且並聯電連接的半 導體製冷片，所述第二半導體製冷片組包括三個以上貼合在一起的且並聯電連接的半導體 製冷片，所述第三半導體製冷片組包括兩個以上貼合在一起的且並聯電連接的半導體製冷 片。
[0016]優選的，所述第一製冷腔體、所述第二製冷腔體以及所述第三製冷腔體的外部分 別包裹有絕熱保溫材料。
[0017]優選的，所述第一冷凝管、所述第二冷凝管以及所述第三冷凝管均為不鏽鋼冷凝管。
[0018]優選的，所述載氣氣源和所述反吹氣源均為純度大於99.9%的惰性氣體。
[0019]為解決上述第二個技術問題，本發明的技術方案是:一種大氣揮發性有機物取樣 分析方法，包括以下步驟:
[0020]a.首先啟動低溫環境箱，使其處於製冷狀態，使第一製冷腔體以及第一冷凝管達 到-40°C至_50°C的低溫，使第二製冷腔體以及第二冷凝管達到_145°C至_155°C的低溫，使 第三製冷腔體以及第三冷凝管達到_55°C至_65°C的低溫；
[0021]b.大氣揮發性有機物經大氣採樣器採樣後，控制第一多通閥和第二多通閥，使大 氣採樣器與低溫環境箱連通，第一冷凝管與第二冷凝管連通，大氣樣品由質量流量計定量 送入低溫環境箱中，首先進入第一製冷腔體進行冷凝，大氣樣品中的含六個碳原子及以上的揮發性有機化合物及水分，首先被冷凝在第一冷凝管內，轉變為固態；大氣樣品中含五個 碳原子及以下的揮發性有機物進入第二冷凝管內轉化為固態；而大氣中的其它氣體，並不 被冷凝為固態，而直接由第三多通閥排空；
[0022]c.待採樣達到所需量，平衡一段時間後，控制第一多通閥，控制第二多通閥，斷開 質量流量計與第一冷凝管的氣體流動，使第一冷凝管與第三冷凝管連通，開啟第一製冷腔 體內的第一加熱絲，使第一製冷腔體內的第一冷凝管的溫度升到50°C，並控制第一多通閥， 使載氣氣源與第一冷凝管連通；第一冷凝管內被加熱到50°C，此時，水處於液態，而其它被 冷凝在第一冷凝管內的揮發性有機物組分，經加熱到50°C氣化後轉移到氣相中，並由載氣 氣源將其吹掃進入第三冷凝管進行低溫冷凝濃縮，載氣由第四多通閥排空；
[0023]d.5-10分鐘後，關閉第二多通閥和壓力閥，開啟第三冷凝管上的第三加熱絲，使第 三冷凝管加熱到50°C，此時第三冷凝管中的揮發性有機物全部轉變為氣態，並由載氣氣源 載入第二色譜儀進行檢測分析，完成大氣樣品中的含六個碳原子及以上的揮發性有機化合 物的檢測分析；
[0024]e.同時，在採樣量達到所設定量後，控制第二多通閥，保持第一冷凝管與第二冷凝 管的斷開狀態，開啟第二冷凝管上的第二加熱絲，使第二冷凝管內的溫度提升到50°C，使 第二冷凝管中的固態揮發性有機物轉變為氣態，並由載氣氣源載入第一色譜儀進行檢測分 析，完成大氣樣品中含五個碳原子及以下的揮發性有機物的檢測分析；
[0025]f.完成上述過程後，停止低溫環境箱的製冷狀態，開啟第一加熱絲、第二加熱絲及 第三加熱絲，使第一冷凝管、第二冷凝管及第三冷凝管溫度升高到300°C，控制第一多通閥、 第二多通閥、第三多通閥和第四多通閥，使反吹氣源與第二冷凝管以及第三冷凝管連通，並 與第一冷凝管連通，進行反吹清洗，反吹氣體由第一多通閥排空；
[0026]g.反吹過程完成後，關閉第一加熱絲、第二加熱絲以及第三加熱絲，並重新開啟低 溫環境箱使其處於製冷狀態，使第一製冷腔體、第二製冷腔體以及第三製冷腔體達到所設 定溫度，為下次採樣及冷凝濃縮處理做好準備。
[0027]優選的，在步驟b與步驟c之間還包括以下步驟:
[0028]bl.控制第一多通閥，控制第二多通閥，斷開質量流量計與第一冷凝管的氣體流 動，使第一冷凝管與半滲透膜除水管連通，開啟壓力閥使半滲透膜除水管中保持一定的正 壓，開啟第一製冷腔體內的第一加熱絲，使第一製冷腔體內的第一冷凝管的溫度升到50°C， 並控制第一多通閥，使載氣氣源與第一冷凝管連通；第一冷凝管內被加熱到50°C，此時，水 處於液態，而其它被冷凝在第一冷凝管內的揮發性有機物組分，經加熱到50°C氣化後轉移 到氣相中，並由載氣氣源將其吹掃進半滲透膜除水管中進一步除水，載氣由第二多通閥排 空。
[0029]採用了上述技術方案後，本發明的有益效果是:
[0030]1.由於本發明的大氣揮發性有機物取樣分析裝置及取樣分析方法，採用的是半導 體製冷技術，而半導體製冷技術利用半導體材料的帕爾貼效應製冷，並不需要製冷劑，通電 後直接製冷。半導體製冷具有可連續製冷、製冷速度快、無震動噪音、壽命長、安裝維護方便 等優點，還能實現精確製冷，便於使用自動控制系統控制製冷過程。這種技術的製冷系統能 夠滿足對揮發性有機物含量在線監測的需要。因此應用這種製冷技術的本發明的大氣揮發 性有機物取樣分析裝置及取樣分析方法，克服了傳統的低溫冷凝裝置的由於需要液氮製冷及多孔性吸附劑而存在的缺陷:液氮消耗量大，製冷成本較高，同時液氮野外更換，儲存困 難；多孔性吸附劑熱解吸速率慢，組份殘留高，所需吹掃時間長，從而造成分析周期長等缺 點，可用於大氣揮發性有機物含量的實地在線自動檢測。另外，本發明的大氣揮發性有機物 取樣分析裝置在工作過程中，通過第一多通閥、第二多通閥、第三多通閥以及第四多通閥的 開關控制以及第一冷阱、第二冷阱以及第三冷阱不同溫度的設置，使得大氣中含六個碳原 子及以上的揮發性有機物通過第一冷阱和第三冷阱後進入第二色譜儀進行檢測分析。而大 氣中其餘的揮發性有機物通過第二冷阱後進入第一色譜儀進行檢測分析，而該設置可對第 一和第二色譜儀採用不同性質的毛細管柱及不同類型的檢測器，增加了整個分析系統對不 同性質揮發性有機物的響應度。
[0031]2.由於所述第二多通閥的第二端和所述第三冷凝管的進口端之間還連接有半滲 透膜除水管，所述半滲透膜除水管外部套設有乾燥管。因此本發明的大氣揮發性有機物取 樣分析裝置及取樣分析方法通過分段冷凝濃縮與半滲透除水技術相結合，使得大氣中的含 六個碳原子至含十二個碳原子的揮發性有機物經過半滲透膜除水管時，進一步除去其中的 水分，最大可能的消除了水分對色譜分析的的影響，使其進入第二色譜儀後檢測分析的結 果更加精確。
[0032]3.由於本發明中的第一冷凝管、第二冷凝管以及第三冷凝管均採用不鏽鋼冷凝 管，因此在冷凝過程中，組分直接在不鏽鋼鋼管上冷凝，而非在傳統的多孔性吸附材料上冷 凝，最大可能的避免了不同分析周期間的交叉汙染以及系統的「記憶」效應。
[0033]4.由於本發明的大氣揮發性有機物取樣分析裝置及取樣分析方法使用高純度的 惰性氣體對第一冷凝管、第二冷凝管以及第三冷凝管進行反吹，而冷凝管內不含多孔性吸 附材料，吹掃速度快，極大地提高了熱解吸速率，在很短的時間內可完成系統的自清洗，縮 短分析周期。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0034]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明:
[0035]圖1是本發明的大氣揮發性有機物取樣分析裝置及取樣分析方法的原理示意圖；
[0036]圖中:1、低溫環境箱；2、第一製冷腔體；21、第一冷凝管；22、第一加熱絲；3、第一 半導體製冷片組；4、第二製冷腔體；41、第二冷凝管；42、第二加熱絲；5、第二半導體製冷片 組；6、第三製冷腔體；61、第三冷凝管；62、第三加熱絲；7、第三半導體製冷片組；8、大氣採 樣器；9、質量流量計；10、第一多通閥；11、載氣氣源；12、第二多通閥；13、第三多通閥；14、 第四多通閥；15、反吹氣源；16、第一色譜儀；17、第二色譜儀；18、壓縮機；19、半導體製冷 片；20、半滲透膜除水管；30、乾燥管；40、壓力閥。
【具體實施方式】
[0037]圖1是本發明的大氣揮發性有機物取樣分析裝置及取樣分析方法的原理示意圖， 參照圖1，本發明的大氣揮發性有機物取樣分析裝置，包括低溫環境箱I和大氣採樣器8，大 氣採樣器8具有除塵功能。
[0038]低溫環境箱I連接有壓縮機，低溫環境箱I中設有低溫冷阱裝置，低溫冷阱裝置包 括第一冷阱、第二冷阱以及第三冷阱，第一冷阱包括第一冷凝管21、以及第一半導體製冷片組3，第一冷凝管21上纏繞有第一加熱絲22 ;第二冷阱包括第二冷凝管41、以及第二半導 體製冷片組5，第二冷凝管41上纏繞有第二加熱絲42 ;第三冷阱包括第三冷凝管61、以及 第三半導體製冷片組7，第三冷凝管61上纏繞有第三加熱絲62。其中，第一冷凝管21、第 二冷凝管41以及第三冷凝管61均採用不鏽鋼材料製成，內表面經鈍化處理。因此在冷凝 過程中，組分直接在不鏽鋼鋼管上冷凝，而非在傳統的多孔性吸附材料上冷凝，熱解吸速率 快，並最大可能的避免了交叉汙染以及系統的「記憶」效應。
[0039]大氣採樣器8的輸出端連接到質量流量計9的輸入端，質量流量計9的輸出端連 接到第一多通閥10的第一端，第一多通閥10的第二端連接有載氣氣源11，第一多通閥10 的第三端連接到第一冷凝管21的進口端。
[0040]第二冷凝管41的出口端連接到第二多通閥12的第三端，第二多通閥12的第一端 與第二冷凝管41的進口端連接，第二多通閥12的第二端與第三冷凝管61的進口端連接。 本實施例中，第二多通閥12的第二端與第三冷凝管61的進口端之間還連接有半滲透膜除 水管20，半滲透膜除水管20的外部還套設有乾燥管30，半滲透膜除水管20的出口端與第 三冷凝管61的進口端之間還連接有壓力閥40。半滲透膜除水管20為Nafion半滲透性膜， 水通過Nafion半滲透膜壁滲透，隨後蒸發進入周圍空氣中，我們把這一過程稱為「滲透蒸 發」，起到了除水的功能，管內外的溼度梯度驅動了整個過程。而壓力閥40保持了 Nafion 半滲透膜管內在工作時保持一定的正壓。使Nafion半滲透膜管對大氣中的揮發性有機物 起到了很好的除水效果。
[0041]第二冷凝管41的出口端連接到第三多通閥13的第三端，第三多通閥13的第一端 與反吹氣源15連接，第三多通閥13的第二端連接到第一色譜儀16的檢測輸入端。本發明 的大氣揮發性有機物取樣分析裝置及取樣分析方法使用高純度的惰性氣體對第一冷凝管、 第二冷凝管以及第三冷凝管進行反吹，吹掃速度快，極大地提高了熱解吸速率，在很短的時 間內可完成系統的自清洗，縮短了分析周期。
[0042]第三冷凝管61的出口端連接到第四多通閥14的第三端，第四多通閥14的第一端 與反吹氣源15連接，第四多通閥14的第二端連接到第二色譜儀17的檢測輸入端。
[0043]第一色譜儀16和第二色譜儀17為兩個獨立的色譜儀分析系統，內裝不同性質的 毛細管柱。第一色譜儀16和第二色譜儀17均為氣相色譜儀或氣相色譜質譜聯用儀。
[0044]低溫環境箱I中設有第一製冷腔體2、第二製冷腔體4以及第三製冷腔體6 ;第一 冷凝管21以及第一加熱絲22設置於第一製冷腔體2中，第二冷凝管41以及第二加熱絲42 設置於第二製冷腔體4中；第三冷凝管61以及第三加熱絲62設置於第三製冷腔體6中。 本實施例中，根據揮發性有機物冷凝溫度的需要，第一半導體製冷片組3包括兩個以上貼 合在一起的且並聯電連接的半導體製冷片19，第二半導體製冷片組5包括數量三個以上貼 合在一起的且並聯電連接的的半導體製冷片19，第三半導體製冷片組7包括兩個以上貼合 在一起的且並聯電連接的半導體製冷片19。其中，由第一制半導體冷片組3為第一製冷腔 體2提供製冷，由第二半導體製冷片組5為第二製冷腔體4提供製冷，由第三半導體製冷片 組7為第三製冷腔體6提供製冷。
[0045]本實施例中，第一製冷腔體2、第二製冷腔體4以及第三製冷腔體6的外部分別包 裹有絕熱保溫材料。第一多通閥10、第二多通閥12、第三多通閥13以及第四多通閥14均 為多通電磁閥。第一冷凝管21、第二冷凝管41以及第三冷凝管61呈直形、蛇形或螺旋形纏繞。
[0046]載氣氣源11和反吹氣源15均為純度大於99.9%的惰性氣體。本實施例中，載氣氣源11和反吹氣源15均為純度大於99.9%的氦氣。當然，也可以採用其它的惰性氣體。其中，載氣的意義:在氣相色譜法中，流動相為氣體，稱其為載氣。載氣的作用是以一定的流速載帶氣體樣品或經氣化後的樣品氣體一起進入色譜柱進行分離，再將被分離後的各組分載入檢測器進行檢測，最後流出冷凝系統放空或收集，載氣只是起載帶作用而基本不參與分尚作用。
[0047]採用本發明的大氣揮發性有機物取樣分析裝置的取樣分析方法包括以下步驟:
[0048]a.首先啟動低溫環境箱1，使其處於製冷狀態，使第一製冷腔體2以及第一冷凝管21達到-40°C至_50°C的低溫，使第二製冷腔體4以及第二冷凝管41達到_145°C至_155°C的低溫，使第三製冷腔體6以及第三冷凝管61達到_55°C至_65°C的低溫；
[0049]b.大氣揮發性有機物經大氣採樣器8採樣後，控制第一多通閥10和第二多通閥12，使大氣採樣器8與低溫環境箱I連通，第一冷凝管21與第二冷凝管41連通，大氣樣品由質量流量計9定量送入低溫環境箱I中，首先進入第一製冷腔體2進行冷凝，大氣樣品中的含六個碳原子及以上的揮發性有機化合物及水分的沸點較高，首先被冷凝在第一冷凝管21內，轉變為固態；而沸點較低的揮發性有機物，主要是含五個碳原子及以下的化合物，尤其是大氣中含量較高的甲醛、甲醇以及甲烷等其它揮發性有機物組分，進入第二冷凝管41內轉化為固態；而大氣中的其它永久性氣體，比如氮氣、氧氣等，由於沸點更低，並不被冷凝為固態，而直接由第三多通閥13排空；
[0050]c.待採樣達到所需量，平衡一段時間後，控制第一多通閥10，控制第二多通閥12，斷開質量流量計9與第一冷凝管21的氣體流動，使第一冷凝管21與半滲透膜除水管20連通，開啟壓力閥40使半滲透膜除水管20中保持一定的正壓，開啟第一製冷腔體2內的第一加熱絲22，使第一製冷腔體I內的第一冷凝管21的溫度升到50°C，並控制第一多通閥10，使載氣氣源11與第一冷凝管21連通；第一冷凝管21內被加熱到50°C，此時，水處於液態，蒸汽壓很低，而其它被冷凝在第一冷凝管21內的揮發性有機物組分，經加熱到50°C氣化後轉移到氣相中，並由載氣氣源11將其吹掃進半滲透膜除水管20中進一步除水，然後進入第三冷凝器管61進行低溫冷凝濃縮，載氣由第四多通閥14排空；
[0051]d.5-10分鐘後，關閉第二多通閥12和壓力閥40，開啟第三冷凝管61上的第三加熱絲62，使第三冷凝管61加熱到50°C，此時第三冷凝管61中的揮發性有機物全部轉變為氣態，並由載氣氣源11載入第二色譜儀17進行檢測分析，完成大氣樣品中的含六個碳原子及以上的揮發性有機化合物的檢測分析；
[0052]e.同時，在採樣量達到所設定量後，控制第二多通閥12，保持第一冷凝管21與第二冷凝管41的斷開狀態，開啟第二冷凝管41上的第二加熱絲42，使第二冷凝管41內的溫度提升到50°C，使第二冷凝管41中的固態揮發性有機物轉變為氣態，並由載氣氣源11載入第一色譜儀16進行檢測分析，完成大氣樣品中含五個碳原子及以下的揮發性有機物的檢測分析；
[0053]f.完成上述過程後，停止低溫環境箱I的製冷狀態，開啟第一加熱絲22、第二加熱絲42及第三加熱絲62，使第一冷凝管21、第二冷凝管41及第三冷凝管61溫度升高到300°C，控制第一多通閥10、第二多通閥12、第三多通閥13和第四多通閥14，使反吹氣源15與第二冷凝管41以及第三冷凝管61連通，並與第一冷凝管21連通，進行反吹清洗，反吹氣體由第一多通閥10排空；
[0054]g.反吹過程完成後，關閉第一加熱絲22、第二加熱絲42以及第三加熱絲62，並重新開啟低溫環境箱I使其處於製冷狀態，使第一製冷腔體2、第二製冷腔體4以及第三製冷腔體6達到所設定溫度，為下次採樣及冷凝濃縮處理做好準備。
[0055]從本發明的大氣揮發性有機物取樣分析裝置及取樣分析方法的上述工作過程可以看出，本發明的大氣揮發性有機物取樣分析裝置，採用的是半導體製冷技術，而半導體製冷技術利用半導體材料的帕爾貼效應製冷，並不需要製冷劑，通電後直接製冷。半導體製冷具有可連續製冷、製冷速度快、無震動噪音、壽命長、安裝維護方便等優點，還能實現精確製冷，便於使用自動控制系統控制製冷過程。同時，本發明專利所採用的冷凝管為中空的不鏽鋼管，並不需要填充傳統的多孔性吸附材料；這種技術的製冷系統能夠滿足對揮發性有機物在線實時監測的需要。因此應用這種製冷技術的本發明的大氣揮發性有機物取樣分析裝置，克服了傳統的低溫冷凝裝置的由於需要液氮製冷而存在的缺陷:液氮消耗量大，製冷成本較高，同時液氮野外更換，儲存困難；同時，中空的不鏽鋼管熱解吸速率快，吹掃容易，使系統清洗時間短，縮短了分析測試周期，可用於大氣揮發性有機物含量的實地在線自動檢測。
[0056]另外，本發明的大氣揮發性有機物取樣分析裝置在工作過程中，通過第一多通閥
10、第二多通閥12、第三多通閥13以及第四多通閥14的開關控制以及第一冷阱、第二冷阱以及第三冷阱不同溫度的設置，使得大氣中含六個碳原子及以上的揮發性有機物通過第一冷阱和第三冷阱後進入第二色譜儀17進行檢測分析。而大氣中其餘的揮發性有機物通過第二冷阱後進入第一色譜儀16進行檢測分析。由此可以看出，本發明的大氣揮發性有機物取樣分析裝置及取樣分析方法可以將大氣中的揮發性有機物分成兩類後分別進入兩個色譜儀進行檢測分析，而兩個色譜儀可採用不同性質的色譜柱及不同類型的檢測器，提高了色譜儀對不同揮發性有機物的響應度，並提高了檢測分析精度。
[0057]本發明的大氣揮發性有機物取樣分析裝置及取樣分析方法通過分段冷凝濃縮與半滲透除水技術相結合，使得大氣中的含六個碳原子及以上的揮發性有機物經過半滲透膜除水管20時，進一步除去其中的水分，消除了水分對色譜分析的影響，使其進入第二色譜儀17後檢測分析的結果更加精確。
[0058]以上所述為本發明最佳實施方式的舉例，其中未詳細述及的部分均為本領域普通技術人員的公知常識。本發明的保護範圍以權利要求的內容為準，任何基於本發明的技術啟示而進行的等效變換，也在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種大氣揮發性有機物取樣分析裝置，其特徵在於，包括:低溫環境箱，所述低溫環境箱連接有壓縮機，所述低溫環境箱中設有低溫冷阱裝置，所述低溫冷阱裝置包括第一冷阱、第二冷阱以及第三冷阱，所述第一冷阱包括第一冷凝管、以及第一半導體製冷片組，所述第一冷凝管上纏繞有第一加熱絲；所述第二冷阱包括第二冷凝管、以及第二半導體製冷片組，所述第二冷凝管上纏繞有第二加熱絲；所述第三冷阱包括第三冷凝管、以及第三半導體製冷片組，所述第三冷凝管上纏繞有第三加熱絲；大氣採樣器，所述大氣採樣器的輸出端連接到質量流量計的輸入端，所述質量流量計的輸出端連接到第一多通閥的第一端，所述第一多通閥的第二端連接有載氣氣源，所述第一多通閥的第三端連接到所述第一冷凝管的進口端；所述第一冷凝管的出口端連接到第二多通閥的第一端，所述第二多通閥的第二端與所述第二冷凝管的進口端連接，所述第二多通閥的第三端與所述第三冷凝管的進口端連接；所述第二冷凝管的出口端連接到第三多通閥的第一端，所述第三多通閥的第二端與反吹氣源連接，所述第三多通閥的第三端連接到第一色譜儀的檢測輸入端；所述第三冷凝管的出口端連接到第四多通閥的第一端，所述第四多通閥的第一端與所述反吹氣源連接，所述第四多通閥的第二端連接到第二色譜儀的檢測輸入端。
2.如權利要求1所述的大氣揮發性有機物取樣分析裝置，其特徵在於:所述低溫環境箱中設有第一製冷腔體、第二製冷腔體以及第三製冷腔體；所述第一冷凝管以及所述第一加熱絲設置於所述第一製冷腔體中，所述第二冷凝管以及所述第二加熱絲設置於所述第二製冷腔體中，所述第三冷凝管以及所述第三加熱絲設置於所述第三製冷腔體中。
3.如權利要求1所述的大氣揮發性有機物取樣分析裝置，其特徵在於:所述第二多通閥的第二端和所述第三冷凝管的進口端之間還連接有半滲透膜除水管，所述半滲透膜除水管外部`套設有乾燥管。
4.如權利要求3所述的大氣揮發性有機物取樣分析裝置，其特徵在於:所述半滲透膜除水管的出口端與所述第三冷凝管的進口端之間還連接有壓力閥。
5.如權利要求1所述的大氣揮發性有機物取樣分析裝置，其特徵在於:所述第一半導體製冷片組包括兩個以上貼合在一起的且並聯電連接的半導體製冷片，所述第二半導體製冷片組包括三個以上貼合在一起的且並聯電連接的半導體製冷片，所述第三半導體製冷片組包括兩個以上貼合在一起的且並聯電連接的半導體製冷片。
6.如權利要求2所述的大氣揮發性有機物取樣分析裝置，其特徵在於:所述第一製冷腔體、所述第二製冷腔體以及所述第三製冷腔體的外部分別包裹有絕熱保溫材料。
7.如權利要求1所述的大氣揮發性有機物取樣分析裝置，其特徵在於:所述第一冷凝管、所述第二冷凝管以及所述第三冷凝管均為不鏽鋼冷凝管。
8.如權利要求1至7任一項所述的大氣揮發性有機物取樣分析裝置，其特徵在於:所述載氣氣源和所述反吹氣源均為純度大於99.9%的惰性氣體。
9.採用權利要求1所述的大氣揮發性有機物取樣分析裝置的取樣分析方法，其特徵在於，包括以下步驟:a.首先啟動低溫環境箱，使其處於製冷狀態，使第一製冷腔體以及第一冷凝管達到-40°C至_50°C的低溫，使第二製冷腔體以及第二冷凝管達到_145°C至_155°C的低溫，使第三製冷腔體以及第三冷凝管達到_55°C至_65°C的低溫；b.大氣揮發性有機物經大氣米樣器米樣後，控制第一多通閥和第二多通閥，使大氣米樣器與低溫環境箱連通，第一冷凝管與第二冷凝管連通，大氣樣品由質量流量計定量送入低溫環境箱中，首先進入第一製冷腔體進行冷凝，大氣樣品中的含六個碳原子及以上的揮發性有機化合物及水分，首先被冷凝在第一冷凝管內，轉變為固態；大氣樣品中含五個碳原子及以下的揮發性有機物進入第二冷凝管內轉化為固態；而大氣中的其它氣體，並不被冷凝為固態，而直接由第三多通閥排空；c.待採樣達到所需量，平衡一段時間後，控制第一多通閥，控制第二多通閥，斷開質量流量計與第一冷凝管的氣體流動，使第一冷凝管與第三冷凝管連通，開啟第一製冷腔體內的第一加熱絲，使第一製冷腔體內的第一冷凝管的溫度升到50°C，並控制第一多通閥，使載氣氣源與第一冷凝管連通；第一冷凝管內被加熱到50°C，此時，水處於液態，而其它被冷凝在第一冷凝管內的揮發性有機物組分，經加熱到50°C氣化後轉移到氣相中，並由載氣氣源將其吹掃進入第三冷凝管進行低溫冷凝濃縮，載氣由第四多通閥排空；d.5-10分鐘後，關閉第二多通閥和壓力閥，開啟第三冷凝管上的第三加熱絲，使第三冷凝管加熱到50°C，此時第三冷凝管中的揮發性有機物全部轉變為氣態，並由載氣氣源載入第二色譜儀進行檢測分析，完成大氣樣品中的含六個碳原子及以上的揮發性有機化合物的檢測分析；e.同時，在採樣量達到所設定量後，控制第二多通閥，保持第一冷凝管與第二冷凝管的斷開狀態，開啟第二冷凝管上的第二加熱絲，使第二冷凝管內的溫度提升到50°C，使第二冷凝管中的固態揮發性有機物轉變為氣態，並由載氣氣源載入第一色譜儀進行檢測分析，完成大氣樣品中含五個碳原子及以下的揮發性有機物的檢測分析；f.完成上述過程後，停止低溫環境箱的製冷狀態，開啟第一加熱絲、第二加熱絲及第三加熱絲，使第一冷凝管、第二冷凝管及第三冷凝管溫度升高到300°C，控制第一多通閥、第二多通閥、第三多通閥和第四多通閥，使反吹氣源與第二冷凝管以及第三冷凝管連通，並與第一冷凝管連通，進行反吹清洗，反吹氣體由第一多通閥排空；g.反吹過程完成後，關閉第一加熱絲、第二加熱絲以及第三加熱絲，並重新開啟低溫環境箱使其處於製冷狀態，使第一製冷腔體、第二製冷腔體以及第三製冷腔體達到所設定溫度，為下次採樣及冷凝濃縮處理做好準備。
10.如權利要求9所述的大氣揮發性有機物取樣分析裝置的取樣分析方法，其特徵在於，在步驟b與步驟c之間還包括以下步驟:bl.控制第一多通閥，控制第二多通閥，斷開質量流量計與第一冷凝管的氣體流動，使第一冷凝管與半滲透膜除水管連通，開啟壓力閥使半滲透膜除水管中保持一定的正壓，開啟第一製冷腔體內的第一加熱絲，使第一製冷腔體內的第一冷凝管的溫度升到50°C，並控制第一多通閥，使載氣氣源與第一冷凝管連通；第一冷凝管內被加熱到50°C，此時，水處於液態，而其它被冷凝在第一冷凝管內的揮發性有機物組分，經加熱到50°C氣化後轉移到氣相中，並由載氣氣源將其吹掃進半滲透膜除水管中進一步除水，載氣由第二多通閥排空。
【文檔編號】G01N30/08GK103499662SQ201310438314
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年9月12日 優先權日:2013年9月12日
【發明者】馬海斌, 沈建強 申請人:蘇州威陽環保科技有限公司