一種氨氣的在線高速監測方法與流程

2023-12-05 22:10:26

本發明涉及一種檢測限可達0.1ppb級的對大氣環境中的氨氣進行靈敏、準確、高速在線監測的新方法。採用離子遷移譜的正離子模式，吸氣採樣方式，建立了離子遷移譜高速在線監測氨氣的新方法。本專利論述了提高遷移管的溫度減少大氣環境中水汽的幹擾，提高儀器解析度方法。通過改變採樣體積和平均次數，實現對大氣環境中氨氣較大濃度範圍的高速監測的方法。同時做出一定採樣量下的氨氣濃度校準曲線，實現對大氣環境中氨氣長期穩定的在線監測。

背景技術：

近年來隨著我國工業化、城市化和現代化進程的加快，我國幾大城市群大氣灰霾事件頻繁發生，對我國的空氣品質和人們的身體健康產生嚴重的影響。大氣環境汙染問題日益嚴重，已成為影響和制約我國地區經濟可持續發展的一個重要因素。而氨氣是大氣環境中含量最大的鹼性氣體，其參與二次氣溶膠的成核反應，加劇灰霾天氣的生成，對大氣環境和人們的身體健康產生重要的影響。研究表明，二次氣溶膠可佔總PM2.5的30–77％，是我國嚴重灰霾天氣的主要貢獻者。而大氣環境中氨氣濃度的上升則會加劇了氣溶膠成核速率，加劇灰霾天氣的生成。因為在氣溶膠新生粒子成核過程中，大氣環境中的氨氣與硫酸蒸汽成核，大大降低了水-硫酸體系(二元成核理論)所需的蒸汽壓，促進大氣新粒子的生成，即三元成核理論(氨-硫酸-水)。與二元成核理論相比，氨氣參與的三元成核具有更高的成核速率，所需要的硫酸蒸汽濃度小几個數量級。在此過程中形成的銨鹽所具有的物理化學性質對氣溶膠的酸鹼性、吸溼性、揮發性、以及光學特性等產生重要的影響，是導致城市能見度降低的主要化學成分。另一方面，氨氣是具有刺激性和腐蝕性的氣體，影響人們的身體健康。氨氣對上呼吸道有刺激，人對氨氣的嗅閾為0.5-1mg/m3；氨氣具有腐蝕作用，能使組織蛋白變性，脂肪皂化，並能破壞細胞膜結構，使人體免疫力下降等。氨氣也可以融入血液中，並結合血液中的血紅蛋白，通過一系列的破壞使得運氧功能喪失從而導致中毒。因此在線快速檢測大氣中的氨氣含量對灰霾天氣的生成過程研究和避免人體受氨的危害具有重要的實用價值。

離子遷移譜(IMS)具有靈敏度較高(ng，甚至pg級)、檢測快速(s級)、結構簡單、操作方便、價格低廉、體積較小、功耗較低等優點，不需要特殊的化學試劑，因此適合長期外場監測，被廣泛應用於毒品稽查、化學戰劑與爆炸物安檢、生物醫藥和環境檢測等領域。離子遷移譜是一種大氣壓條件下，基於不同離子在電場中遷移率不同來對氣相目標物進行快速分離與檢測的一項技術。

由此，本專利基於離子遷移譜技術，設計了一種氨氣的高速在線監測方法，實現對大氣環境中氨氣長期穩定的在線監測。

技術實現要素：

通過真空泵的作用將漂氣和樣品氣吸入遷移譜中，在電離源的作用下，生成反應離子和銨根離子，然後通過遷移區進行分離，並在正高壓的作用下達法拉第盤，從而使氨氣得以檢測。

在真空泵的作用下，一定量的漂氣和樣品氣被吸入遷移管，同時用質量流量計測量漂氣和尾氣的流量，二者流量之差即為採樣量。

大氣樣品在進入遷移管前經過空氣過濾器，除去大氣環境中的顆粒物。

離子遷移譜的電離源可以是鎳源或紫外燈電離源等。

遷移管溫度控制在150℃，溫度浮動範圍在1℃以內。

氣路所採用的導管均為四氟管，以減少氨殘留。

漂氣流速為400ml/min，尾氣排放氣的流速大於400ml/min，小於900ml/min。

在測量大氣環境中氨氣的過程，遷移管溫度維持在150℃即能將環境溼度的影響降至最低，又能避免降低儀器的解析度。

對大氣環境中的氨氣的檢測限可達0.1ppb

對大氣環境中的氨氣的線性範圍為1–1000ppb。

附圖說明

圖1為吸氣式離子遷移譜裝置圖，其中，1為真空泵，2為尾氣，3為流量計，4為Ni電離源，5為空氣過濾器，6為大氣樣品氣，7為法拉第盤，8為漂氣。

圖2為氨的離子遷移譜圖

圖3為遷移管溫度對測氨的影響

圖4為連續高速在線監測氨濃度變化

具體實施方式

所述離子遷移譜由電離源、遷移管、離子門、信號接收系統、質量流量計、真空泵、四氟管等組成。

圖1給出該發明的組成和氣路分布。

圖2為離子遷移譜的工作參數：遷移管溫度為150℃，漂氣流速為400ml/min，尾氣排放氣的流速為450ml/min，即採樣流量為50ml/min時，10ppb濃度氨氣標準氣的離子遷移譜圖。

通過改變遷移管的溫度，得到一系列該方法測氨的譜圖，如圖3所示。遷移管的溫度對方法測氨影響較大。在較低溫度下不利於氨的分離檢測，在高於150℃時造成解析度下降，因此遷移管的溫度宜維持在150℃。

在大氣環境中氨氣的濃度較低濃度時，可以採用增大尾氣排放氣流速，從而增大採樣量的方式，達到降低遷移譜的檢測限。在環境濃度較高時，可以通過減小尾氣的排放量，從而減小進樣量的方式，增大遷移譜的檢測上限。

通過改變進樣氣的相對溼度，考察大氣環境溼度的影響。結果表明該方法對環境溼度具有較強的免疫能力，信號強度在不同溼度環境中基本維持不變。

通過稀釋標準氣，配製一系列濃度氨氣，然後利用該方法測量，得到氨氣的校準曲線。

通過上百次連續在線監測不同濃度的氨氣，得到該方法的測量氨氣的相對標準偏差在1％以內。

氨和試劑離子峰的位置約在5ms左右，因此可在10ms以內完成一個採樣周期。為了使測量結果更為準確可靠，每5次測量結果做一平均，因此該方法的測量頻率最高可達20Hz。

在遷移管溫度為150℃，漂氣流速為400ml/min，尾氣排放氣的流速為450ml/min，即採樣流量為50ml/min，可作用於監測典型大氣環境中的氨氣。

圖4為上述條件，使用測量頻率為1Hz的情況下，連續在線監測一天的氨氣濃度分布圖。