一種大氣揮發(fā)性有機(jī)物取樣分析裝置及取樣分析方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種大氣揮發(fā)性有機(jī)物取樣分析裝置，包括低溫環(huán)境箱和大氣采樣器，低溫環(huán)境箱中設(shè)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(dǎo)體制冷片組，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(dǎo)體制冷片組，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(dǎo)體制冷片組。本發(fā)明還公開(kāi)了一種大氣揮發(fā)性有機(jī)物取樣分析方法，本發(fā)明的大氣揮發(fā)性有機(jī)物取樣分析裝置及取樣分析方法，能滿足對(duì)揮發(fā)性有機(jī)物含量在線監(jiān)測(cè)的需要，可用于大氣揮發(fā)性有機(jī)物含量的實(shí)地在線自動(dòng)檢測(cè)。
【專利說(shuō)明】一種大氣揮發(fā)性有機(jī)物取樣分析裝置及取樣分析方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及大氣環(huán)境檢測(cè)設(shè)備【技術(shù)領(lǐng)域】，具體地說(shuō)，涉及一種大氣揮發(fā)性有機(jī)物 取樣分析裝置及取樣分析方法。
【背景技術(shù)】
[0002]大氣中含有的揮發(fā)性，大多具有致畸、致癌、致突變等危害，并且是大氣光化學(xué)危 害、溫室效應(yīng)等現(xiàn)象的重要元兇，因此為了對(duì)大氣的污染程度及時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，對(duì)大氣揮發(fā) 性有機(jī)物含量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)顯得日益重要，尤其是對(duì)揮發(fā)性有機(jī)物含量進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)日益 重要。目前，對(duì)大氣揮發(fā)性有機(jī)物進(jìn)行檢測(cè)主要通過(guò)色譜分析完成。由于大氣中的揮發(fā)性 有機(jī)物種類(lèi)多，且濃度低，須進(jìn)行富集濃縮處理(即把大氣體中的微量物質(zhì)變?yōu)楣虘B(tài)縮小體 積)，才能達(dá)到分析儀器檢測(cè)的要求。而對(duì)于對(duì)揮發(fā)性有機(jī)物含量進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)來(lái)說(shuō)，對(duì)濃 縮系統(tǒng)要求較高，應(yīng)達(dá)到以下條件:不消耗制冷劑、富集解吸速度快，以便縮短自動(dòng)監(jiān)測(cè)的 分析周期。
[0003]目前，用于實(shí)驗(yàn)室揮發(fā)性有機(jī)物冷凝濃縮的裝置一般使用液氮制冷，即直接 把液氮噴入冷阱外部的蒸發(fā)器中，利用液氮蒸發(fā)吸收熱量來(lái)進(jìn)行制冷。例如中國(guó)專利 CN101337135中提出了一種低溫冷講，解決了冷凝劑的消耗問(wèn)題，并縮短了濃縮時(shí)間。但是， 該方法液氮消耗量大，制冷成本較高，同時(shí)液氮野外更換，儲(chǔ)存困難，且分析周期長(zhǎng)，為使用 和維護(hù)帶來(lái)極大不便，因此其不適合連續(xù)在線監(jiān)測(cè)。且目前技術(shù)中低溫冷阱中普遍使用多 孔性吸附劑，對(duì)揮發(fā)性有機(jī)物進(jìn)行低溫吸附后再快速熱解吸，在這個(gè)過(guò)程中，很容易產(chǎn)生交 叉污染以及“記憶效應(yīng)”。因此，目前的冷凝濃縮裝置及冷凝濃縮方法不能滿足對(duì)揮發(fā)性有 機(jī)物含量在線監(jiān)測(cè)的需要。另外，使用多孔性吸附劑吸附揮發(fā)性有機(jī)物，解吸時(shí)間長(zhǎng)，使整 個(gè)分析周期加長(zhǎng)，且易在不同樣品分析之間產(chǎn)生交叉污染問(wèn)題。再有，大氣中揮發(fā)性有機(jī)物 種類(lèi)繁多，在需要使用氣相色譜儀對(duì)大氣中的揮發(fā)性有機(jī)物含量進(jìn)行分析時(shí)，需要分析幾 十種乃至幾百種含碳類(lèi)物質(zhì)，目前氣相色譜儀多使用具有一毛細(xì)管分離柱的氣相色譜儀， 由于單個(gè)毛細(xì)管柱對(duì)大氣中的所有揮發(fā)性有機(jī)物選擇性差，造成分離效率低，一般需超過(guò) 60m長(zhǎng)的毛細(xì)管柱，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)的完全分離，造成要求系統(tǒng)進(jìn)樣壓力要求高，分析周期 長(zhǎng)等缺點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的第一個(gè)技術(shù)問(wèn)題是:提供一種不消耗制冷劑、富集解吸速度快 以及分析周期短的大氣揮發(fā)性有機(jī)物取樣分析裝置。
[0005]本發(fā)明所要解決的第二個(gè)技術(shù)問(wèn)題是:提供一種不消耗制冷劑、富集解吸速度快 以及分析周期短的大氣揮發(fā)性有機(jī)物取樣分析方法。
[0006]為解決上述第一個(gè)技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種大氣揮發(fā)性有機(jī)物取樣 分析裝置，包括:
[0007]低溫環(huán)境箱，所述低溫環(huán)境箱連接有壓縮機(jī)，所述低溫環(huán)境箱中設(shè)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(dǎo)體制冷片組，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(dǎo)體制冷片組，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(dǎo)體制冷片組，所述第三冷凝管上纏繞有第三加熱絲；
[0008]大氣采樣器，所述大氣采樣器的輸出端連接到質(zhì)量流量計(jì)的輸入端，所述質(zhì)量流 量計(jì)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(cè)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(cè)輸入端。
[0012]優(yōu)選的，所述低溫環(huán)境箱中設(shè)有第一制冷腔體、第二制冷腔體以及第三制冷腔體； 所述第一冷凝管以及所述第一加熱絲設(shè)置于所述第一制冷腔體中，所述第二冷凝管以及所 述第二加熱絲設(shè)置于所述第二制冷腔體中，所述第三冷凝管以及所述第三加熱絲設(shè)置于所 述第三制冷腔體中。
[0013]優(yōu)選的，所述第二多通閥的第二端和所述第三冷凝管的進(jìn)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(shè)有干燥管。
[0014]優(yōu)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(jìn)口端之間還連接有 壓力閥。
[0015]優(yōu)選的，所述第一半導(dǎo)體制冷片組包括兩個(gè)以上貼合在一起的且并聯(lián)電連接的半 導(dǎo)體制冷片，所述第二半導(dǎo)體制冷片組包括三個(gè)以上貼合在一起的且并聯(lián)電連接的半導(dǎo)體 制冷片，所述第三半導(dǎo)體制冷片組包括兩個(gè)以上貼合在一起的且并聯(lián)電連接的半導(dǎo)體制冷 片。
[0016]優(yōu)選的，所述第一制冷腔體、所述第二制冷腔體以及所述第三制冷腔體的外部分 別包裹有絕熱保溫材料。
[0017]優(yōu)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銹鋼冷凝管。
[0018]優(yōu)選的，所述載氣氣源和所述反吹氣源均為純度大于99.9%的惰性氣體。
[0019]為解決上述第二個(gè)技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種大氣揮發(fā)性有機(jī)物取樣 分析方法，包括以下步驟:
[0020]a.首先啟動(dòng)低溫環(huán)境箱，使其處于制冷狀態(tài)，使第一制冷腔體以及第一冷凝管達(dá) 到-40°C至_50°C的低溫，使第二制冷腔體以及第二冷凝管達(dá)到_145°C至_155°C的低溫，使 第三制冷腔體以及第三冷凝管達(dá)到_55°C至_65°C的低溫；
[0021]b.大氣揮發(fā)性有機(jī)物經(jīng)大氣采樣器采樣后，控制第一多通閥和第二多通閥，使大 氣采樣器與低溫環(huán)境箱連通，第一冷凝管與第二冷凝管連通，大氣樣品由質(zhì)量流量計(jì)定量 送入低溫環(huán)境箱中，首先進(jìn)入第一制冷腔體進(jìn)行冷凝，大氣樣品中的含六個(gè)碳原子及以上的揮發(fā)性有機(jī)化合物及水分，首先被冷凝在第一冷凝管內(nèi)，轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)；大氣樣品中含五個(gè) 碳原子及以下的揮發(fā)性有機(jī)物進(jìn)入第二冷凝管內(nèi)轉(zhuǎn)化為固態(tài)；而大氣中的其它氣體，并不 被冷凝為固態(tài)，而直接由第三多通閥排空；
[0022]c.待采樣達(dá)到所需量，平衡一段時(shí)間后，控制第一多通閥，控制第二多通閥，斷開(kāi) 質(zhì)量流量計(jì)與第一冷凝管的氣體流動(dòng)，使第一冷凝管與第三冷凝管連通，開(kāi)啟第一制冷腔 體內(nèi)的第一加熱絲，使第一制冷腔體內(nèi)的第一冷凝管的溫度升到50°C，并控制第一多通閥， 使載氣氣源與第一冷凝管連通；第一冷凝管內(nèi)被加熱到50°C，此時(shí)，水處于液態(tài)，而其它被 冷凝在第一冷凝管內(nèi)的揮發(fā)性有機(jī)物組分，經(jīng)加熱到50°C氣化后轉(zhuǎn)移到氣相中，并由載氣 氣源將其吹掃進(jìn)入第三冷凝管進(jìn)行低溫冷凝濃縮，載氣由第四多通閥排空；
[0023]d.5-10分鐘后，關(guān)閉第二多通閥和壓力閥，開(kāi)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(shí)第三冷凝管中的揮發(fā)性有機(jī)物全部轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，并由載氣氣源 載入第二色譜儀進(jìn)行檢測(cè)分析，完成大氣樣品中的含六個(gè)碳原子及以上的揮發(fā)性有機(jī)化合 物的檢測(cè)分析；
[0024]e.同時(shí)，在采樣量達(dá)到所設(shè)定量后，控制第二多通閥，保持第一冷凝管與第二冷凝 管的斷開(kāi)狀態(tài)，開(kāi)啟第二冷凝管上的第二加熱絲，使第二冷凝管內(nèi)的溫度提升到50°C，使 第二冷凝管中的固態(tài)揮發(fā)性有機(jī)物轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，并由載氣氣源載入第一色譜儀進(jìn)行檢測(cè)分 析，完成大氣樣品中含五個(gè)碳原子及以下的揮發(fā)性有機(jī)物的檢測(cè)分析；
[0025]f.完成上述過(guò)程后，停止低溫環(huán)境箱的制冷狀態(tài)，開(kāi)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，并 與第一冷凝管連通，進(jìn)行反吹清洗，反吹氣體由第一多通閥排空；
[0026]g.反吹過(guò)程完成后，關(guān)閉第一加熱絲、第二加熱絲以及第三加熱絲，并重新開(kāi)啟低 溫環(huán)境箱使其處于制冷狀態(tài)，使第一制冷腔體、第二制冷腔體以及第三制冷腔體達(dá)到所設(shè) 定溫度，為下次采樣及冷凝濃縮處理做好準(zhǔn)備。
[0027]優(yōu)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(kāi)質(zhì)量流量計(jì)與第一冷凝管的氣體流 動(dòng)，使第一冷凝管與半滲透膜除水管連通，開(kāi)啟壓力閥使半滲透膜除水管中保持一定的正 壓，開(kāi)啟第一制冷腔體內(nèi)的第一加熱絲，使第一制冷腔體內(nèi)的第一冷凝管的溫度升到50°C， 并控制第一多通閥，使載氣氣源與第一冷凝管連通；第一冷凝管內(nèi)被加熱到50°C，此時(shí)，水 處于液態(tài)，而其它被冷凝在第一冷凝管內(nèi)的揮發(fā)性有機(jī)物組分，經(jīng)加熱到50°C氣化后轉(zhuǎn)移 到氣相中，并由載氣氣源將其吹掃進(jìn)半滲透膜除水管中進(jìn)一步除水，載氣由第二多通閥排 空。
[0029]采用了上述技術(shù)方案后，本發(fā)明的有益效果是:
[0030]1.由于本發(fā)明的大氣揮發(fā)性有機(jī)物取樣分析裝置及取樣分析方法，采用的是半導(dǎo) 體制冷技術(shù)，而半導(dǎo)體制冷技術(shù)利用半導(dǎo)體材料的帕爾貼效應(yīng)制冷，并不需要制冷劑，通電 后直接制冷。半導(dǎo)體制冷具有可連續(xù)制冷、制冷速度快、無(wú)震動(dòng)噪音、壽命長(zhǎng)、安裝維護(hù)方便 等優(yōu)點(diǎn)，還能實(shí)現(xiàn)精確制冷，便于使用自動(dòng)控制系統(tǒng)控制制冷過(guò)程。這種技術(shù)的制冷系統(tǒng)能 夠滿足對(duì)揮發(fā)性有機(jī)物含量在線監(jiān)測(cè)的需要。因此應(yīng)用這種制冷技術(shù)的本發(fā)明的大氣揮發(fā) 性有機(jī)物取樣分析裝置及取樣分析方法，克服了傳統(tǒng)的低溫冷凝裝置的由于需要液氮制冷及多孔性吸附劑而存在的缺陷:液氮消耗量大，制冷成本較高，同時(shí)液氮野外更換，儲(chǔ)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(shí)間長(zhǎng)，從而造成分析周期長(zhǎng)等缺 點(diǎn)，可用于大氣揮發(fā)性有機(jī)物含量的實(shí)地在線自動(dòng)檢測(cè)。另外，本發(fā)明的大氣揮發(fā)性有機(jī)物 取樣分析裝置在工作過(guò)程中，通過(guò)第一多通閥、第二多通閥、第三多通閥以及第四多通閥的 開(kāi)關(guān)控制以及第一冷阱、第二冷阱以及第三冷阱不同溫度的設(shè)置，使得大氣中含六個(gè)碳原 子及以上的揮發(fā)性有機(jī)物通過(guò)第一冷阱和第三冷阱后進(jìn)入第二色譜儀進(jìn)行檢測(cè)分析。而大 氣中其余的揮發(fā)性有機(jī)物通過(guò)第二冷阱后進(jìn)入第一色譜儀進(jìn)行檢測(cè)分析，而該設(shè)置可對(duì)第 一和第二色譜儀采用不同性質(zhì)的毛細(xì)管柱及不同類(lèi)型的檢測(cè)器，增加了整個(gè)分析系統(tǒng)對(duì)不 同性質(zhì)揮發(fā)性有機(jī)物的響應(yīng)度。
[0031]2.由于所述第二多通閥的第二端和所述第三冷凝管的進(jìn)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(shè)有干燥管。因此本發(fā)明的大氣揮發(fā)性有機(jī)物取 樣分析裝置及取樣分析方法通過(guò)分段冷凝濃縮與半滲透除水技術(shù)相結(jié)合，使得大氣中的含 六個(gè)碳原子至含十二個(gè)碳原子的揮發(fā)性有機(jī)物經(jīng)過(guò)半滲透膜除水管時(shí)，進(jìn)一步除去其中的 水分，最大可能的消除了水分對(duì)色譜分析的的影響，使其進(jìn)入第二色譜儀后檢測(cè)分析的結(jié) 果更加精確。
[0032]3.由于本發(fā)明中的第一冷凝管、第二冷凝管以及第三冷凝管均采用不銹鋼冷凝 管，因此在冷凝過(guò)程中，組分直接在不銹鋼鋼管上冷凝，而非在傳統(tǒng)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污染以及系統(tǒng)的“記憶”效應(yīng)。
[0033]4.由于本發(fā)明的大氣揮發(fā)性有機(jī)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(duì)第一冷凝管、第二冷凝管以及第三冷凝管進(jìn)行反吹，而冷凝管內(nèi)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(shí)間內(nèi)可完成系統(tǒng)的自清洗，縮 短分析周期。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0034]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明:
[0035]圖1是本發(fā)明的大氣揮發(fā)性有機(jī)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(huán)境箱；2、第一制冷腔體；21、第一冷凝管；22、第一加熱絲；3、第一 半導(dǎo)體制冷片組；4、第二制冷腔體；41、第二冷凝管；42、第二加熱絲；5、第二半導(dǎo)體制冷片 組；6、第三制冷腔體；61、第三冷凝管；62、第三加熱絲；7、第三半導(dǎo)體制冷片組；8、大氣采 樣器；9、質(zhì)量流量計(jì)；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(jī)；19、半導(dǎo)體制冷 片；20、半滲透膜除水管；30、干燥管；40、壓力閥。
【具體實(shí)施方式】
[0037]圖1是本發(fā)明的大氣揮發(fā)性有機(jī)物取樣分析裝置及取樣分析方法的原理示意圖， 參照?qǐng)D1，本發(fā)明的大氣揮發(fā)性有機(jī)物取樣分析裝置，包括低溫環(huán)境箱I和大氣采樣器8，大 氣采樣器8具有除塵功能。
[0038]低溫環(huán)境箱I連接有壓縮機(jī)，低溫環(huán)境箱I中設(shè)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(dǎo)體制冷片組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(dǎo) 體制冷片組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(dǎo)體制冷片組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均采用不銹鋼材料制成，內(nèi)表面經(jīng)鈍化處理。因此在冷凝 過(guò)程中，組分直接在不銹鋼鋼管上冷凝，而非在傳統(tǒng)的多孔性吸附材料上冷凝，熱解吸速率 快，并最大可能的避免了交叉污染以及系統(tǒng)的“記憶”效應(yīng)。
[0039]大氣采樣器8的輸出端連接到質(zhì)量流量計(jì)9的輸入端，質(zhì)量流量計(jì)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(jìn)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(jìn)口端連接，第二多通閥12的第二端與第三冷凝管61的進(jìn)口端連接。 本實(shí)施例中，第二多通閥12的第二端與第三冷凝管61的進(jìn)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(shè)有干燥管30，半滲透膜除水管20的出口端與第 三冷凝管61的進(jìn)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(guò)Nafion半滲透膜壁滲透，隨后蒸發(fā)進(jìn)入周?chē)諝庵?，我們把這一過(guò)程稱為“滲透蒸 發(fā)”，起到了除水的功能，管內(nèi)外的濕度梯度驅(qū)動(dòng)了整個(gè)過(guò)程。而壓力閥40保持了 Nafion 半滲透膜管內(nèi)在工作時(shí)保持一定的正壓。使Nafion半滲透膜管對(duì)大氣中的揮發(fā)性有機(jī)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(cè)輸入端。本發(fā)明 的大氣揮發(fā)性有機(jī)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(duì)第一冷凝管、 第二冷凝管以及第三冷凝管進(jìn)行反吹，吹掃速度快，極大地提高了熱解吸速率，在很短的時(shí) 間內(nèi)可完成系統(tǒng)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(cè)輸入端。
[0043]第一色譜儀16和第二色譜儀17為兩個(gè)獨(dú)立的色譜儀分析系統(tǒng)，內(nèi)裝不同性質(zhì)的 毛細(xì)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(zhì)譜聯(lián)用儀。
[0044]低溫環(huán)境箱I中設(shè)有第一制冷腔體2、第二制冷腔體4以及第三制冷腔體6 ;第一 冷凝管21以及第一加熱絲22設(shè)置于第一制冷腔體2中，第二冷凝管41以及第二加熱絲42 設(shè)置于第二制冷腔體4中；第三冷凝管61以及第三加熱絲62設(shè)置于第三制冷腔體6中。 本實(shí)施例中，根據(jù)揮發(fā)性有機(jī)物冷凝溫度的需要，第一半導(dǎo)體制冷片組3包括兩個(gè)以上貼 合在一起的且并聯(lián)電連接的半導(dǎo)體制冷片19，第二半導(dǎo)體制冷片組5包括數(shù)量三個(gè)以上貼 合在一起的且并聯(lián)電連接的的半導(dǎo)體制冷片19，第三半導(dǎo)體制冷片組7包括兩個(gè)以上貼合 在一起的且并聯(lián)電連接的半導(dǎo)體制冷片19。其中，由第一制半導(dǎo)體冷片組3為第一制冷腔 體2提供制冷，由第二半導(dǎo)體制冷片組5為第二制冷腔體4提供制冷，由第三半導(dǎo)體制冷片 組7為第三制冷腔體6提供制冷。
[0045]本實(shí)施例中，第一制冷腔體2、第二制冷腔體4以及第三制冷腔體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均為純度大于99.9%的惰性氣體。本實(shí)施例中，載氣氣源11和反吹氣源15均為純度大于99.9%的氦氣。當(dāng)然，也可以采用其它的惰性氣體。其中，載氣的意義:在氣相色譜法中，流動(dòng)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(jīng)氣化后的樣品氣體一起進(jìn)入色譜柱進(jìn)行分離，再將被分離后的各組分載入檢測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)，最后流出冷凝系統(tǒng)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]采用本發(fā)明的大氣揮發(fā)性有機(jī)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(dòng)低溫環(huán)境箱1，使其處于制冷狀態(tài)，使第一制冷腔體2以及第一冷凝管21達(dá)到-40°C至_50°C的低溫，使第二制冷腔體4以及第二冷凝管41達(dá)到_145°C至_155°C的低溫，使第三制冷腔體6以及第三冷凝管61達(dá)到_55°C至_65°C的低溫；
[0049]b.大氣揮發(fā)性有機(jī)物經(jīng)大氣采樣器8采樣后，控制第一多通閥10和第二多通閥12，使大氣采樣器8與低溫環(huán)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(zhì)量流量計(jì)9定量送入低溫環(huán)境箱I中，首先進(jìn)入第一制冷腔體2進(jìn)行冷凝，大氣樣品中的含六個(gè)碳原子及以上的揮發(fā)性有機(jī)化合物及水分的沸點(diǎn)較高，首先被冷凝在第一冷凝管21內(nèi)，轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)；而沸點(diǎn)較低的揮發(fā)性有機(jī)物，主要是含五個(gè)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(fā)性有機(jī)物組分，進(jìn)入第二冷凝管41內(nèi)轉(zhuǎn)化為固態(tài)；而大氣中的其它永久性氣體，比如氮?dú)狻⒀鯕獾?，由于沸點(diǎn)更低，并不被冷凝為固態(tài)，而直接由第三多通閥13排空；
[0050]c.待采樣達(dá)到所需量，平衡一段時(shí)間后，控制第一多通閥10，控制第二多通閥12，斷開(kāi)質(zhì)量流量計(jì)9與第一冷凝管21的氣體流動(dòng)，使第一冷凝管21與半滲透膜除水管20連通，開(kāi)啟壓力閥40使半滲透膜除水管20中保持一定的正壓，開(kāi)啟第一制冷腔體2內(nèi)的第一加熱絲22，使第一制冷腔體I內(nèi)的第一冷凝管21的溫度升到50°C，并控制第一多通閥10，使載氣氣源11與第一冷凝管21連通；第一冷凝管21內(nèi)被加熱到50°C，此時(shí)，水處于液態(tài)，蒸汽壓很低，而其它被冷凝在第一冷凝管21內(nèi)的揮發(fā)性有機(jī)物組分，經(jīng)加熱到50°C氣化后轉(zhuǎn)移到氣相中，并由載氣氣源11將其吹掃進(jìn)半滲透膜除水管20中進(jìn)一步除水，然后進(jìn)入第三冷凝器管61進(jìn)行低溫冷凝濃縮，載氣由第四多通閥14排空；
[0051]d.5-10分鐘后，關(guān)閉第二多通閥12和壓力閥40，開(kāi)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(shí)第三冷凝管61中的揮發(fā)性有機(jī)物全部轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，并由載氣氣源11載入第二色譜儀17進(jìn)行檢測(cè)分析，完成大氣樣品中的含六個(gè)碳原子及以上的揮發(fā)性有機(jī)化合物的檢測(cè)分析；
[0052]e.同時(shí)，在采樣量達(dá)到所設(shè)定量后，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(kāi)狀態(tài)，開(kāi)啟第二冷凝管41上的第二加熱絲42，使第二冷凝管41內(nèi)的溫度提升到50°C，使第二冷凝管41中的固態(tài)揮發(fā)性有機(jī)物轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，并由載氣氣源11載入第一色譜儀16進(jìn)行檢測(cè)分析，完成大氣樣品中含五個(gè)碳原子及以下的揮發(fā)性有機(jī)物的檢測(cè)分析；
[0053]f.完成上述過(guò)程后，停止低溫環(huán)境箱I的制冷狀態(tài)，開(kāi)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，并與第一冷凝管21連通，進(jìn)行反吹清洗，反吹氣體由第一多通閥10排空；
[0054]g.反吹過(guò)程完成后，關(guān)閉第一加熱絲22、第二加熱絲42以及第三加熱絲62，并重新開(kāi)啟低溫環(huán)境箱I使其處于制冷狀態(tài)，使第一制冷腔體2、第二制冷腔體4以及第三制冷腔體6達(dá)到所設(shè)定溫度，為下次采樣及冷凝濃縮處理做好準(zhǔn)備。
[0055]從本發(fā)明的大氣揮發(fā)性有機(jī)物取樣分析裝置及取樣分析方法的上述工作過(guò)程可以看出，本發(fā)明的大氣揮發(fā)性有機(jī)物取樣分析裝置，采用的是半導(dǎo)體制冷技術(shù)，而半導(dǎo)體制冷技術(shù)利用半導(dǎo)體材料的帕爾貼效應(yīng)制冷，并不需要制冷劑，通電后直接制冷。半導(dǎo)體制冷具有可連續(xù)制冷、制冷速度快、無(wú)震動(dòng)噪音、壽命長(zhǎng)、安裝維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，還能實(shí)現(xiàn)精確制冷，便于使用自動(dòng)控制系統(tǒng)控制制冷過(guò)程。同時(shí)，本發(fā)明專利所采用的冷凝管為中空的不銹鋼管，并不需要填充傳統(tǒng)的多孔性吸附材料；這種技術(shù)的制冷系統(tǒng)能夠滿足對(duì)揮發(fā)性有機(jī)物在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需要。因此應(yīng)用這種制冷技術(shù)的本發(fā)明的大氣揮發(fā)性有機(jī)物取樣分析裝置，克服了傳統(tǒng)的低溫冷凝裝置的由于需要液氮制冷而存在的缺陷:液氮消耗量大，制冷成本較高，同時(shí)液氮野外更換，儲(chǔ)存困難；同時(shí)，中空的不銹鋼管熱解吸速率快，吹掃容易，使系統(tǒng)清洗時(shí)間短，縮短了分析測(cè)試周期，可用于大氣揮發(fā)性有機(jī)物含量的實(shí)地在線自動(dòng)檢測(cè)。
[0056]另外，本發(fā)明的大氣揮發(fā)性有機(jī)物取樣分析裝置在工作過(guò)程中，通過(guò)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(kāi)關(guān)控制以及第一冷阱、第二冷阱以及第三冷阱不同溫度的設(shè)置，使得大氣中含六個(gè)碳原子及以上的揮發(fā)性有機(jī)物通過(guò)第一冷阱和第三冷阱后進(jìn)入第二色譜儀17進(jìn)行檢測(cè)分析。而大氣中其余的揮發(fā)性有機(jī)物通過(guò)第二冷阱后進(jìn)入第一色譜儀16進(jìn)行檢測(cè)分析。由此可以看出，本發(fā)明的大氣揮發(fā)性有機(jī)物取樣分析裝置及取樣分析方法可以將大氣中的揮發(fā)性有機(jī)物分成兩類(lèi)后分別進(jìn)入兩個(gè)色譜儀進(jìn)行檢測(cè)分析，而兩個(gè)色譜儀可采用不同性質(zhì)的色譜柱及不同類(lèi)型的檢測(cè)器，提高了色譜儀對(duì)不同揮發(fā)性有機(jī)物的響應(yīng)度，并提高了檢測(cè)分析精度。
[0057]本發(fā)明的大氣揮發(fā)性有機(jī)物取樣分析裝置及取樣分析方法通過(guò)分段冷凝濃縮與半滲透除水技術(shù)相結(jié)合，使得大氣中的含六個(gè)碳原子及以上的揮發(fā)性有機(jī)物經(jīng)過(guò)半滲透膜除水管20時(shí)，進(jìn)一步除去其中的水分，消除了水分對(duì)色譜分析的影響，使其進(jìn)入第二色譜儀17后檢測(cè)分析的結(jié)果更加精確。
[0058]以上所述為本發(fā)明最佳實(shí)施方式的舉例，其中未詳細(xì)述及的部分均為本領(lǐng)域普通技術(shù)人員的公知常識(shí)。本發(fā)明的保護(hù)范圍以權(quán)利要求的內(nèi)容為準(zhǔn)，任何基于本發(fā)明的技術(shù)啟示而進(jìn)行的等效變換，也在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種大氣揮發(fā)性有機(jī)物取樣分析裝置，其特征在于，包括:低溫環(huán)境箱，所述低溫環(huán)境箱連接有壓縮機(jī)，所述低溫環(huán)境箱中設(shè)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(dǎo)體制冷片組，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(dǎo)體制冷片組，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(dǎo)體制冷片組，所述第三冷凝管上纏繞有第三加熱絲；大氣采樣器，所述大氣采樣器的輸出端連接到質(zhì)量流量計(jì)的輸入端，所述質(zhì)量流量計(jì)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(cè)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(cè)輸入端。
2.如權(quán)利要求1所述的大氣揮發(fā)性有機(jī)物取樣分析裝置，其特征在于:所述低溫環(huán)境箱中設(shè)有第一制冷腔體、第二制冷腔體以及第三制冷腔體；所述第一冷凝管以及所述第一加熱絲設(shè)置于所述第一制冷腔體中，所述第二冷凝管以及所述第二加熱絲設(shè)置于所述第二制冷腔體中，所述第三冷凝管以及所述第三加熱絲設(shè)置于所述第三制冷腔體中。
3.如權(quán)利要求1所述的大氣揮發(fā)性有機(jī)物取樣分析裝置，其特征在于:所述第二多通閥的第二端和所述第三冷凝管的進(jìn)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(shè)有干燥管。
4.如權(quán)利要求3所述的大氣揮發(fā)性有機(jī)物取樣分析裝置，其特征在于:所述半滲透膜除水管的出口端與所述第三冷凝管的進(jìn)口端之間還連接有壓力閥。
5.如權(quán)利要求1所述的大氣揮發(fā)性有機(jī)物取樣分析裝置，其特征在于:所述第一半導(dǎo)體制冷片組包括兩個(gè)以上貼合在一起的且并聯(lián)電連接的半導(dǎo)體制冷片，所述第二半導(dǎo)體制冷片組包括三個(gè)以上貼合在一起的且并聯(lián)電連接的半導(dǎo)體制冷片，所述第三半導(dǎo)體制冷片組包括兩個(gè)以上貼合在一起的且并聯(lián)電連接的半導(dǎo)體制冷片。
6.如權(quán)利要求2所述的大氣揮發(fā)性有機(jī)物取樣分析裝置，其特征在于:所述第一制冷腔體、所述第二制冷腔體以及所述第三制冷腔體的外部分別包裹有絕熱保溫材料。
7.如權(quán)利要求1所述的大氣揮發(fā)性有機(jī)物取樣分析裝置，其特征在于: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銹鋼冷凝管。
8.如權(quán)利要求1至7任一項(xiàng)所述的大氣揮發(fā)性有機(jī)物取樣分析裝置，其特征在于:所述載氣氣源和所述反吹氣源均為純度大于99.9%的惰性氣體。
9.采用權(quán)利要求1所述的大氣揮發(fā)性有機(jī)物取樣分析裝置的取樣分析方法，其特征在于，包括以下步驟:a.首先啟動(dòng)低溫環(huán)境箱，使其處于制冷狀態(tài)，使第一制冷腔體以及第一冷凝管達(dá)到-40°C至_50°C的低溫，使第二制冷腔體以及第二冷凝管達(dá)到_145°C至_155°C的低溫，使第三制冷腔體以及第三冷凝管達(dá)到_55°C至_65°C的低溫；b.大氣揮發(fā)性有機(jī)物經(jīng)大氣米樣器米樣后，控制第一多通閥和第二多通閥，使大氣米樣器與低溫環(huán)境箱連通，第一冷凝管與第二冷凝管連通，大氣樣品由質(zhì)量流量計(jì)定量送入低溫環(huán)境箱中，首先進(jìn)入第一制冷腔體進(jìn)行冷凝，大氣樣品中的含六個(gè)碳原子及以上的揮發(fā)性有機(jī)化合物及水分，首先被冷凝在第一冷凝管內(nèi)，轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)；大氣樣品中含五個(gè)碳原子及以下的揮發(fā)性有機(jī)物進(jìn)入第二冷凝管內(nèi)轉(zhuǎn)化為固態(tài)；而大氣中的其它氣體，并不被冷凝為固態(tài)，而直接由第三多通閥排空；c.待采樣達(dá)到所需量，平衡一段時(shí)間后，控制第一多通閥，控制第二多通閥，斷開(kāi)質(zhì)量流量計(jì)與第一冷凝管的氣體流動(dòng)，使第一冷凝管與第三冷凝管連通，開(kāi)啟第一制冷腔體內(nèi)的第一加熱絲，使第一制冷腔體內(nèi)的第一冷凝管的溫度升到50°C，并控制第一多通閥，使載氣氣源與第一冷凝管連通；第一冷凝管內(nèi)被加熱到50°C，此時(shí)，水處于液態(tài)，而其它被冷凝在第一冷凝管內(nèi)的揮發(fā)性有機(jī)物組分，經(jīng)加熱到50°C氣化后轉(zhuǎn)移到氣相中，并由載氣氣源將其吹掃進(jìn)入第三冷凝管進(jìn)行低溫冷凝濃縮，載氣由第四多通閥排空；d.5-10分鐘后，關(guān)閉第二多通閥和壓力閥，開(kāi)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(shí)第三冷凝管中的揮發(fā)性有機(jī)物全部轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，并由載氣氣源載入第二色譜儀進(jìn)行檢測(cè)分析，完成大氣樣品中的含六個(gè)碳原子及以上的揮發(fā)性有機(jī)化合物的檢測(cè)分析；e.同時(shí)，在采樣量達(dá)到所設(shè)定量后，控制第二多通閥，保持第一冷凝管與第二冷凝管的斷開(kāi)狀態(tài)，開(kāi)啟第二冷凝管上的第二加熱絲，使第二冷凝管內(nèi)的溫度提升到50°C，使第二冷凝管中的固態(tài)揮發(fā)性有機(jī)物轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，并由載氣氣源載入第一色譜儀進(jìn)行檢測(cè)分析，完成大氣樣品中含五個(gè)碳原子及以下的揮發(fā)性有機(jī)物的檢測(cè)分析；f.完成上述過(guò)程后，停止低溫環(huán)境箱的制冷狀態(tài)，開(kāi)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，并與第一冷凝管連通，進(jìn)行反吹清洗，反吹氣體由第一多通閥排空；g.反吹過(guò)程完成后，關(guān)閉第一加熱絲、第二加熱絲以及第三加熱絲，并重新開(kāi)啟低溫環(huán)境箱使其處于制冷狀態(tài)，使第一制冷腔體、第二制冷腔體以及第三制冷腔體達(dá)到所設(shè)定溫度，為下次采樣及冷凝濃縮處理做好準(zhǔn)備。
10.如權(quán)利要求9所述的大氣揮發(fā)性有機(jī)物取樣分析裝置的取樣分析方法，其特征在于，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(kāi)質(zhì)量流量計(jì)與第一冷凝管的氣體流動(dòng)，使第一冷凝管與半滲透膜除水管連通，開(kāi)啟壓力閥使半滲透膜除水管中保持一定的正壓，開(kāi)啟第一制冷腔體內(nèi)的第一加熱絲，使第一制冷腔體內(nèi)的第一冷凝管的溫度升到50°C，并控制第一多通閥，使載氣氣源與第一冷凝管連通；第一冷凝管內(nèi)被加熱到50°C，此時(shí)，水處于液態(tài)，而其它被冷凝在第一冷凝管內(nèi)的揮發(fā)性有機(jī)物組分，經(jīng)加熱到50°C氣化后轉(zhuǎn)移到氣相中，并由載氣氣源將其吹掃進(jìn)半滲透膜除水管中進(jìn)一步除水，載氣由第二多通閥排空。
【文檔編號(hào)】G01N30/08GK103499662SQ201310438314
【公開(kāi)日】2014年1月8日 申請(qǐng)日期:2013年9月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月12日
【發(fā)明者】馬海斌, 沈建強(qiáng) 申請(qǐng)人:蘇州威陽(yáng)環(huán)保科技有限公司