CN203443939U - 一种大气挥发性有机物取样分析装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种大气挥发性有机物取样分析装置，包括低温环境箱和大气采样器，低温环境箱中设有低温冷阱装置，低温冷阱装置包括第一冷阱、第二冷阱以及第三冷阱，第一冷阱包括第一冷凝管、以及第一半导体制冷片组，第一冷凝管上缠绕有第一加热丝；第二冷阱包括第二冷凝管、以及第二半导体制冷片组，第二冷凝管上缠绕有第二加热丝；第三冷阱包括第三冷凝管、以及第三半导体制冷片组。本实用新型的大气挥发性有机物取样分析装置，能满足对挥发性有机物含量在线监测的需要，可用于大气挥发性有机物含量的实地在线自动检测。

Description

一种大气挥发性有机物取样分析装置

技术领域

本实用新型涉及大气环境检测设备技术领域，具体地说，涉及一种大气挥发性有机物取样分析装置。

背景技术

大气中含有的挥发性，大多具有致畸、致癌、致突变等危害，并且是大气光化学危害、温室效应等现象的重要元凶，因此为了对大气的污染程度及时监测与控制，对大气挥发性有机物含量进行实时检测显得日益重要，尤其是对挥发性有机物含量进行在线监测日益重要。目前，对大气挥发性有机物进行检测主要通过色谱分析完成。由于大气中的挥发性有机物种类多，且浓度低，须进行富集浓缩处理（即把大气体中的微量物质变为固态缩小体积），才能达到分析仪器检测的要求。而对于对挥发性有机物含量进行在线监测来说，对浓缩系统要求较高，应达到以下条件：不消耗制冷剂、富集解吸速度快，以便缩短自动监测的分析周期。

目前，用于实验室挥发性有机物冷凝浓缩的装置一般使用液氮制冷，即直接把液氮喷入冷阱外部的蒸发器中，利用液氮蒸发吸收热量来进行制冷。例如中国专利CN101337135中提出了一种低温冷阱，解决了冷凝剂的消耗问题，并缩短了浓缩时间。但是，该方法液氮消耗量大，制冷成本较高，同时液氮野外更换，储存困难，且分析周期长，为使用和维护带来极大不便，因此其不适合连续在线监测。且目前技术中低温冷阱中普遍使用多孔性吸附剂，对挥发性有机物进行低温吸附后再快速热解吸，在这个过程中，很容易产生交叉污染以及“记忆效应”。因此，目前的冷凝浓缩装置及冷凝浓缩方法不能满足对挥发性有机物含量在线监测的需要。另外，使用多孔性吸附剂吸附挥发性有机物，解吸时间长，使整个分析周期加长，且易在不同样品分析之间产生交叉污染问题。再有，大气中挥发性有机物种类繁多，在需要使用气相色谱仪对大气中的挥发性有机物含量进行分析时，需要分析几十种乃至几百种含碳类物质，目前气相色谱仪多使用具有一毛细管分离柱的气相色谱仪，由于单个毛细管柱对大气中的所有挥发性有机物选择性差，造成分离效率低，一般需超过60m长的毛细管柱，才能实现对物质的完全分离，造成要求系统进样压力要求高，分析周期长等缺点。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种不消耗制冷剂、富集解吸速度快以及分析周期短的大气挥发性有机物取样分析装置。

为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是：一种大气挥发性有机物取样分析装置，包括：

低温环境箱，所述低温环境箱连接有压缩机，所述低温环境箱中设有低温冷阱装置，所述低温冷阱装置包括第一冷阱、第二冷阱以及第三冷阱，所述第一冷阱包括第一冷凝管、以及第一半导体制冷片组，所述第一冷凝管上缠绕有第一加热丝；所述第二冷阱包括第二冷凝管、以及第二半导体制冷片组，所述第二冷凝管上缠绕有第二加热丝；所述第三冷阱包括第三冷凝管、以及第三半导体制冷片组，所述第三冷凝管上缠绕有第三加热丝；

大气采样器，所述大气采样器的输出端连接到质量流量计的输入端，所述质量流量计的输出端连接到第一多通阀的第一端，所述第一多通阀的第二端连接有载气气源，所述第一多通阀的第三端连接到所述第一冷凝管的进口端；

所述第一冷凝管的出口端连接到第二多通阀的第三端，所述第二多通阀的第一端与所述第二冷凝管的进口端连接，所述第二多通阀的第二端与所述第三冷凝管的进口端连接；

所述第二冷凝管的出口端连接到第三多通阀的第三端，所述第三多通阀的第一端与反吹气源连接，所述第三多通阀的第二端连接到第一色谱仪的检测输入端；

所述第三冷凝管的出口端连接到第四多通阀的第三端，所述第四多通阀的第一端与所述反吹气源连接，所述第四多通阀的第二端连接到第二色谱仪的检测输入端。

优选的，所述低温环境箱中设有第一制冷腔体、第二制冷腔体以及第三制冷腔体；所述第一冷凝管以及所述第一加热丝设置于所述第一制冷腔体中，所述第二冷凝管以及所述第二加热丝设置于所述第二制冷腔体中，所述第三冷凝管以及所述第三加热丝设置于所述第三制冷腔体中。

优选的，所述第二多通阀的第二端和所述第三冷凝管的进口端之间还连接有半渗透膜除水管，所述半渗透膜除水管外部套设有干燥管。

优选的，所述半渗透膜除水管的出口端与所述第三冷凝管的进口端之间还连接有压力阀。

优选的，所述第一半导体制冷片组包括两个以上贴合在一起的且并联电连接的半导体制冷片，所述第二半导体制冷片组包括三个以上贴合在一起的且并联电连接的半导体制冷片，所述第三半导体制冷片组包括两个以上贴合在一起的且并联电连接的半导体制冷片。

优选的，所述第一制冷腔体、所述第二制冷腔体以及所述第三制冷腔体的外部分别包裹有绝热保温材料。

优选的，所述第一冷凝管、所述第二冷凝管以及所述第三冷凝管均为不锈钢冷凝管。

优选的，所述载气气源和所述反吹气源均为纯度大于99.9%的惰性气体。

采用了上述技术方案后，本实用新型的有益效果是：

1.由于本实用新型的大气挥发性有机物取样分析装置，采用的是半导体制冷技术，而半导体制冷技术利用半导体材料的帕尔贴效应制冷，并不需要制冷剂，通电后直接制冷。半导体制冷具有可连续制冷、制冷速度快、无震动噪音、寿命长、安装维护方便等优点，还能实现精确制冷，便于使用自动控制系统控制制冷过程。这种技术的制冷系统能够满足对挥发性有机物含量在线监测的需要。因此应用这种制冷技术的本实用新型的大气挥发性有机物取样分析装置，克服了传统的低温冷凝装置的由于需要液氮制冷及多孔性吸附剂而存在的缺陷：液氮消耗量大，制冷成本较高，同时液氮野外更换，储存困难；多孔性吸附剂热解吸速率慢，组份残留高，所需吹扫时间长，从而造成分析周期长等缺点，可用于大气挥发性有机物含量的实地在线自动检测。另外，本实用新型的大气挥发性有机物取样分析装置在工作过程中，通过第一多通阀、第二多通阀、第三多通阀以及第四多通阀的开关控制以及第一冷阱、第二冷阱以及第三冷阱不同温度的设置，使得大气中含六个碳原子及以上的挥发性有机物通过第一冷阱和第三冷阱后进入第二色谱仪进行检测分析。而大气中其余的挥发性有机物通过第二冷阱后进入第一色谱仪进行检测分析，而该设置可对第一和第二色谱仪采用不同性质的毛细管柱及不同类型的检测器，增加了整个分析系统对不同性质挥发性有机物的响应度。

2.由于所述第二多通阀的第二端和所述第三冷凝管的进口端之间还连接有半渗透膜除水管，所述半渗透膜除水管外部套设有干燥管。因此本实用新型的大气挥发性有机物取样分析装置通过分段冷凝浓缩与半渗透除水技术相结合，使得大气中的含六个碳原子至含十二个碳原子的挥发性有机物经过半渗透膜除水管时，进一步除去其中的水分，最大可能的消除了水分对色谱分析的的影响，使其进入第二色谱仪后检测分析的结果更加精确。

3.由于本实用新型中的第一冷凝管、第二冷凝管以及第三冷凝管均采用不锈钢冷凝管，因此在冷凝过程中，组分直接在不锈钢钢管上冷凝，而非在传统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间的交叉污染以及系统的“记忆”效应。

4.由于本实用新型的大气挥发性有机物取样分析装置使用高纯度的惰性气体对第一冷凝管、第二冷凝管以及第三冷凝管进行反吹，而冷凝管内不含多孔性吸附材料，吹扫速度快，极大地提高了热解吸速率，在很短的时间内可完成系统的自清洗，缩短分析周期。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明：

图1是本实用新型的大气挥发性有机物取样分析装置的原理示意图；

图中：1、低温环境箱；2、第一制冷腔体；21、第一冷凝管；22、第一加热丝；3、第一半导体制冷片组；4、第二制冷腔体；41、第二冷凝管；42、第二加热丝；5、第二半导体制冷片组；6、第三制冷腔体；61、第三冷凝管；62、第三加热丝；7、第三半导体制冷片组；8、大气采样器；9、质量流量计；10、第一多通阀；11、载气气源；12、第二多通阀；13、第三多通阀；14、第四多通阀；15、反吹气源；16、第一色谱仪；17、第二色谱仪；18、压缩机；19、半导体制冷片；20、半渗透膜除水管；30、干燥管；40、压力阀。

具体实施方式

图1是本实用新型的大气挥发性有机物取样分析装置的原理示意图，参照图1，本实用新型的大气挥发性有机物取样分析装置，包括低温环境箱1和大气采样器8，大气采样器8具有除尘功能。

低温环境箱1连接有压缩机，低温环境箱1中设有低温冷阱装置，低温冷阱装置包括第一冷阱、第二冷阱以及第三冷阱，第一冷阱包括第一冷凝管21、以及第一半导体制冷片组3，第一冷凝管21上缠绕有第一加热丝22；第二冷阱包括第二冷凝管41、以及第二半导体制冷片组5，第二冷凝管41上缠绕有第二加热丝42；第三冷阱包括第三冷凝管61、以及第三半导体制冷片组7，第三冷凝管61上缠绕有第三加热丝62。其中，第一冷凝管21、第二冷凝管41以及第三冷凝管61均采用不锈钢材料制成，内表面经钝化处理。因此在冷凝过程中，组分直接在不锈钢钢管上冷凝，而非在传统的多孔性吸附材料上冷凝，热解吸速率快，并最大可能的避免了交叉污染以及系统的“记忆”效应。

大气采样器8的输出端连接到质量流量计9的输入端，质量流量计9的输出端连接到第一多通阀10的第一端，第一多通阀10的第二端连接有载气气源11，第一多通阀10的第三端连接到第一冷凝管21的进口端。

第二冷凝管41的出口端连接到第二多通阀12的第三端，第二多通阀12的第一端与第二冷凝管41的进口端连接，第二多通阀12的第二端与第三冷凝管61的进口端连接。本实施例中，第二多通阀12的第二端与第三冷凝管61的进口端之间还连接有半渗透膜除水管20，半渗透膜除水管20的外部还套设有干燥管30，半渗透膜除水管20的出口端与第三冷凝管61的进口端之间还连接有压力阀40。半渗透膜除水管20为Nafion半渗透性膜，水通过Nafion半渗透膜壁渗透，随后蒸发进入周围空气中，我们把这一过程称为“渗透蒸发”，起到了除水的功能，管内外的湿度梯度驱动了整个过程。而压力阀40保持了Nafion半渗透膜管内在工作时保持一定的正压。使Nafion半渗透膜管对大气中的挥发性有机物起到了很好的除水效果。

第二冷凝管41的出口端连接到第三多通阀13的第三端，第三多通阀13的第一端与反吹气源15连接，第三多通阀13的第二端连接到第一色谱仪16的检测输入端。本实用新型的大气挥发性有机物冷凝浓缩取样装置及其分析系统使用高纯度的惰性气体对第一冷凝管、第二冷凝管以及第三冷凝管进行反吹，吹扫速度快，极大地提高了热解吸速率，在很短的时间内可完成系统的自清洗，缩短了分析周期。

第三冷凝管61的出口端连接到第四多通阀14的第三端，第四多通阀14的第一端与反吹气源15连接，第四多通阀14的第二端连接到第二色谱仪17的检测输入端。

第一色谱仪16和第二色谱仪17为两个独立的色谱仪分析系统，内装不同性质的毛细管柱。第一色谱仪16和第二色谱仪17均为气相色谱仪或气相色谱质谱联用仪。

低温环境箱1中设有第一制冷腔体2、第二制冷腔体4以及第三制冷腔体6；第一冷凝管21以及第一加热丝22设置于第一制冷腔体2中，第二冷凝管41以及第二加热丝42设置于第二制冷腔体4中；第三冷凝管61以及第三加热丝62设置于第三制冷腔体6中。本实施例中，根据挥发性有机物冷凝温度的需要，第一半导体制冷片组3包括两个以上贴合在一起的且并联电连接的半导体制冷片19，第二半导体制冷片组5包括数量三个以上贴合在一起的且并联电连接的的半导体制冷片19，第三半导体制冷片组7包括两个以上贴合在一起的且并联电连接的半导体制冷片19。其中，由第一制半导体冷片组3为第一制冷腔体2提供制冷，由第二半导体制冷片组5为第二制冷腔体4提供制冷，由第三半导体制冷片组7为第三制冷腔体6提供制冷。

本实施例中，第一制冷腔体2、第二制冷腔体4以及第三制冷腔体6的外部分别包裹有绝热保温材料。第一多通阀10、第二多通阀12、第三多通阀13以及第四多通阀14均为多通电磁阀。第一冷凝管21、第二冷凝管41以及第三冷凝管61呈直形、蛇形或螺旋形缠绕。

载气气源11和反吹气源15均为纯度大于99.9%的惰性气体。本实施例中，载气气源11和反吹气源15均为纯度大于99.9%的氦气。当然，也可以采用其它的惰性气体。其中，载气的意义：在气相色谱法中，流动相为气体，称其为载气。载气的作用是以一定的流速载带气体样品或经气化后的样品气体一起进入色谱柱进行分离，再将被分离后的各组分载入检测器进行检测，最后流出冷凝系统放空或收集，载气只是起载带作用而基本不参与分离作用。

采用本实用新型的大气挥发性有机物取样分析装置的取样分析方法包括以下步骤：

a.首先启动低温环境箱1，使其处于制冷状态，使第一制冷腔体2以及第一冷凝管21达到-40℃至-50℃的低温，最好是45℃，使第二制冷腔体4以及第二冷凝管41达到-145℃至-155℃的低温，最好是150℃，使第三制冷腔体6以及第三冷凝管61达到-55℃至-65℃的低温，最好是60℃；

b.大气挥发性有机物经大气采样器8采样后，控制第一多通阀10和第二多通阀12，使大气采样器8与低温环境箱1连通，第一冷凝管21与第二冷凝管41连通，大气样品由质量流量计9定量送入低温环境箱1中，首先进入第一制冷腔体2进行冷凝，大气样品中的含六个碳原子及以上的挥发性有机化合物及水分的沸点较高，首先被冷凝在第一冷凝管21内，转变为固态；而沸点较低的挥发性有机物，主要是含五个碳原子及以下的化合物，尤其是大气中含量较高的甲醛、甲醇以及甲烷等其它挥发性有机物组分，进入第二冷凝管41内转化为固态；而大气中的其它永久性气体，比如氮气、氧气等，由于沸点更低，并不被冷凝为固态，而直接由第三多通阀13排空；

c.待采样达到所需量，平衡一段时间后，控制第一多通阀10，控制第二多通阀12，断开质量流量计9与第一冷凝管21的气体流动，使第一冷凝管21与半渗透膜除水管20连通，开启压力阀40使半渗透膜除水管20中保持一定的正压，开启第一制冷腔体2内的第一加热丝22，使第一制冷腔体1内的第一冷凝管21的温度升到30℃，并控制第一多通阀10，使载气气源11与第一冷凝管21连通；第一冷凝管21内被加热到30℃，此时，水处于液态，蒸汽压很低，而其它被冷凝在第一冷凝管21内的挥发性有机物组分，经加热到30℃气化后转移到气相中，并由载气气源11将其吹扫进半渗透膜除水管20中进一步除水，然后进入第三冷凝器管61进行低温冷凝浓缩，载气由第四多通阀14排空；

d.5-10分钟后，关闭第二多通阀12和压力阀40，开启第三冷凝管61上的第三加热丝62，使第三冷凝管61加热到45℃至55℃，最好是50℃，此时第三冷凝管61中的挥发性有机物全部转变为气态，并由载气气源11载入第二色谱仪17进行检测分析，完成大气样品中的含六个碳原子及以上的挥发性有机化合物的检测分析；

e.同时，在采样量达到所设定量后，控制第二多通阀12，保持第一冷凝管21与第二冷凝管41的断开状态，开启第二冷凝管41上的第二加热丝42，使第二冷凝管41内的温度提升到45℃至55℃，最好是50℃，使第二冷凝管41中的固态挥发性有机物转变为气态，并由载气气源11载入第一色谱仪16进行检测分析，完成大气样品中含五个碳原子及以下的挥发性有机物的检测分析；

f.完成上述过程后，停止低温环境箱1的制冷状态，开启第一加热丝22、第二加热丝42及第三加热丝62，使第一冷凝管21、第二冷凝管41及第三冷凝管61温度升高到295℃至305℃，最好是300℃，控制第一多通阀10、第二多通阀12、第三多通阀13和第四多通阀14，使反吹气源15与第二冷凝管41以及第三冷凝管61连通，并与第一冷凝管21连通，进行反吹清洗，反吹气体由第一多通阀10排空；

g.反吹过程完成后，关闭第一加热丝22、第二加热丝42以及第三加热丝62，并重新开启低温环境箱1使其处于制冷状态，使第一制冷腔体2、第二制冷腔体4以及第三制冷腔体6达到所设定温度，为下次采样及冷凝浓缩处理做好准备。

从本实用新型的大气挥发性有机物取样分析装置上述工作过程可以看出，本实用新型的大气挥发性有机物取样分析装置，采用的是半导体制冷技术，而半导体制冷技术利用半导体材料的帕尔贴效应制冷，并不需要制冷剂，通电后直接制冷。半导体制冷具有可连续制冷、制冷速度快、无震动噪音、寿命长、安装维护方便等优点，还能实现精确制冷，便于使用自动控制系统控制制冷过程。同时，本实用新型专利所采用的冷凝管为中空的不锈钢管，并不需要填充传统的多孔性吸附材料；这种技术的制冷系统能够满足对挥发性有机物在线实时监测的需要。因此应用这种制冷技术的本实用新型的大气挥发性有机物取样分析装置，克服了传统的低温冷凝装置的由于需要液氮制冷而存在的缺陷：液氮消耗量大，制冷成本较高，同时液氮野外更换，储存困难；同时，中空的不锈钢管热解吸速率快，吹扫容易，使系统清洗时间短，缩短了分析测试周期，可用于大气挥发性有机物含量的实地在线自动检测。

另外，本实用新型的大气挥发性有机物取样分析装置在工作过程中，通过第一多通阀10、第二多通阀12、第三多通阀13以及第四多通阀14的开关控制以及第一冷阱、第二冷阱以及第三冷阱不同温度的设置，使得大气中含六个碳原子及以上的挥发性有机物通过第一冷阱和第三冷阱后进入第二色谱仪17进行检测分析。而大气中其余的挥发性有机物通过第二冷阱后进入第一色谱仪16进行检测分析。由此可以看出，本实用新型的大气挥发性有机物取样分析装置可以将大气中的挥发性有机物分成两类后分别进入两个色谱仪进行检测分析，而两个色谱仪可采用不同性质的色谱柱及不同类型的检测器，提高了色谱仪对不同挥发性有机物的响应度，并提高了检测分析精度。

本实用新型的大气挥发性有机物取样分析装置通过分段冷凝浓缩与半渗透除水技术相结合，使得大气中的含六个碳原子及以上的挥发性有机物经过半渗透膜除水管20时，进一步除去其中的水分，消除了水分对色谱分析的影响，使其进入第二色谱仪17后检测分析的结果更加精确。

以上所述为本实用新型最佳实施方式的举例，其中未详细述及的部分均为本领域普通技术人员的公知常识。本实用新型的保护范围以权利要求的内容为准，任何基于本实用新型的技术启示而进行的等效变换，也在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种大气挥发性有机物取样分析装置，其特征在于，包括：

低温环境箱，所述低温环境箱连接有压缩机，所述低温环境箱中设有低温冷阱装置，所述低温冷阱装置包括第一冷阱、第二冷阱以及第三冷阱，所述第一冷阱包括第一冷凝管、以及第一半导体制冷片组，所述第一冷凝管上缠绕有第一加热丝；所述第二冷阱包括第二冷凝管、以及第二半导体制冷片组，所述第二冷凝管上缠绕有第二加热丝；所述第三冷阱包括第三冷凝管、以及第三半导体制冷片组，所述第三冷凝管上缠绕有第三加热丝；

大气采样器，所述大气采样器的输出端连接到质量流量计的输入端，所述质量流量计的输出端连接到第一多通阀的第一端，所述第一多通阀的第二端连接有载气气源，所述第一多通阀的第三端连接到所述第一冷凝管的进口端；

所述第一冷凝管的出口端连接到第二多通阀的第一端，所述第二多通阀的第二端与所述第二冷凝管的进口端连接，所述第二多通阀的第三端与所述第三冷凝管的进口端连接；

所述第二冷凝管的出口端连接到第三多通阀的第一端，所述第三多通阀的第二端与反吹气源连接，所述第三多通阀的第三端连接到第一色谱仪的检测输入端；

所述第三冷凝管的出口端连接到第四多通阀的第一端，所述第四多通阀的第一端与所述反吹气源连接，所述第四多通阀的第二端连接到第二色谱仪的检测输入端。

2.如权利要求1所述的大气挥发性有机物取样分析装置，其特征在于：所述低温环境箱中设有第一制冷腔体、第二制冷腔体以及第三制冷腔体；所述第一冷凝管以及所述第一加热丝设置于所述第一制冷腔体中，所述第二冷凝管以及所述第二加热丝设置于所述第二制冷腔体中，所述第三冷凝管以及所述第三加热丝设置于所述第三制冷腔体中。

3.如权利要求1所述的大气挥发性有机物取样分析装置，其特征在于：所述第二多通阀的第二端和所述第三冷凝管的进口端之间还连接有半渗透膜除水管，所述半渗透膜除水管外部套设有干燥管。

4.如权利要求3所述的大气挥发性有机物取样分析装置，其特征在于：所述半渗透膜除水管的出口端与所述第三冷凝管的进口端之间还连接有压力阀。

5.如权利要求1所述的大气挥发性有机物取样分析装置，其特征在于：所述第一半导体制冷片组包括两个以上贴合在一起的且并联电连接的半导体制冷片，所述第二半导体制冷片组包括三个以上贴合在一起的且并联电连接的半导体制冷片，所述第三半导体制冷片组包括两个以上贴合在一起的且并联电连接的半导体制冷片。

6.如权利要求2所述的大气挥发性有机物取样分析装置，其特征在于：所述第一制冷腔体、所述第二制冷腔体以及所述第三制冷腔体的外部分别包裹有绝热保温材料。

7.如权利要求1所述的大气挥发性有机物取样分析装置，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为不锈钢冷凝管。

8.如权利要求1至7任一项所述的大气挥发性有机物取样分析装置，其特征在于：所述载气气源和所述反吹气源均为纯度大于99.9%的惰性气体。