CN101082611A

CN101082611A - 光催化反应－浓缩热解吸自动进样仪

Info

Publication number: CN101082611A
Application number: CNA2007100290593A
Authority: CN
Inventors: 袁敏; 张铭光
Original assignee: South China Normal University
Current assignee: South China Normal University
Priority date: 2007-07-06
Filing date: 2007-07-06
Publication date: 2007-12-05
Anticipated expiration: 2027-07-06
Also published as: CN101082611B

Abstract

光催化反应－浓缩热解吸自动进样仪，由光催化反应装置、浓缩热解吸进样装置和控制板共同连接构成。光催化反应装置由光源、加热体A、热电偶A、光催化剂涂层、光催化反应管、电磁阀I、电磁阀II、电磁阀III、电磁阀IV、进气管、载气管A、放空管A和进样管连接构成；浓缩热解吸进样装置由热解吸腔体、加热体B、热电偶B、浓缩管、活动保温套、电磁阀V、电磁阀VI、进样针、载气管B和放空管B连接构成；控制板由CPU微处理器单元、电磁阀驱动电路、交流驱动模块A～C、温度信号A/D转换电路和RS232串口通讯电路电气连接构成。该装置通过自动化技术把反应、采样、样品浓缩、解吸、进样技术结合为一体，可自动控制反应参数，在线反应、在线检测。

Description

光催化反应-浓缩热解吸自动进样仪

(一)技术领域

本发明涉及一种应用于在线检测光催化降解有机物变化的光催化反应-浓缩热解吸自动进样仪，涉及光催化反应、浓缩热解吸技术和自动控制技术。

(二)背景技术

目前，光催化降解有机物技术在绿色环保、化工领域上日益受到重视。测定光催化材料降解有机物的性能，通常是采用专用反应器进行光催化反应，然后采集反应后的气体样品通过气相色谱或光谱方法检测。由于光催化反应过程中有机物的变化是微量的，而该方法反应与检测是分开的，所以测试结果重现性较差，操作繁琐，不能进行在线检测。而且要检测到光催化反应过程中有机物的微量变化，需要通过浓缩热解吸技术提高检测灵敏度。

(三)发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处，提供一种新的在线自动检测装置——光催化反应-浓缩热解吸自动进样仪。该装置通过自动化技术把反应、采样、样品浓缩、解吸、进样技术结合为一体，可自动控制反应条件，如反应温度、时间、光照强度；自动控制采样、进样时间、进样量；自动控制样品的浓缩时间、解吸温度、解吸速度；能进行自动清洗解吸装置；可与色谱仪联用，实现在线反应、在线检测。

具体的讲，本发明的光催化反应-浓缩热解吸自动进样仪由光催化反应装置、浓缩热解吸进样装置和控制板(安装有控制软件)共同连接构成。所述光催化反应装置由光源、加热体A、热电偶A、光催化剂涂层、光催化反应管、电磁阀I、电磁阀II、电磁阀III、电磁阀IV、进气管、载气管A、放空管A和进样管共同连接构成；所述浓缩热解吸进样装置由热解吸腔体、加热体B、热电偶B、浓缩管、保温套、电磁阀V、电磁阀VI、进样针、载气管B和放空管B共同连接构成；所述控制板由CPU微处理器单元、电磁阀驱动电路、交流驱动模块A～C、温度信号A/D转换电路和RS232串口通讯电路共同电气连接构成。其相互位置与连接关系为：光催化反应装置中光源安装在光催化反应管内壁上方，加热体A安装在光催化反应管外壁，热电耦A安装在光催化反应管内，进气管、进样管、载气管A、放空管A安装在光催化反应管上，电磁阀I安装在进气管上，电磁阀II安装在载气管A上，电磁阀III安装在进样管上，电磁阀IV安装在放空管A上，光催化剂涂层涂覆在光催化反应管下方内壁。浓缩热解吸进样装置中加热体B和热电偶B置于热解吸腔体内，浓缩管安装于热解吸腔体内(通过热解吸腔体上方孔放入腔体内)，热解吸腔体外套有保温套，热解吸腔体外接有载气管B和放空管B，电磁阀V安装在放空管B上，电磁阀VI安装在载气管B上，浓缩管内可选择装TANAX、分子筛、活性碳、硅胶等吸附剂，并在热解吸腔体内通过进样针直接与外接设备色谱仪的进样口连接。光催化反应装置与浓缩热解吸进样装置通过进样管连接，热电偶A和热电偶B的输出线与控制板A/D转换电路的输入接头电气连接，电磁阀I～VI的输入线与控制板电磁阀驱动电路的输出接口电气连接，光源、加热体A和加热体B的输入线分别与控制板交流驱动模块A、B和C的输出接口电气连接，控制板的RS232串口通讯电路与CPU微处理器单元电气连接。

在上述发明中，所述的CPU微处理器单元由CPU U1、电容C1～C6、电阻R1～R4和晶振OSC1共同电气连接构成；电磁阀驱动电路由U4达林顿驱动阵列、蜂鸣器B1和电磁阀接口V1～V6共同电气连接构成；交流驱动模块由K1、K2、K3三个相同的固体继电器以及J8～J10交流输出驱动接口共同电气连接构成；温度信号A/D转换电路由U3 A/D转换芯片、外围电路C7～C14、电阻R8和晶振OSC2共同电气连接构成；RS232串口通讯电路由U5电平转换接口芯片以及电容C15～C18共同电气连接构成。

本发明的工作原理如下：在研究光触媒降解有机挥发物的性能中，有机物变化的含量是微量的，本发明通过选用各种固体吸附剂对有机挥发物吸附浓缩，然后进行热解吸的手段提高检测灵敏度。同时采用自动化控制技术控制反应过程中气体的采集、输出、反应条件，使反应、测试一体化，实现在线检测。

在本发明中，所述光催化反应装置直接与浓缩热解吸进样装置连接，并通过自动控制系统，实现自动反应、自动采样、自动浓缩、自动解吸、自动进样、自动清洗。

为了较好地实现本发明，所述保温套采用活动式，可以随时根据需要拿开，使温度迅速降低。

本光催化反应-浓缩热解吸自动进样仪可与各种型号的气相色谱仪、气-质联用仪或气相色谱-红外光谱联用仪联用，使反应、检测一体化，实现在线检测。

本发明适用的分析领域：环保监测、环境评估、光催化材料研究、化工和建材领域等。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

(1)通常测定光催化材料降解有机物的能力是通过气相色谱方法测定，但由于这种反应中有机物的浓度变化很微量，现有的技术难以检测其反应过程中的微量变化。本发明采用浓缩热解吸技术提高了检测的灵敏度。

(2)现有技术中反应、检测是分开的，难以实现在线检测。采用自动化控制技术把光催化反应装置与浓缩热解吸进样装置结合起来，可实现反应、检测自动化。能在线检测光催化材料降解有机物的性能，为研究光催化降解有机物反应提供了一种有力的手段。

(3)在本设计中，光催化反应装置的采气、送气、反应气体量、反应时间是通过计算机软件控制电磁阀I～V来控制，光源强度由计算机软件控制，反应温度是通过计算机软件控制加热体A、热电偶A实现自动控制，整个反应过程可实现自动化。

(4)浓缩热解吸进样装置采用微炉式结构，保温套可灵活拆卸，可加快炉温降低速度，浓缩热解吸进样装置的解吸温度、解吸时间可编程控制，更适合解吸沸程较宽的复杂样品，并可在色谱仪中做程序升温进样器使用，可做冷聚焦进样，拓展仪器的使用功能。

(5)进样针直接与色谱仪进样口以最短的路径连接，减小进样空间死体积，使样品不发生冷凝、扩散。

(6)可进行自动进样，并通过控制进样时间来控制样品的进样量，既解决了气体进样器要通过改变定量管来改变进样量的不便，又解决了注射器进样准确度不够的缺点，更能保证样品在检测时的稳定性和数据的重现性。

(7)浓缩管可根据需要装有各种性能的吸附剂，对不同的样品均能起到最佳的浓缩效果，使检测灵敏度提高，测试范围更广。

(8)光催化反应装置与浓缩热解吸进样装置可通过软件控制电磁阀VI，进行自动清洗，从而减少样品交叉污染。

(四)附图说明

图1是光催化反应-浓缩热解吸自动进样仪的结构框图。

图2是光催化反应装置的结构示意图。

图3是浓缩热解吸进样装置的结构示意图。

图4是电路与部件之间的连接关系示意图。

图5是控制板的电路原理图。

图6是控制软件的流程框图。

(五)具体实施方式

图1所示，本发明光催化反应-浓缩热解吸自动进样仪由光催化反应装置、浓缩热解吸进样装置、控制电路(安装有控制软件)共同连接构成。光催化反应装置与浓缩热解吸进样装置连接，控制板与光催化反应装置和浓缩热解吸进样装置连接，并通过控制软件控制光催化反应装置和浓缩热解吸进样装置，从而实现自动控制。

图2所示，光催化反应装置由光源1、加热体A 2、电磁阀I 3、电磁阀II 4、电磁阀III 5、电磁阀IV 6、光催化反应管7、光催化剂涂层8、热电耦A 9、进气管10、进样管11、载气管A 12和放空管A 13共同连接构成。所述的光源采用UV光源(10～40w)，主要用于提供光催化反应的光源；所述的加热体A采用加热丝(50～200W)，主要用于调节光催化反应的温度；所述的电磁阀流量为20～200mL，用于控制光催化反应时反应气体的流量；所述的光催化反应管内可装涂有光催化剂(如各种不同浓度的二氧化钛光触媒等)的薄膜，用于研究各种光催化剂降解有机挥发物的能力。光催化反应装置主要用于实现光触酶与混合气体反应。

图3所示，浓缩热解吸进样装置由热解吸腔体14、加热体B 15、热电偶B 16、保温套17、进样针18、浓缩管19、电磁阀V 20、电磁阀VI 21、载气管B 22和放空管B 23构成。加热体B 15和热电偶B 16置于热解吸腔体14内，在热解吸腔体14外套有保温套17。热解吸腔体14外连接载气管B 22、电磁阀V 21、放空管B 23和电磁阀VI 20，浓缩管19在热解吸腔体14内，通过进样针18直接连接色谱仪进样口。其中：热解吸腔体14用不锈钢材料制作，用于放置加热体B 15、热电偶B 16、进样针18和浓缩管19；加热体B 15选择100～200W加热棒；热电偶B 16选择K型热电偶，用于调节热解吸温度；保温套17采用不锈钢外壳内装保温棉，活动式可拆卸，卸下时能让浓缩热解吸进样装置降温速度加快；进样针18可使解吸后的样品快速直接进入色谱仪；浓缩管19内装有吸附剂(TANAX、分子筛、活性碳或硅胶等)；电磁阀V20的流量范围是5～50ml/min，用于清洗热解吸装置，由计算机设定清洗时间实现；电磁阀VI 21的流量范围是5～50ml/min，用于控制进样量，通过计算机设定进样时间实现。浓缩热解吸进样装置主要是用于浓缩反应气中微量有机组分，浓缩的微量有机组分通过加热解吸进入色谱仪被测定。

图4所示，本发明控制板上的控制电路由CPU微处理器单元、电磁阀驱动电路、交流驱动模块A、交流驱动模块B、交流驱动模块C，温度信号A/D转换电路和RS232串口通讯电路共同连接构成。其中CPU微处理器单元通过A/D转换电路转换热电偶A 9和热电偶B 15的温度信号，并通过RS232串口通讯电路将转换后的数据发给计算机；电磁阀驱动电路用于驱动电磁阀I 3、电磁阀II 4、电磁阀III 5、电磁阀IV 6和电磁阀V 20、电磁阀VI 21；交流驱动模块A、交流驱动模块B、交流驱动模块C分别用于驱动光源1、加热体A 2和加热体B 15。

图5所示，CPU微处理器单元由CPU U1、外围电路C1～C6、电阻R1～R4和晶振OSC1共同电气连接构成；电磁阀驱动电路由达林顿驱动阵列U4、蜂鸣器B1和电磁阀接口V1～V6共同电气连接构成；交流驱动模块由K1、K2、K3三个相同的固体继电器以及J8～J10交流输出驱动接口共同电气连接构成；温度信号A/D转换电路由A/D转换芯片U3、外围电路C7～C14、电阻R8和晶振OSC2共同电气连接构成；RS232串口通讯电路由电平转换接口芯片U5以及外围电路C15～C18共同电气连接构成。

各部件的要求如下：CPU微处理器U1可选PIC16C73型；达林顿驱动阵列U4可选MC1413型；固体继电器K1、K2、K3可选GTJ3-2A型；A/D转换芯片U3可选AD7705型；RS232串口通讯芯片U5可选MAX232型。

控制软件的主要功能有：

(1)控制光催化反应装置的反应时间、光强度、反应装置温度、反应气体量，实现自动采样、自动进样。

(2)控制浓缩热解吸进样装置的恒温、程序升温两种加热方式，以及进样时间、清洗时间。

图6所示为控制软件自动控制光催化反应装置的流程图。

采用本发明进行自动检测的过程包括如下步骤：

(1)首先将该装置与色谱仪连接，开启装置电源并运行装置控制软件，在软件控制界面中点击“自动控制”按钮启动装置进入自动控制状态。

(2)在自动控制状态中，控制软件自动打开电磁阀IV和电磁阀II，通氮气清洗反应器内部，此时电磁阀III和电磁阀I关闭；

(3)10分钟后关闭电磁阀II，打开电磁阀I，充入反应气体100ml，然后关闭电磁阀I和电磁阀IV；

(4)电磁阀III是连接光催化反应装置与浓缩热解吸进样装置气路的开关，打开电磁阀II、电磁阀III，同时打开浓缩热解吸进样装置上的电磁阀V，定量通入反应气体至浓缩热解吸进样装置，通入浓缩管浓缩反应气中的微量组分，10分钟后关闭电磁阀II、电磁阀III和电磁阀V；

(5)启动浓缩热解吸进样装置中加热功能，温度平衡后打开电磁阀VI，使解吸出来的反应气体定量通入气相色谱仪，此时浓缩热解吸进样装置提示用户启动色谱仪进行分析，此时测定值为光催化反应前反应气的初始浓度；按用户设定分析时间等待分析完成后打开电磁阀V，自动清洗热解吸装置10分钟，关闭电磁阀V和VI；

(6)重复步骤(2)和(3)；

(7)打开光催化反应装置中的反应光源，通过计算机软件控制光照强度、反应温度、反应时间，使反应气体与光触酶反应；

(8)按上述步骤(4)和(5)测出光催化反应后反应气体的浓度，如此通过软件控制重复操作，可进行光催化反应过程中有机物的微量变化的在线检溅。

本发明装置通过如下方式实现：先根据图2、3加工机械部分，按图5加工电路板，再按图2、3、4连接气路和电路部分，并安装控制软件。

Claims

1、一种光催化反应-浓缩热解吸自动进样仪，其特征在于：它由光催化反应装置、浓缩热解吸进样装置和控制板共同连接构成，所述的光催化反应装置由光源(1)、加热体A(2)、热电偶A(9)、光催化剂涂层(8)、光催化反应管(7)、电磁阀I(3)、电磁阀II(4)、电磁阀III(5)、电磁阀IV(6)、进气管(10)、载气管A(12)、放空管A(13)和进样管(11)共同连接构成；所述的浓缩热解吸进样装置由热解吸腔体(14)、加热体B(15)、热电偶B(16)、浓缩管(19)、保温套(17)、电磁阀V(20)、电磁阀VI(21)、进样针(18)、载气管B(22)和放空管B(23)共同连接构成；所述控制板由CPU微处理器单元、电磁阀驱动电路、交流驱动模块A～C、温度信号A/D转换电路和RS232串口通讯电路共同电气连接构成；其相互位置与连接关系为：光催化反应装置中光源(1)安装在光催化反应管(7)内壁上方，加热体A(2)安装在光催化反应管(7)外壁，热电耦A(9)安装在光催化反应管(7)内，进气管(10)、进样管(11)、载气管A(12)、放空管A(13)安装在光催化反应管(7)上，电磁阀I(3)安装在进气管(10)上，电磁阀II(4)安装在载气管A(12)上，电磁阀III(5)安装在进样管(11)上，电磁阀IV(6)安装在放空管A(13)上，光催化剂涂层(8)涂覆在光催化反应管(7)下方内壁；浓缩热解吸进样装置中加热体B(15)和热电偶B(16)置于热解吸腔体(14)内，浓缩管(19)安装于热解吸腔体(14)内，热解吸腔体(14)外套有保温套(17)，热解吸腔体(14)外接有载气管B(22)和放空管B(23)，电磁阀V(20)安装在放空管B(23)上，电磁阀VI(21)安装在载气管B(22)上，浓缩管(19)在热解吸腔体(14)内通过进样针(18)直接与外接设备色谱仪的进样口连接；光催化反应装置与浓缩热解吸进样装置通过进样管(11)连接，热电偶A(9)和热电偶B(16)的输出线与控制板A/D转换电路的输入接口电气连接，电磁阀I～VI的输入线与控制板电磁阀驱动电路的输出接口电气连接，光源(1)、加热体A(2)和加热体B(15)的输入线分别与控制板交流驱动模块A、B和C的输出接口电气连接，控制板的RS232串口通讯电路与CPU微处理器单元电气连接。

2、如权利要求1所述的自动进样仪，其特征在于：所述的CPU微处理器单元由CPU微处理器U1、电容C1～C6、电阻R1～R4和晶振OSC1共同电气连接构成；电磁阀驱动电路由达林顿驱动阵列(U4、蜂鸣器B1和电磁阀接口V1～V6共同电气连接构成；交流驱动模块由K1、K2和K3三个相同的固体继电器以及J8～J10交流输出驱动接口共同电气连接构成；温度信号A/D转换电路由A/D转换芯片U3、外围电路C7～C14、电阻R8和晶振OSC2共同电气连接构成；RS232串口通讯电路由电平转换接口芯片U5以及电容C15～C18共同电气连接构成。

3、如权利要求2所述的自动进样仪，其特征在于：所述的CPU微处理器U1采用PIC16C73型；达林顿驱动阵列U4采用MC1413型；固体继电器K1、K2和K3采用GTJ3-2A型；A/D转换芯片U3采用AD7705型；电平转换接口芯片U5采用MAX232型。

4、如权利要求1或2或3所述的自动进样仪，其特征在于：所述的光源采用10～40W UV光源；所述的加热体A采用50～200W的加热丝，加热体B采用100～200W的加热棒；所述的电磁阀I～IV的流量范围为20～200mL，电磁阀V～VI的流量范围为5～50ml/min；所述的光催化剂涂层为涂有不同浓度二氧化钛光触媒的薄膜；热电偶B为K型热电偶；保温套采用不锈钢外壳内装保温棉，活动式可拆卸；所述的浓缩管内可装有TANAX、分子筛、活性碳或硅胶等吸附剂。