CN101424603B - 一种pan标气生成系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种过氧乙酰硝酸酯(PAN)标气生成系统及方法,该系统包括:反应仓,设有进气口与出气口;NO气源,通过第一管路接入进气口并连接有第一质量流量控制器;丙酮气源,通过第二管路接入进气口并连接有第二质量流量控制器;紫外线灯,设置在反应仓外,在反应仓内通入丙酮气和NO气体时进行紫外照射,该方法通过两个质量流量控制器的控制,使反应仓内通入适量的NO和过量的丙酮,在紫外线灯的照射下,NO气体全部参与反应生成PAN气体,进而根据NO的流量来计算生成的PAN标气的浓度。本发明为PAN检测仪提供PAN标气来源,实现在线标定,节约实验成本,降低操作繁杂程度,为大气中PANs浓度的计算提供精确的响应因子。
Description
技术领域
本发明涉及环境质量监测领域,具体涉及一种用于PAN在线检测仪器或常规PAN检测仪的PAN标气生成系统及方法。
背景技术
过氧乙酰硝酸酯(Peroxyacetyl nitrate,PAN)是大气光化学污染的重要产物,随着我国城市机动车数量日趋增大,光化学烟雾污染日益严重,作为大气氧化剂重要指标的PAN浓度的检测非常重要。由于在PAN浓度检测技术上存在困难:大气中的PAN物质浓度较低且其受热容易分解,室温下不能长时间贮存,虽然可以通过液氮冷凝富集后进样,但操作复杂,无法连续检测,因此对PAN在线检测仪器的研究和开发就显得尤为重要。
而PAN在线检测仪的标定是其准确测量大气中PAN浓度的基础。一般的大气污染检测仪器都需要用标准样品气体对仪器进行标定,从而确定仪器输出信号所表征的物质浓度。而标准气体很多都依赖于国外进口或者用进口设备生成,价格昂贵。再加上PAN的稳定性差,因而目前没有关于PAN的标准样品可以提供。
而不依赖于国外进口或用进口设备生成,而采用传统的挥发源生成PAN标气的方法,也就是有化学合成的方法,具有众多弊端,不适合对大气的实时、准确检测。
发明内容
本发明的目的是提供一种PAN标气生成系统及方法,可用于PAN在线检测仪和常规PAN检测仪,为PAN在线检测仪常规PAN检测仪提供PAN标气来源,实现在线标定,可以节约大量的实验成本和时间。
为实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种PAN标气生成系统,该系统包括:
反应仓,设置有进气口与出气口;
NO气源,通过第一管路接入所述进气口,第一管路中连接有第一质量流量控制器,用于控制流入反应仓的NO气体的流量;
丙酮气源,通过第二管路接入所述进气口,第二管路中连接有第二质量流量控制器,用于控制流入反应仓的丙酮气体的流量,使流入的丙酮气体最少能使流入的NO气体全部参与生成PAN气体;
紫外线灯,在反应仓内通入丙酮气和NO气体时进行紫外照射,使室内的丙酮气、NO气和氧气发生反应,NO气体全部参与生成PAN气体,由出气口排出已知浓度的PAN标气。
优选地,所述反应仓为环形腔室,所述紫外线灯设置在所述反应仓的环形中心处。
优选地,所述系统还包括第一减压阀,所述第一减压阀连接在第一管路中且位于第一质量流量控制器之前,用于对所述NO气源减压。
优选地,所述系统还包括第二减压阀,所述第二减压阀连接在第二管路中且位于第二质量流量控制器之前,用于对所述丙酮气源进行减压。
优选地,该系统还包括冷却风扇,所述冷却风扇设置在所述反应仓的外部,用于在反应仓内发生反应时吹冷风使其降温。
优选地,所述反应仓为双层石英反应仓。
优选地,所述反应仓的出气口接入标气瓶,所述系统还包括连接在反应仓出口与标气瓶之间的气路转换阀,用于实现气路间的切换及减压。
本发明还提供了一种利用上述系统的PAN标气生成方法,该方法包括以下步骤:
利用第一管路、第二管路分别向反应仓内通入丙酮和NO气体;
利用第一流量控制器控制流入反应仓的NO气体的流量;
利用第二流量控制器控制流入反应仓的丙酮气体的流量;
当流入反应仓内的NO气体的流量达到预定值,且流入反应仓内的丙酮气体最少能使流入的NO气体全部参与生成PAN气体时,关闭第一管路和第二管路;
将紫外线灯打开,使室内的酮气、NO气体和氧气发生反应,NO气体全部参与生成PAN气体;
根据流入反应内的NO气体流量所达到的预定值,依据NO气体全部参与生成PAN气体的反应关系获取生成的PAN气体体积;
由反应仓的体积获取反应仓内生成的PAN气体的浓度,得到已知浓度的PAN标气。
优选地,该方法中在反应仓室内发生反应时,利用冷却风扇在反应仓外吹冷风,降低所述反应仓内的温度。
优选地,该方法还包括利用减压阀控制生成PAN标气所用丙酮和NO气体的出口压力的步骤。
将本发明提供的PAN标气生成系统及方法应用到PAN检测仪,具有以下有益效果:
1)可以很好地整合到PAN在线检测仪中,为PAN在线检测仪器提供标气来源,实现PAN检测仪器的在线标定,可以节约大量的实验成本和时间;
2)PAN标气生成过程操作简单,控制方便;
3)可以控制PAN标气的生成速率,通过验证实验,得到气体的精确浓度;
4)自行设计PAN标气生成源的内部气路,达到了反应迅速,转化效率高的目的;
5)实现计算机全程在线自动控制,调整并记录生成标准气体的浓度。
附图说明
图1为本发明实施例中PAN标气生成系统的气路原理图;
图2为本发明实施例中PAN标气生成系统的PAN反应仓示意图;
图3为本发明实施例中另一种PAN标气生成系统的PAN反应仓示意图;
图4为本发明实施例中PAN标气生成方法流程图;
图中:1、反应仓;101,进气口;102,出气口;2、NO气源;3、丙酮气源;4、第一流量控制器;5、第二流量控制器;6、第一减压阀;7、第二减压阀;8、紫外线灯;9、第一管路;10、第二管路。
具体实施方式
本发明提出的PAN标气生成系统及方法,结合附图和实施例说明如下。
PAN标气是指在标定过程中使用的已知PAN准确浓度的气体,本发明提供了PAN标气生成源,其主要工作原理为:通过两个质量流量控制器的控制,适量的NO气体和过量的丙酮气体同时通入设置有紫外线灯的反应仓中,在紫外线灯的照射下,生成PAN的标气。
本实施例中PAN标气生成系统主要是用于产生不同浓度的PAN标准气体,并用于PAN检测仪器的在线标定,可用于我国大气中PAN在线检测分析仪和常规PAN检测仪的研制和今后的批量生产。
本实施例中PAN标气生成系统包括反应仓1,如图2所示,反应仓1设置有进气口101与出气口102,反应仓1是用来合成PAN标准气体的装置,本发明中反应仓只要是设置有进气口101和出气口102的密封腔室即可,对其形状可作出各种改进,紫外线灯8优选设置在反应仓1内外部对反应仓1进行照射。为使紫外线灯8均匀照射反应仓1,本实施例中的反应仓采用环形腔室,这样反应中的环形腔室外部中心为中空结构,将紫外线灯8设置在反应仓1外部的环形中心处,可以均匀地照射反应腔室,反应效果更好,图2所示的反应仓为柱体式环形腔室,也可以采用图3所示的轮胎式环形腔室。另外,为使反应时产生的热量及时散去,本实施例中在反应仓外设置有冷却风扇,优选该冷却风扇设置在紫外线灯8的附近,用于在室内发生反应时吹冷风时反应仓1降温。反应仓1为石英材料,优选采用双层石英玻璃,可以防止PAN在其表面发生分解反应。
如图1所示,本实施例中PAN标气生成系统还包括:NO气源2,通过第一管路9接入反应仓1的进气口101,第一管路中9连接有第一质量流程控制器4,用于控制流入反应仓1的NO气体的流量;丙酮气源3,通过第二管路10接入反应仓1的进气口101,第二管路10中连接有第二质量流量控制器5,用于控制流入反应仓的丙酮气体的流量,使流入的丙酮气体最少能使流入的NO气体全部参与生成PAN气体,即保证反应仓1内具有适量的NO气体和过量的丙酮气体;紫外线灯8,设置在反应仓1外,在反应仓1内通入丙酮气和NO气体时进行紫外照射,在紫外线的照射下,使室内使丙酮气、NO气和氧气发生反应,由于NO气体是不足量的,所以NO气体全部参与生成PAN气体,进而也可以由NO气体的浓度确定依据反应关系确定生成的PAN气体量,最终确定PAN气体的浓度,得到PAN标气,由出气口102排出已知浓度的PAN标气。
本实施例中第一管路9和第二管路10可以独立的通入反应仓1的进气口101,也可以在通入进气口101前汇接到一个管路再通入进气口102。反应仓1的紫外线灯优选采用发射波长为285nm紫外线的紫外线灯。使用时反应仓1的出气口102与阀门连接,保证反应仓在PAN标气生成过程是密闭的,第一管路9和第二管路10也分别用阀门控制,可以控制何时向室内通入,何时在室内发生反应。
本实施例中反应仓1的出气口102还可以接入标气瓶(图中未示出),NO气源为装有NO气体的高压气瓶,丙酮气源为装有丙酮气体的高压气瓶,本实施例中该系统还包括气路转换阀、第一减压阀6和第二减压阀7,气路转换阀连接在出气口102和标气瓶之间,用于气路间的转换和减压;第一减压阀6连接在第一管路9中且位于第一质量流量控制器4之前,用于对装有NO气体的高压气瓶进行减压;第二减压阀7连接在第二管路10中且位于第二质量流量控制器5之前,用于对装有丙酮气体的高压气瓶进行减压。
本实施例中利用使用上述系统的PAN标气生成方法,如图4所示,该方法包括以下步骤:
s101,利用第一管路9和第二管路10向反应仓1内通入丙酮气和NO气体;
s102,利用第一流量控制器4控制流入反应仓的NO气体的流量;
s103,利用第二流量控制器5控制流入反应仓的丙酮气体的流量;
s104,观察第一质量流量控制器4和第二流量控制器5,当流入反应仓内的NO气体的流量达到预定值,且流入反应仓内的丙酮气体最少能使流入的NO气体全部参与生成PAN气体时,关闭第一管路9和第二管路10;
s105,将紫外线灯8打开,使室内的酮气、NO气和氧气在紫外线的照射下发生反应,NO气体全部参与生成PAN气体;
s106,根据流入反应1内的NO气体流量所达到的预定值,依据NO气体全部参与生成PAN气体的反应关系获取生成的PAN气体的体积;
s107,由反应仓1的体积获取反应仓内生成的PAN气体的浓度,得到已知浓度的PAN标气。
该方法中所依据的反应原理具体如下:
CH3C(O)CH3+hv→CH3C(O)·+CH3·
CH3C(O)·+O2→CH3C(O)OO·
2NO+O2→2NO2
CH3C(O)OO·+NO2→CH3C(O)OONO2
其中,h表示普朗克常数,v表示光子,由于NO气体是不足量的,因而利用NO气体的浓度对所生成PAN标准气体浓度进行计算。经测定,该方法的反应效率很高,能达到92±3%(Volz-Thomas et al,2002),即认为92%左右的NO转化成为PAN标准气体。
该方法中在反应仓内发生反应时,利用冷却风扇向反应仓内通入冷风。由于该方法可以利用第一流量控制器4和第二流量控制器5分别控制流入反应仓1内NO气体和丙酮气体的流速和/流量,因此,可以计算出NO气体的转化速率和PAN气体的生成速率,以及PAN气体的浓度,使用时可以根据需要间接控制反应仓内PAN气体的生成速率。
根据本发明提供的PAN标气生成系统及方法,可用于各种PAN检测仪,对于在线仪器可以通过阀门控制实现在线标定。该标气生成系统是能够快速准确地合成PAN气体,如有上述需要,都可以使用,不限于在线的PAN检测仪。以上实施方式仅用于说明本发明,而并非对本发明的限制,有关技术领域的普通技术人员,在不脱离本发明的精神和范围的情况下,还可以做出各种变化和变型,因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴,本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
Claims (9)
1.一种PAN标气生成系统,其特征在于,该系统包括:
反应仓,设置有进气口与出气口;
NO气源,通过第一管路接入所述进气口,第一管路中连接有第一质量流量控制器,用于控制流入反应仓的NO气体的流量;
丙酮气源,通过第二管路接入所述进气口,第二管路中连接有第二质量流量控制器,用于控制流入反应仓的丙酮气体的流量,使流入的丙酮气体最少能使流入的NO气体全部参与生成PAN气体;
紫外线灯,在反应仓内通入丙酮气和NO气体时进行紫外照射,使室内的丙酮气、NO气和氧气发生反应,NO气体全部参与生成PAN气体,由出气口排出已知浓度的PAN标气;
所述反应仓为环形腔室,所述紫外线灯设置在所述反应仓的环形中心处。
2.如权利要求1所述的PAN标气生成系统,其特征在于,所述系统还包括第一减压阀,所述第一减压阀连接在第一管路中且位于第一质量流量控制器之前,用于对所述NO气源减压。
3.如权利要求1所述的PAN标气生成系统,其特征在于,所述系统还包括第二减压阀,所述第二减压阀连接在第二管路中且位于第二质量流量控制器之前,用于对所述丙酮气源减压。
4.如权利要求1所述的PAN标气生成系统,其特征在于,其特征在于,该系统还包括冷却风扇,所述冷却风扇设置在所述反应仓的外部,用于在反应仓内发生反应时吹冷风使其降温。
5.如权利要求1所述的PAN标气生成系统,其特征在于,所述反应仓为双层石英反应仓。
6.如权利要求1所述的PAN标气生成系统,其特征在于,所述反应仓的出气口接入标气瓶,所述系统还包括连接在反应仓出口与标气瓶之间的气路转换阀,用于实现气路的切换及减压。
7.一种利用权利要求1所述系统的PAN标气生成方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
利用第一管路、第二管路分别向反应仓内通入丙酮和NO气体;
利用第一流量控制器控制流入反应仓的NO气体的流量;
利用第二流量控制器控制流入反应仓的丙酮气体的流量;
当流入反应仓内的NO气体的流量达到预定值,且流入反应仓内的丙酮气体最少能使流入的NO气体全部参与生成PAN气体时,关闭第一管路和第二管路;
将紫外线灯打开,使室内的酮气、NO气体和氧气发生反应,NO气体全部参与生成PAN气体;
根据流入反应内的NO气体流量所达到的预定值,依据NO气体全部参与生成PAN气体的反应关系获取生成的PAN气体体积;
由反应仓的体积获取反应仓内生成的PAN气体的浓度,得到已知浓度的PAN标气。
8.如权利要求7所述的PAN标气生成方法,其特征在于,该方法中在反应仓室内发生反应时,利用冷却风扇在反应仓外吹冷风,降低所述反应仓内的温度。
9.如权利要求7所述的PAN标气生成方法,其特征在于,该方法还包括利用减压阀控制生成PAN标气所用丙酮和NO气体的出口压力的步骤。
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