CN101592607A - 自动测量大气气溶胶中有机碳/元素碳质量浓度的设备及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自动测量大气气溶胶中有机碳/元素碳质量浓度的设备及方法。该方法首先将待测颗粒物采集到石英滤膜上；承载颗粒物的石英滤膜首先在He气环境下升温，其间挥发出的碳被认为是有机碳，然后再在He/O2载气的环境下升温，其间元素碳被氧化分解并逸出。整个过程都有一束激光打在石英膜上，其透射光在有机碳炭化时减弱，在元素碳被氧化分解时增强。当它恢复到最初的透射光强的时刻，被认为是有机碳和元素碳的分割点，即此刻之前检测出的碳被认为是有机碳，之后检测出的碳被认为是元素碳。装置由石英滤膜、燃烧炉、氧化炉、CO2检测器、激光探测单元组成。本方法实现了对大气气溶胶中有机碳/元素碳质量浓度更加科学、准确的测量。
Description
技术领域
本发明涉及环保检测领域，是一种自动测量大气气溶胶中有机碳/元素碳质量浓度的设备及方法。
背景技术
有机碳和元素碳作为气溶胶的重要组成部分，危害人类健康、降低城市能见度、破坏地球辐射平衡影响全球气候，从而成为气溶胶领域的重点研究方向。目前有机碳和元素碳的分析方法主要分为热学法和光学法两大类。
热学分析法基本原理是根据有机碳、元素碳的挥发性不同，在不同的温度下逸出率不同而对两者加以区分，挥发、热解和氧化的碳经过催化剂的作用转化为CO2，再用NDIR仪器检测CO2。热学法设备简单，容易操作，但是热学分析法一直无法解决热分析过程中有机碳向元素碳的炭化的问题，同时也不能保证在分析元素碳之前有机碳已经完全氧化。这些都给测量带来极大的不准确性。
光学测定法较热学法先进之处在于可以做到实时在线检测，光学法的测量原理是：单位面积膜上的元素碳的沉积量MEC与光学衰减量A呈线性关系：
A＝In(I0/I)＝σ·MEC
式中：I0--为透过滤膜前的光强；
I--为透过滤膜后的光强；
MEC--是单位面积采样膜上的EC质量，单位g·m-2
σ--EC质量衰减系数，即单位面积的滤膜上沉积有单位质量EC时的衰减，单位m2g-1。
所以可以通过测量透过滤膜前后的光强来推算滤膜上元素碳的沉积量。光学测定法的缺点在于只能测量对光吸收较强的元素碳，而对光吸收较弱的有机碳成分就无法测定了。
发明内容
本发明的目的是提供一种自动测量大气气溶胶中有机碳/元素碳质量浓度的设备及方法，以解决传统技术中热学分析法不准确性大，以及光学测定法无法测定有机碳的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
自动测量大气气溶胶中有机碳/元素碳质量浓度的设备，其特征在于：包括有石英炉，所述石英炉包括一体化的相互联通呈直线排列的燃烧炉、氧化炉，燃烧炉内固定有一石英滤膜，燃烧炉前端有一进光口，所述的进光口上安装有透光窗片，所述的透光窗片前方安装有激光器，所述燃烧炉前端分别联通有氦气进气管道与氦、氧混合气进气管道，氦气进气管道与氦、氧气混合气进气管道中分别安装有电磁阀门，氦气和氦、氧混合气的混合气体通过电磁阀门及管道由燃烧炉进入氧化炉；氧化炉后端安装有透光视窗，透光视窗后端光路中安装有激光探测器，所述的氧化炉后端联通CO2溢出管通向NDIR检测模块，所述CO2溢出管中也安装有电磁阀门。
所述的自动测量大气气溶胶中有机碳/元素碳质量浓度的设备，其特征在于：燃烧炉和氧化炉内都安装有热电偶，用于测量炉内温度。
自动测量大气气溶胶中有机碳/元素碳质量浓度的方法，其特征在于：
(1)、设置石英炉，石英炉包括一体化的燃烧炉和氧化炉，燃烧炉和氧化炉内分别安装热电偶测量炉内温度；待测石英滤膜置于燃烧炉内；在透明的燃烧炉外，滤膜的两侧，分别安装激光器和激光探测器；He/O2、He、He/CH4等分析气通过阀控网络由燃烧炉进入石英炉；氧化炉的出气端通往基于NDIR原理的CO2检测模块。
(2)、第一阶段阀控网络往石英炉内注入He，程序控制燃烧炉升温到850度，在这个过程中，一部分有机碳挥发并逸出，没有逸出的有机碳被高温碳化为元素碳；逸出的有机碳通过管道进入填充MnO2催化剂的氧化炉，被转化为CO2，CO2通过阀控网络进入NDIR检测模块，被量化检测；检测完毕后，燃烧炉温度降到600度，该阶段氧化炉始终保持850℃；
(3)、第二阶段阀控网络往石英炉内注入He/O2混和气，第二次升温开始，将燃烧炉加热到850度，在这个过程中，在O2的氧化作用下，元素碳和步骤(2)中被碳化的有机碳被氧化为CO2并逸出，逸出的CO2通过管道入NDIR检测模块，被量化检测，该阶段氧化炉始终保持850℃；
(4)、为了区分有机碳和元素碳的浓度，在整个加热过程中，激光器发出的激光打在石英滤膜上，并由激光探测器接收透过石英膜的激光信号；在步骤(2)中，由于有机碳被碳化为元素碳，所以接收到的透射激光会逐渐减弱；在步骤(3)中，随着氧化炉内充He/O2混和气，石英滤膜上的元素碳被氧化逸出，接收到的透射激光逐渐变强，透射光强恢复到最初水平的时刻是有机碳、元素碳的分割点，即此刻之前NDIR检测模块量化的CO2被认为是有机碳的贡献，而此刻之后量化的CO2被认为是元素碳的贡献。
承载气溶胶样品的石英滤膜首先在氦气(He)的非氧化环境中逐级升温，致使有机碳被加热挥发(该过程中也有部分有机碳被炭化，即热解碳)；此后样品又在氦气/氧气混和气(He/O2)环境中逐级升温，该过程中元素碳被氧化分解为气态氧化物。这两个步骤中所产生的分解产物都随着通过分析室的载气(同时也是环境气及反应气，亦即He或He/O2)经过二氧化锰(MnO2)氧化炉被转化为CO2后由NDIR方法定量检测。整个过程中都有一束激光照在石英膜上，这样在有机碳炭化时该激光的透射光的强度会逐渐减弱，而在He切换成He/O2并加温时、随着热解碳和元素碳的氧化分解该激光之透射光会逐渐增强。当透射光的强度恢复到起始强度时，这一时刻就定义为有机碳/元素碳的分割点、亦即该时刻之前检测到的碳量就定义为起始时的有机碳，而其后检测到的碳量则定义为起始元素碳。
本发明结构简单，方法易于实现，有效地解决了传统技术中热学分析法不准确性大，以及光学测定法无法测定有机碳的问题，大大提高了测量大气气溶胶中有机碳/元素碳质量浓度的速率，并且具有较高的准确度。
附图说明
图1为本发明设备结构示意图。
具体实施方式
自动测量大气气溶胶中有机碳/元素碳质量浓度的设备，包括有石英炉，所述石英炉包括一体化的相互联通呈直线排列的的燃烧炉8、氧化炉9，燃烧炉8内固定有一石英滤膜6，石英滤膜6旁边安装有热电偶7，燃烧炉8前端有一进光口，所述的进光口安装有透光窗片，所述的透光窗片前方安装有激光器4，所述燃烧炉8前端分别联通有氦气进气管道与氦气、氧气混合进气管道，氦气进气管道与氦气、氧气混合进气管道中分别安装有电磁阀门1和2，氦气和氦氧混合气的混合气体通过电磁阀门及管道由燃烧炉进入氧化炉；氧化炉9后端安装有透光视窗，透光视窗后端光路中安装有激光探测器5，接收从激光器4发出的光，所述的氧化炉9后端联通CO2溢出管通向NDIR检测模块10，所述CO2溢出管中也安装有电磁阀门3。
自动测量大气气溶胶中有机碳/元素碳质量浓度的方法，其步骤如下：
(1)、设置石英炉，石英炉分为一体化的燃烧炉和氧化炉，燃烧炉和氧化炉内分别安装热电偶测量炉内温度；待测石英滤膜置于燃烧炉内；在透明的燃烧炉外，滤膜的两侧，分别安装激光器和激光探测器；可将He/O2、He、He/CH4等分析气通过阀控网络由燃烧炉进入石英炉；氧化炉的出气端通往基于NDIR原理的CO2检测模块。
(2)、第一阶段阀控网络往石英炉内注入He，程序控制燃烧炉升温到850度，在这个过程中，一部分有机碳挥发并逸出，没有逸出的有机碳被高温碳化为元素碳；逸出的有机碳通过管道进入氧化炉，氧化炉内填充MnO2催化剂，逸出的有机碳通过氧化炉被转化为CO2，CO2通过阀控网络进入NDIR检测模块，被量化检测；检测完毕后，燃烧炉温度降到600度；
(3)、第二阶段阀控网络想石英炉内注入He/O2混和气，第二次升温开始，将燃烧炉加热到850度，在这个过程中，在O2的氧化作用下，元素碳和步骤(2)中被碳化的有机碳被氧化为CO2并逸出，逸出的CO2通过管道入NDIR检测模块，被量化检测；步骤(2)及步骤(3)中，氧化炉温度维持在850度。
(4)、为了区分有机碳和元素碳的浓度，在整个加热过程中，激光器发出的激光打在石英滤膜上，并由激光探测器接收透过石英膜的激光信号；在步骤(2)中，由于有机碳被碳化为元素碳，所以接收到的透射激光会逐渐减弱；在步骤(3)中，随着氧化炉内充He/O2混和气，石英滤膜上的元素碳被氧化逸出，接收到的透是有机碳、元素碳的分割点，即此刻之前NDIR检测模块量化的CO2被认为是有机碳的贡献，而此刻之后量化的CO2被认为是元素碳的贡献。
Claims (3)
1、自动测量大气气溶胶中有机碳/元素碳质量浓度的设备，其特征在于：包括有石英炉，所述石英炉包括一体化的相互联通呈直线排列的燃烧炉、氧化炉，燃烧炉内固定有一石英滤膜，燃烧炉前端有一进光口，所述的进光口上安装有透光窗片，所述的透光窗片前方安装有激光器，所述燃烧炉前端分别联通有氦气进气管道与氦、氧混合气进气管道，氦气进气管道与氦、氧混合气进气管道中分别安装有电磁阀门，氦气和氦氧混合气的混合气体通过电磁阀门及管道由燃烧炉进入氧化炉；氧化炉后端安装有透光视窗，透光视窗后端光路中安装有激光探测器，所述的氧化炉后端联通CO2溢出管通向NDIR检测模块，所述CO2溢出管中也安装有电磁阀门。
2、根据权利要求1所述的自动测量大气气溶胶中有机碳/元素碳质量浓度的设备，其特征在于：燃烧炉和氧化炉内都安装有热电偶，用于测量炉内温度。
3、自动测量大气气溶胶中有机碳/元素碳质量浓度的方法，其特征在于：
(1)、设置石英炉，石英炉包括一体化的燃烧炉和氧化炉，燃烧炉和氧化炉内分别安装热电偶测量炉内温度；待测石英滤膜置于燃烧炉内；在透明的燃烧炉外，滤膜的两侧，分别安装激光器和激光探测器；He/O2、He、He/CH4等分析气通过阀控网络由燃烧炉进入石英炉；氧化炉的出气端通往基于NDIR原理的CO2检测模块。
(2)、第一阶段阀控网络往石英炉内注入He，程序控制燃烧炉升温到850度，在这个过程中，一部分有机碳挥发并逸出，没有逸出的有机碳被高温碳化为元素碳；逸出的有机碳通过管道进入填充MnO2催化剂的氧化炉，被转化为CO2，CO2通过阀控网络进入NDIR检测模块，被量化检测；检测完毕后，燃烧炉温度降到600度，该阶段氧化炉始终保持850℃；
(3)、第二阶段阀控网络想石英炉内注入He/O2混和气，第二次升温开始，将燃烧炉加热到850度，在这个过程中，在O2的氧化作用下，元素碳和步骤(2)中被碳化的有机碳被氧化为CO2并逸出，逸出的CO2通过管道入NDIR检测模块，被量化检测，该阶段氧化炉始终保持850℃；
(4)、为了区分有机碳和元素碳的浓度，在整个加热过程中，激光器发出的激光打在石英滤膜上，并由激光探测器接收透过石英膜的激光信号；在步骤(2)中，由于有机碳被碳化为元素碳，所以接收到的透射激光会逐渐减弱；在步骤(3)中，随着氧化炉内充He/O2混和气，石英滤膜上的元素碳被氧化逸出，接收到的透射激光逐渐变强，透射光强恢复到最初水平的时刻是有机碳、元素碳的分割点，即此刻之前NDIR检测模块量化的CO2被认为是有机碳的贡献，而此刻之后量化的CO2被认为是元素碳的贡献。
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