CN101609074A - 适用于氧化亚氮的制冷式吹扫捕集仪 - Google Patents

Abstract

本发明所涉及的适用于氧化亚氮的制冷式吹扫捕集仪包括：惰性气体钢瓶、质量流量控制器、海水样品瓶、气提室、吸附管、捕集装置、控制电路板，由管路和电磁阀连接形成气路。惰性气体钢瓶内的惰性气体在质量流量控制器的控制下，通入海水样品瓶，样品瓶中的水样在压力的作用下进入到气提室中，惰性气体从气提室的底部吹扫水体样品中的N₂O，携带N₂O的惰性气体载气从气提室进入吸附管，载气的水分和杂质在吸附管内被吸收和去除，携带N₂O的载气再进入捕集装置的捕集管，在低温下进行捕集，捕集结束之后，捕集管两端的截止阀关闭，捕集管升温将N₂O解析出来，待解析结束之后，捕集管两端截止阀打开，载气进入捕集管将N₂O带入到气相色谱中进行分析检测。

Description

适用于氧化亚氮的制冷式吹扫捕集仪

技术领域

本发明涉及富集水中溶存气体的吹扫捕集装置，特别是涉及适用于氧化亚氮等水中溶存的低浓度气体的吹扫捕集装置。

背景技术

氧化亚氮(N₂O)是一种氮氧化合物，在全球氮循环中起着重要作用。氧化亚氮(N₂O)也是主要的温室气体之一，是已知温室效应气体中在大气中持留期最长的(可达150年)。特别是，氧化亚氮(N₂O)对辐射的吸收波长(7.78μm)正处于大气热传导的主要谱线区(7～14μm)范围内，因而具有显著的增温效应。

海洋是重要的N₂O源，分析研究海洋中N₂O的时空分布，有利于揭示N₂O在海洋中的产生机制及控制因素。检测海洋水体中溶存的N₂O，可为计算海洋与大气之间N₂O通量提供基础数据，对于研究区域性乃至全球尺度氮元素地球化学过程十分重要。

目前，检测水中溶存N₂O的方法有静态顶空法和吹扫捕集法。

静态顶空法，将检测水样在密闭容器中震荡，使N₂O从水体里释放出来，然后吸取水样上层的空气进样检测。由于海水中溶存N₂O的量很少，因此，直接检测海水水样上层空气中溶存的N₂O，而没有通过相应的富集过程，这种方法对N₂O的测量灵敏度不高。

吹扫捕集法是现有技术中检测水中挥发性溶存物样品的前处理富集方法。其原理是让惰性气体作为载气连续吹扫通过样品，萃取其中的挥发组分，再由捕集管中的填料吸附，或利用冷阱以液氮凝结捕集，再加热挥发，然后进行分析测定。吹扫捕集法是一种非平衡态连续萃取方法，可以定量地将水中的气体被测物萃取出来，取样量少，萃取效率较高，受基体干扰小。现有的吹扫捕集方法或者采用捕集管的室温下吹扫捕集方式，或者采用冷阱的低温吹扫捕集方式。

图1为现有技术的室温捕集的吹扫捕集装置结构示意图。如图1所示，室温捕集的吹扫捕集装置包括吹扫瓶1、吸附管2、捕集管3及其连通的管路。捕集管3里面填有吸附填料，外侧套有加热装置。所述的室温捕集的吹扫捕集装置工作时，惰性气体的吹扫气从吹扫瓶1的底部进入并连续吹扫瓶内的水样，吹扫气携带萃取水样中的N₂O进入吸附管2，水分及杂质被吸附管中的吸附剂吸附，然后再进入捕集管3中。待测气体被捕集管3中的填料吸附，再经加热装置的加热捕集管3后脱附待测气体，脱附的待测气体随载气进入气相色谱仪4进行检测。

图2为冷阱捕集的吹扫捕集装置结构示意图。如图2所示，冷阱捕集的吹扫捕集装置包括气提室7、水冷凝器室5、热解吸管6、冷阱8及其连通的管路。所述冷阱捕集的吹扫捕集装置工作时，惰性气体的吹扫气从气提室7底部连续吹扫室内的水样，吹扫气携带萃取水样中挥发组分的N₂O经水冷凝器室5进入热解吸管6，在热解吸管6中吹出待测气体，再经采用液氮的冷阱8捕集待测气体。然后，将捕集待测气体的冷阱8升温，待测气体随惰性气体进入气相色谱仪4进行检测。

图1和图2所显示的现有技术的吹扫捕集装置的富集效率均可满足针对VOCs等浓度较高气体的一般检测要求，可以达到提高检测灵敏度的目的。但是，对于像水中溶存的N₂O这一类痕量气体的样品来说，图1所示的室温捕集吹扫捕集装置的捕集效率不能满足检测要求，吹扫过程中大量水气被携带出来，水气富集到捕集管中不仅对捕集管中的填料造成损害，也使仪器的重复性下降。图2所示冷阱捕集吹扫捕集装置又难以实现仪器自动化在线连续操作，而且同一种方法实验室之间测定结果的重复性不好。

因此，在对水体溶存N₂O的分析研究中，需要富集效率更高、易于实现自动化操作又可以避免水气等杂质影响的吹扫捕集仪器设备。

发明内容

本发明推出一种对水中溶存的N₂O富集效率高、易于实现自动化操作的吹扫捕集仪器，其目的在于采用具有吸附填料的捕集管和半导体制冷技术的冷阱联合组成的装置，实现对水体中痕量溶存的N₂O进行高富集效率的吹扫捕集，提高检测灵敏度。

本发明所涉及的适用于氧化亚氮的制冷式吹扫捕集仪包括：惰性气体钢瓶、质量流量控制器、样品瓶、气提室、吸附管、捕集装置、控制电路板，以及连接管路和电磁阀。

惰性气体钢瓶内盛有用于吹扫水体样品中N₂O的惰性气体，惰性气体钢瓶通过质量流量控制器和电磁阀连接海水样品瓶，质量流量控制器精确控制通过气体的流量。海水样品瓶内盛待测水体样品，样品瓶又连接气提室。

气提室由玻璃制成，可避免内面对待测气体的吸附，气提室的下端内置有石英砂芯，样品水体在石英砂芯上方，惰性气体通过石英砂芯时可以在水体中产生连续细密的气泡，使惰性气体均匀通过待测水体，实现高效气体吹扫。

气提室连接吸附管，吸附管再通过三通电磁阀、六通电磁阀和高温电磁截止阀连接捕集装置。

捕集装置通过高温电磁截止阀和六通电磁阀连接外部的气相色谱仪。

捕集装置用于对携带N₂O载气的制冷捕集及加热解析，可实现高效制冷捕集和高效加热解析。捕集装置包括加热制冷体、螺旋捕集管、半导体致冷片、加热棒和温度控制器。加热制冷体为长方体结构，内部有长方体空腔，长方体空腔内放置螺旋捕集管。加热制冷体长方体空腔两侧的腔壁内各有一圆柱体空腔，圆柱体空腔内放置加热棒。加热制冷体长方体空腔另外两侧的腔壁上设置半导体制冷片，半导体制冷片紧贴在腔壁上。加热棒和半导体制冷片分别与控制电路板连接，控制电路板连接温度控制器。加热棒和半导体制冷片分别在温度控制器的控制下，对加热制冷体以及空腔内的捕集管进行加热和制冷。

螺旋状的捕集管置于加热制冷体的长方体空腔内，螺旋捕集管两端分别连接两个高温电磁阀。捕集管内添有碳分子筛等对N₂O具有吸附作用的填料。

螺旋捕集管通过管路和电磁阀分别连接吸附管和吹扫捕集装置的吹扫捕集气体出口，吹扫捕集气体出口连接外部的气相色谱仪。

惰性气体钢瓶、质量流量控制器、海水样品瓶、气提室、吸附管、捕集装置由管路连接形成气路。管路上的电磁阀都分别与控制电路板连接，在控制电路板的控制下用于各气路的切换和关闭，实现仪器的系统待机、取样捕集、样品解析、气相色谱仪进样和系统准备等五个仪器状态的转换。质量流量控制器用于精确控制气路中的气体流速。

本发明所涉及的氧化亚氮制冷式吹扫捕集仪应用时，钢瓶内的惰性气体在质量流量控制器的控制下，通入样品瓶，样品瓶中的水体在压力的作用下进入到气提室中，惰性气体从气提室的底部吹扫水体样品中的N₂O，携带N₂O的惰性气体载气从气提室进入吸附管，载气的水分和杂质在吸附管内被吸收和去除，携带N₂O的载气再进入捕集装置的捕集管，在低温下进行捕集，捕集结束之后，捕集管两端的截止阀关闭，捕集管升温将N₂O解析出来，待解析结束之后，捕集管两端截止阀打开，载气进入捕集管将N₂O带入到气相色谱中进行分析检测。

本发明涉及的适用于氧化亚氮的制冷式吹扫捕集仪，结构紧凑、加工方便，易于批量化生产；利用具有对待测气体有吸附作用填料的捕集管和半导体制冷技术制成的冷阱的综合配置，可以大大提高水中痕量溶存的N₂O的高富集效率，实现吹扫捕集的自动化操作；捕集装置的设计，可以方便进行捕集管更换，以适应对其他低沸点气体的捕集；捕集装置和两个高温电磁阀的联合使用可大大提高检测灵敏度。

附图说明

图1为现有技术的室温捕集吹扫捕集装置结构示意图。

图2为现有技术的冷阱捕集吹扫捕集装置结构示意图。

图3为本发明涉及的捕集管制冷式吹扫捕集仪结构示意图。

图4为本发明中的捕集装置结构示意图。

图中标记说明：

1、气提室                2、吸附管

3、捕集管                4、气相色谱仪

5、水冷凝器室            6、热解吸管

7、气提室                8、冷阱

9、惰性气体钢瓶          10、质量流量控制器

11、三通电磁阀           12、电磁截止阀

13、海水样品瓶           14、三通电磁阀

15、吸附管               16、高温电磁截止阀

17、捕集装置             18、六通电磁阀

19、高温电磁截止阀       20、电磁截止阀

21、气提室               22、加热制冷体

23、加热棒               24、螺旋捕集管

25、半导体制冷片

具体实施方式

现结合附图对本发明的具体实施方式进一步说明。

图3显示本发明涉及的捕集管制冷式吹扫捕集仪的基本结构。图4显示本发明中捕集装置的基本结构。图4为本发明中的捕集装置的基本结构。

如图3和图4所示，本发明所涉及的捕集管制冷式吹扫捕集仪包括：惰性气体钢瓶9、质量流量控制器10、海水样品瓶13、气提室21、吸附管15、捕集装置17，以及连接管路和电磁阀。

惰性气体钢瓶9内盛有用于吹扫水体样品中N₂O的惰性气体，惰性气体钢瓶9通过质量流量控制器10和三通电磁阀11连接海水样品瓶13。质量流量控制器10精确控制通过气体的流量。海水样品瓶13内盛待测水体样品，样品瓶13又连接气提室21。

在气提室21内，实现惰性气体对水体样品中N₂O的吹扫。气提室21由玻璃制成，可避免内面对待测气体的吸附。气提室21的下端内置有石英砂芯，水体样品在石英砂芯上方，惰性气体通过石英砂芯时可以在水样中产生连续细密的气泡，使惰性气体均匀通过待测水体，实现高效气体吹扫。

气提室21连接吸附管15，吸附管15再通过三通电磁阀14、六通电磁阀18和高温电磁截止阀16连接捕集装置17。

捕集装置17通过高温电磁截止阀19和六通电磁阀18连接外部的气相色谱仪4。

捕集装置17用于对气提室21的吹扫载气中的N₂O进行捕集和解析，经捕集装置17捕集和解析的N₂O由气相色谱仪4进行检测。

捕集装置17可实现高效制冷捕集和高效加热解析的作用。捕集装置17包括加热制冷体22、螺旋捕集管24、半导体致冷片25、加热棒23和温度控制器。

加热制冷体22为长方体结构，内部为长方体空腔，长方体空腔内放置螺旋捕集管24。加热制冷体22长方体空腔两侧的腔壁内各有一圆柱体空腔，圆柱体空腔内放置加热棒23，加热棒23与圆柱体空腔紧密接触。加热制冷体22长方体空腔另外两侧的腔壁上设置半导体制冷片25，半导体制冷片25紧贴在腔壁上。加热棒23和半导体制冷片25分别与控制电路板连接，控制电路板连接温度控制器。加热棒23和半导体制冷片25用于对加热制冷体进行加热和制冷。

螺旋状的捕集管24置于加热制冷体22的长方体空腔内。捕集管24内添有碳分子筛等对N₂O具有吸附作用的填料。螺旋捕集管24两端分别连接两个高温电磁阀16、19。

惰性气体钢瓶9、质量流量控制器10、海水样品瓶13、气提室21、吸附管15和捕集装置17由管路连接形成气路，管路上的电磁阀都与控制电路板连接，在控制电路板的控制下用于各气路的切换和关闭，实现仪器的系统待机、取样捕集、样品解析、气相色谱仪进样和系统准备等五个仪器状态的转换。

本发明所涉及的氧化亚氮制冷式吹扫捕集仪应用时，钢瓶9内的惰性气体在质量流量控制器10的控制下，通入样品瓶13，样品瓶13中的水体在压力的作用下进入到气提室21中，惰性气体从气提室21的底部吹扫水体样品中的N₂O，携带N₂O的惰性气体载气从气提室21进入吸附管15，载气中的水分和杂质在吸附管15内被吸收和去除，携带N₂O的载气再进入捕集装置17的捕集管24，在低温下进行捕集，捕集结束之后，捕集管24两端的截止阀关闭，捕集管24升温将N₂O解析出来，待解析结束之后，捕集管24两端截止阀打开，载气进入捕集管24将N₂O带入到气相色谱仪4中进行分析检测。

Claims (5)

1、一种适用于氧化亚氮的制冷式吹扫捕集仪，其特征在于，包括：惰性气体钢瓶(9)、质量流量控制器(10)、海水样品瓶(13)、气提室(21)、吸附管(15)、捕集装置(17)、控制电路板，以及连接管路和电磁阀，惰性气体钢瓶(9)、质量流量控制器(10)、海水样品瓶(13)、气提室(21)、吸附管(15)、捕集装置(17)由管路连接形成气路，管路上的电磁阀与控制电路板连接；惰性气体钢瓶(9)通过质量流量控制器(10)和三通电磁阀(11)、电磁截止阀(12)连接海水样品瓶(13)，海水样品瓶(13)连接气提室(21)，气提室(21)连接吸附管(15)，吸附管(15)再通过三通电磁阀(14)、六通电磁阀(18)和高温电磁截止阀(16)连接捕集装置(17)，捕集装置(17)连接外部的气相色谱仪(4)。

2、根据权利要求1所述的适用于氧化亚氮的制冷式吹扫捕集仪，其特征在于，所述的捕集装置(17)包括加热制冷体(22)、螺旋捕集管(24)、半导体致冷片(25)、加热棒(23)和温度控制器，加热制冷体(22)为长方体结构，螺旋捕集管(24)放置在加热制冷体(22)内部的长方体空腔内，加热制冷体长方体空腔两侧腔壁的圆柱体空腔内放置加热棒(23)，加热制冷体长方体空腔另外两侧的腔壁上设置半导体制冷片(25)，加热棒(23)和半导体制冷片(25)分别与控制电路板连接。

3、根据权利要求2所述的适用于氧化亚氮的制冷式吹扫捕集仪，其特征在于，所述的螺旋捕集管(24)内添有对N₂O具有吸附作用的碳分子筛填料。

4、根据权利要求2所述的适用于氧化亚氮的制冷式吹扫捕集仪，其特征在于，所述的螺旋捕集管(24)两端分别连接高温电磁截止阀(16、19)，螺旋捕集管(24)通过管路和高温电磁截止阀分别连接吸附管(15)和吹扫捕集装置外部的气相色谱仪(4)。

5、根据权利要求1所述的适用于氧化亚氮的制冷式吹扫捕集仪，其特征在于，所述气提室(21)的下端内置有石英砂芯，水体样品在石英砂芯上方，惰性气体通过石英砂芯时在水样中产生连续细密的气泡并均匀通过待测水体样品。

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