CN102435481A

CN102435481A - 一种用于环境中挥发性有机物快速检测的电子鼻的预处理装置

Info

Publication number: CN102435481A
Application number: CN2011103944995A
Authority: CN
Inventors: 刘锐; 卜凡阳; 文晓刚; 万梅; 蔡强; 余素林; 陈吕军
Original assignee: Yangtze Delta Region Institute of Tsinghua University Zhejiang
Current assignee: Yangtze Delta Region Institute of Tsinghua University Zhejiang
Priority date: 2011-12-02
Filing date: 2011-12-02
Publication date: 2012-05-02
Anticipated expiration: 2031-12-02
Also published as: CN102435481B

Abstract

一种用于环境中挥发性有机物快速检测的电子鼻的预处理装置，它被设在电子鼻气室气路单元的进气口前，包括：外壳；主要用于连接检测仪器的气路和电路接口；主要用于填装温湿度传感器的气室；主要用于去除环境气体中水分和干扰物质的气体预处理单元，主要用于报警的指示灯和蜂鸣器；主要用于整个装置控制和信号处理的嵌入式控制系统；所述的气体预处理单元由除湿单元和纯化单元组成；所述的除湿单元为根填充了干燥剂和水分指示剂的干燥管，所述的纯化单元选用可将干扰物质从待测组分中分离去除的RAE-SEP气体分离管；所述的温湿度传感器单元包括两只主要用于检测环境温湿度，判定干燥装置干燥性能和寿命终点的温湿度传感器；它具有体积小，重量轻，操作简便且干燥管和分离管的使用情况一目了然，与电子鼻系统搭配用于环境中挥发性有机物的快速检测效果显著等特点。

Description

一种用于环境中挥发性有机物快速检测的电子鼻的预处理装置

技术领域

本发明涉及的是一种用于环境中挥发性有机物快速检测的电子鼻的预处理装置，一种能提高电子鼻测试灵敏度的预处理装置。

背景技术

苯系物、氯代烃等挥发性有机物是常用的化工原料和有机溶剂，使用量大面广，挥发性强，性能稳定且具有多种毒性效应。挥发性有机物在生产、使用、储存和处理处置过程中方法不当很容易引起大气、土壤和水体等环境污染，引发生态危害和健康风险。

挥发性有机物的检测通常使用气相色谱技术。气相色谱仪能对污染物组成进行全面分析，对污染物浓度精确定量，但其仪器设备价格昂贵，测试成本较高，需配备专业人员，操作复杂，从标准液配制到结果数据分析需要时间长，在大量样品现场测试时无法满足快速检测和在线监测的要求。电子鼻是一种可用于快速检测挥发性有机气体或臭气的便携式仪器，以传感器为核心检测部件。PID等光敏传感器对挥发性有机物的定量性好，气敏传感器对挥发性有机物的定性分析性强，将PID传感器与各种气敏传感器组合成阵列，有可能实现复杂环境样品中污染组分的快速定性和特定组分的快速定量检测。然而，各种光敏和气敏传感器受湿度等环境条件影响较大，且干扰物质较多，针对特定物质的信号响应特异性不强，影响了电子鼻的检测准确度和精度，有必要开发一种高效、便携的预处理装置以提高电子鼻的定量定性分析性能。

中国发明专利CN200810010884.3公开了一种使用PID快速检测烷烃、烯烃及卤代烃的新方法。该方法的特点是速度快，定量性好，对检测气体湿度要求低，缺点是对放电气体的要求高，且只使用了PID作为检测器，定性效果不好。

中国发明专利CN200410078125.2公开了一种色谱柱分离与气敏传感器联用的便携式气态烃测定仪。受检测气体依次经过净化器、稳压阀、针阀后，进入色谱分离柱进行组分分离，再经气体传感器测试组分浓度。该方法基于气相色谱检测的原理，使用气敏传感器代替FID等检测器，有效减小了设备的体积，增强了设备的便携性；但是由于仍然使用色谱柱分离系统，因此仪器设备的体积不可能缩小很多，且气相色谱分析存在的设备价格偏贵和操作复杂的问题也难以根本解决。

中国发明专利CN 20111030429.9公开了一种用于土壤、水和空气等环境中挥发性氯代烃污染的快速检测电子鼻系统，特别涉及到对环境中挥发性氯代烯烃和氯代烷烃进行选择性分析检测。该专利提出了用PID和气敏传感器阵列迅速定性、定量检测环境中挥发性氯代烯烃和氯代烷烃的电子鼻结构，同时提出了在电子鼻前面加装气体干燥装置和气体分离管，以去除水分和干扰气体，提高电子鼻检测灵敏度的概念。但是此专利的重点在于电子鼻结构，对于如何从装置结构的角度完成水分和干扰气体的去除等预处理过程，以及前处理过程运行故障的预警等方面没有阐述。此外，该专利内容仅适用于挥发性氯代烃的检测，没有涉及其它类别的挥发性有机污染物。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种结构紧凑、便携性好、价格低廉、操作简单、自动化程度高的用于环境中挥发性有机物快速检测的电子鼻的预处理装置。该装置可服务于所有用于环境中挥发性有机污染物检测的电子鼻系统，特别适用于以PID和/或气敏传感器阵列为核心部件的电子鼻速测或在线监测；该预处理装置可有效进行气体样品中水分干燥预处理和干扰气体的分离预处理，提高电子鼻的测试灵敏度。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的，本发明所述的预处理装置被设在电子鼻气室气路单元的进气口前，它包括：外壳；主要用于连接检测仪器的气路和电路接口；主要用于填装温湿度传感器的气室；主要用于去除环境气体中水分和干扰物质的气体预处理单元，主要用于报警的指示灯和蜂鸣器；主要用于整个装置控制和信号处理的嵌入式控制系统。

所述的气体预处理单元由除湿单元和纯化单元组成；所述的除湿单元为根填充了干燥剂和水分指示剂的干燥管，所述的纯化单元选用可将干扰物质从待测组分中分离去除的RAE-SEP气体分离管。

所述的干燥剂选用无水硫酸钠、无水硫酸钙、无水氯化钙、活性氧化铝、高氯酸镁材料中的一种或上述材料的任意组合，或选择分子筛、渗透膜。

本发明所述的温湿度传感器单元包括两只主要用于检测环境温湿度，判定干燥装置干燥性能和寿命终点的温湿度传感器；所述的报警设备单元由两只主要用于预处理单元湿度去除效率的监控报警的LED指示灯和一个蜂鸣器组成。

本发明所述的嵌入式控制系统由嵌入式系统控制核心、触控与显示电路、信号传输电路、信号存储电路组成；嵌入式控制系统主要完成模式识别、数据处理、泵阀的控制、以及必要时将数据传输至PC工作站。

本发明的优点在于：整套系统由嵌入式系统控制，功耗低，体积小，重量轻，携带方便；通过控制电磁阀来完成采气、检测、冲洗等过程的切换，自动化程度高；通过双重方式确保干燥装置的性能，即：（1）干燥管后部玻璃管内指示剂的颜色变化；（2）温湿度传感器测试得到的干燥前后的气体样品中水分含量和报警装置；（3）纯化单元选用气体分离管将待测组分与干扰物质分离，价格低廉，操作简单，提高了检测的精度与准确性。

附图说明

图1电子鼻预处理装置结构示意图；

图2电子鼻预处理装置气路系统示意图；

图3预处理装置干燥单元对湿度的连续去除效果；

图4预处理装置纯化单元对卤代烃与苯系干扰物的分离效果；

图5 土壤真空抽取净化实验装置示意图；

图6 土壤真空抽取净化过程的电子鼻与GC检测结果比较。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作详细的介绍：参照附图1，本发明所述的预处理装置被设在电子鼻气室气路单元的进气口前，它包括：主要用于连接检测仪器的气路和电路接口1、2；主要用于填装温湿度传感器的气室3；主要用于去除环境气体中水分和干扰物质的气体预处理单元4，主要用于报警的指示灯和蜂鸣器5；主要用于整个装置的控制和信号处理的嵌入式控制系统6；主要用于放置1,2,3,4,5,6的外壳7。

本发明所述的气体预处理单元由除湿单元和纯化单元组成。除湿单元为2根填充了干燥剂和水分指示剂的干燥管，其中干燥剂根据其使用对象以及对安全性、再生性的要求可选用包括但不局限于无水硫酸钠、无水硫酸钙、无水氯化钙、活性氧化铝、高氯酸镁等材料，亦可选择分子筛、渗透膜等新技术，以及上述材料的组合；纯化单元选用独特的RAE-SEP气体分离管将干扰物质从待测组分中分离去除，提高检测的准确度和精度。

本发明所述的温湿度传感器单元包括两只温湿度传感器，其中所述传感器主要用于检测环境温湿度，判定干燥装置干燥性能和寿命终点。

本发明所述的报警设备单元由两只LED指示灯（红、绿各一只）和一个蜂鸣器组成，主要用于预处理单元湿度去除效率的监控报警。

本发明所述的嵌入式控制系统由嵌入式系统控制核心、触控与显示电路、信号传输电路、信号存储电路组成。嵌入式控制系统主要完成模式识别、数据处理、泵阀的控制、以及必要时将数据传输至PC工作站。

参照附图2，系统气路为两条，一条为采气、检测气路；另一条为冲洗气路。每条气路由待测气体8、气室①9、三通阀①10、干燥管11、指示剂12、分离管13、三通阀②14、气室②15、电子鼻16组成。

实施例如下：

实施例1、湿度去除效果，

双口管（规格：14.14）中填充无水氯化钙9.64 g，填充密度为0.68 g·cm^-3，两端用钢丝圈塞紧，防止干燥剂随气流进入阻塞管路。向干燥管通入初始湿度为75%的空气，通气流量为0.4 L·min^-1，温度30℃。干燥管出口的空气中湿度变化如图3所示。通气初期，管路中残存一部分湿润空气，经干燥后的空气不断吹扫，湿度在大约5 min内降至零；运行第5 - 90 min，干燥管出口的空气湿度持续稳定在检出限以下，即湿度去除率为100%；第100 - 200 min，干燥管出口的空气湿度略有上升，但幅度较小，湿度去除率保持在90%以上；200 min后，干燥管的除湿性能急剧下降，干燥管出口的空气湿度逐步增加。综上，连续通气条件下干燥管的寿命能维持约200 min左右，湿度去除率保持在90%以上。若电子鼻采用间歇检测模式，按照一个采样周期3 min计算，每个干燥管可完成约60次检测。

实施例2、干扰气体去除效果，

利用中国发明专利CN 20111030429.9的电子鼻检测挥发性氯代烃，选用美国RAE公司的RAE-SEP卤代烃分离管去除气体样品中的苯系物等干扰物质。为考察卤代烃分离管对挥发性氯代烃和干扰物质的分离效果，用标准气体发生装置（GASTEC PD-1B）发生固定浓度的甲苯、乙苯、二甲苯、氯苯等常见苯系物与PCE、TCE、CT等常见挥发性有机物的混合气体，用GC对通过卤代烃分离管前后的混合气体组分和浓度进行检测，如图4 所示。PCE、TCE、CT等挥发性氯代烃在通过分离管后气体浓度基本没有减少，透过率达90%以上。乙苯和二甲苯几乎被分离管全部截留，透过率只有3%；氯苯和甲苯的透过率虽然比乙苯和二甲苯高，但也分别低于20%和10%。上述结果表明，RAE-SEP卤代烃分离管可以有效去除苯系物等干扰物质，选择性透过PCE、TCE等挥发性氯代烃。

实施例3、土壤真空抽取净化过程的实时监测，

将预处理装置与专利CN 20111030429.9电子鼻联用，用于受挥发性氯代烃污染土壤的真空抽取净化进程的实时监测。预处理装置选用无水氯化钙作为干燥剂，湿度指示剂为变色硅胶；选取美国RAE公司生产的RAE-SEP卤代烃分离管去除苯系物等干扰物质。土壤真空抽取净化过程如下：将5 g污染土壤样品放入玻璃柱内，填充高度约5 cm。迅速连接于图5所示的通气脱离装置上。该装置包括气泵、加温装置、缓冲瓶、恒温水槽、活性炭和抽气泵；打开气泵，通空气，流量为50 mL·min^-1。通气大约1 min待气流均匀稳定后，用电子鼻和GC同时检测预处理系统进口和出口的气体浓度，结果如图6所示。整个检测过程中电子鼻与GC的检测结果吻合度好，说明预处理装置效果明显。

Claims

1.一种用于环境中挥发性有机物快速检测的电子鼻的预处理装置，它被设在电子鼻气室气路单元的进气口前，其特征在于它包括：外壳（7），主要用于连接检测仪器的气路和电路接口（1、2）；主要用于填装温湿度传感器的气室（3）；主要用于去除环境气体中水分和干扰物质的气体预处理单元（4），主要用于报警的指示灯和蜂鸣器（5）；主要用于整个装置控制和信号处理的嵌入式控制系统（6）。

2.根据权利要求1所述的用于环境中挥发性有机物快速检测的电子鼻的预处理装置，其特征在于所述的气体预处理单元（4）由除湿单元和纯化单元组成；所述的除湿单元为2根填充了干燥剂和水分指示剂的干燥管，所述的纯化单元选用可将干扰物质从待测组分中分离去除的RAE-SEP气体分离管。

3.根据权利要求2所述的用于环境中挥发性有机物快速检测的电子鼻的预处理装置，其特征在于所述的干燥剂选用无水硫酸钠、无水硫酸钙、无水氯化钙、活性氧化铝、高氯酸镁材料中的一种或上述材料的任意组合，或选择分子筛、渗透膜。

4.根据权利要求1所述的用于环境中挥发性有机物快速检测的电子鼻的预处理装置，其特征在于所述的温湿度传感器单元包括两只主要用于检测环境温湿度，判定干燥装置干燥性能和寿命终点的温湿度传感器；所述的报警设备单元由两只主要用于预处理单元湿度去除效率的监控报警的LED指示灯和一个蜂鸣器组成。

5.根据权利要求1所述的用于环境中挥发性有机物快速检测的电子鼻的预处理装置，其特征在于所述的嵌入式控制系统由嵌入式系统控制核心、触控与显示电路、信号传输电路、信号存储电路组成；嵌入式控制系统主要完成模式识别、数据处理、泵阀的控制、以及必要时将数据传输至PC工作站。