CN102445415A

CN102445415A - 一种二氧化氮光解装置

Info

Publication number: CN102445415A
Application number: CN2011103109587A
Authority: CN
Inventors: 曾立民; 曹玮
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2011-10-14
Filing date: 2011-10-14
Publication date: 2012-05-09
Anticipated expiration: 2031-10-14
Also published as: CN102445415B

Abstract

本发明涉及一种二氧化氮光解装置，其特征在于：它包括光源系统、气路系统和散热系统；光源系统包括两个规格相同的长条状的基座，两个基座上分别沿轴向设置有一半圆柱形凹槽，两个基座对接形成一个圆柱形通道；两个基座上均间隔设置有若干连通圆柱形通道的灯孔，各个灯孔内均设置有一LED紫外灯；同一基座上的各LED紫外灯串联连接成一组光源，两个基座上串联连接的两组LED紫外灯光源并联连接供电系统；气路系统包括一穿设在圆柱形通道内的石英管，石英管的两端各设置一个管接头；散热系统包括两个散热基体，每一散热基体对应设置在一基座上，且与该基座上的一组LED紫外灯的LED灯泡底座连接；两个散热基体上均间隔设置有若干与LED紫外灯排布方向平行的散热片。

Description

一种二氧化氮光解装置

技术领域

本发明涉及一种光解装置，特别是关于一种适合于氮氧化物在线分析和监测仪器中使用的二氧化氮光解装置。

背景技术

氮氧化合物NO_X是大气中主要污染物之一，其包含一氧化氮NO和二氧化氮NO₂两种含氮化合物，其来源可分为天然源和人为源。天然源大部分是生物源，包括生物机体的腐烂排放、亚硝酸盐的氧化以及氨基酸的分解；人为源中的主要来源是燃烧源，其中2/3来自汽车等流动源的排放，1/3来自固定源的排放。

研究表明：NO₂和NO的循环是对流层唯一已知的臭氧产生机制，对空气质量，以及区域和全球尺度的大气氧化性有影响；NO₂还是地球表面产生光化学烟雾的重要前体物，以及酸雨的重要形成原因之一；此外，对流层大气的显著特点是化学性质活泼，主要是由NO_X-有机物体系造成；NO₂的毒性比NO的毒性高4～5倍，达到一定浓度后能刺激人的呼吸器官，引起急性和慢性中毒，影响和危害人体健康。因此，二氧化氮是大气环境监测和环境容量评价的重要指标。

目前所应用的NO₂测量技术可分为光谱法和化学发光法两类。常用的光谱技术有差分吸收光谱(DOAS)、红外可调谐二极管激光光谱(TDLS)、激光诱导荧光(LIF)、光腔衰荡光谱(CRDS)等，可利用NO₂的吸收光谱直接测定，但测量精度受到NO₂光解的影响，而且检测限相对较高。化学发光法是通过钼转化炉将NO₂首先还原为NO，再通过NO与O₃的化学发光原理(检测限极低，为2.5×10^-12(体积比))进行检测，但是，钼转换炉的选择性不好，其他氮氧化物(如N₂O、HNO₃、硝酸盐等，即部分NO_y物种，NO_y物种包括NO_X)会同NO₂一起转化为NO，造成测量的NO₂和NO_X值偏高。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够避免其它氮氧化物的转化对NO₂及NO_X定量的影响，选择性好，转化率和准确度高的二氧化氮光解装置。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种二氧化氮光解装置，其特征在于：它包括光源系统、气路系统和散热系统；所述光源系统包括两个规格相同的长条状的基座，两个所述基座上分别沿轴向设置有一半圆柱形凹槽，两个所述基座对接，两个所述半圆柱形凹槽之间形成一个圆柱形通道；两个所述基座上均间隔设置有若干连通所述圆柱形通道的灯孔；各个所述灯孔内均设置有一LED紫外灯，各所述LED紫外灯均通过一LED灯泡底座固定在所述基座上；同一所述基座上的各个所述LED紫外灯串联连接成一组光源，两个所述基座上串联连接的两组所述LED紫外灯光源并联连接供电系统；所述气路系统包括一石英管，所述石英管穿设在所述圆柱形通道内，所述石英管的两端各设置一个用于连接气管的管接头；所述散热系统包括两个散热基体，每一所述散热基体对应设置在一所述基座上，且与该所述基座上的一组所述LED紫外灯的所述LED灯泡底座连接；两个所述散热基体上均间隔设置有若干与所述LED紫外灯排布方向平行的散热片。

所述供电系统为一带控制器的稳压电源；所述控制器与切换NO_x/NO模式的电磁阀并联后，串联连接稳压电源，通过所述电磁阀的切换实现所述控制器的工作与否。

两个所述基座上的所述灯孔沿所述圆柱形通道间隔交替设置。

每一所述基体外部的一组所述LED紫外灯的所述LED灯泡底座与该所述基体之间设置有一聚四氟乙烯绝缘层。

所述LED紫外灯的光源波长为350～420nm，工作电压为3.6～54.0V，工作电流为100～1000mA，额定功率为1W以上。

所述基座、LED灯泡底座、两散热基体和若干散热片均采用铝质材料制成；所述管接头采用聚四氟乙烯材料制成。

两个所述基座对接形成的所述圆柱形通道的直径为10mm，所述石英管的直径为10mm。

所述基座的整个表面镀一层微米级厚度的金层。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用若干LED紫外灯发出的350～420nm波长的光作为光解光源，根据光学原理，在350～420nm波长的光源下，只有NO₂发生光解反应转化为NO，其他氮氧化物(如_N2O、HNO₃、硝酸盐等部分NO_y)均不发生反应，因此，避免了使用基于325℃下热还原法的钼转化炉时，部分NO_y转化为NO而造成的正误差，灵敏度高、选择性好，提高了测量结果的准确性。2、本发明包括两个对接的基座，基座之间形成圆柱形通道，石英管穿设在圆柱形通道中，两个基座上均设置有若干灯孔，灯孔内设置的LED紫外灯提供光源，由于两个基座上的灯孔沿圆柱形通道交替间隔设置，因此，各个LED紫外灯能够交错对应提供光源，增加了光源的利用率。3、本发明的各个LED紫外灯通过LED灯泡底座固定在基座上，且在LED灯泡底座与基座之间加设了一层聚四氟乙烯材料绝缘，因此，避免了LED灯泡底座上的金属材料与基座之间的导通，确保了电路的安全性和稳定性。4、本发明LED紫外灯通过基座固定在散热基体上，散热基体上设置有若干散热片，因此，本发明可以通过散热片进行热量传递，使光源系统的温度不致过高，保证光解反应的正常进行。5、本发明基座的表面采用镀金处理，增大了紫外光的反射率，从而提高了光源的利用效率，进而提高了NO₂的转化率。6、本发明的控制器与电磁阀并联后串联在稳压电源上，当电磁阀切换至NO_x模式时，控制器工作，稳压电源给光源供电，NO₂发生光解；当电磁阀切换至NO模式时，控制器断开，光源不工作；从而实现了光源与NO_x模式同步的效果，同时提高了光源的利用率。本发明结构简单，使用灵活，方便拆装和更换，且所用材料多为铝材、聚四氟乙烯和石英玻璃，相对易获取且价格低廉，因此，可广泛用于氮氧化物在线分析和监测过程中。

附图说明

图1是本发明结构示意图

图2是本发明基座侧视示意图

图3是本发明基座俯视示意图

图4是本发明LED紫外灯排布示意图

图5是本发明供电系统示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明包括光源系统1、气路系统2和散热系统3。

如图1～3所示，本发明的光源系统1包括两个规格相同的长条状的基座11，两个基座11上分别沿轴向设置有一半圆柱形凹槽12，两个基座11对接，并通过两个基座11外部设置的铝片连接固定。两个基座11上的半圆柱形凹槽12之间形成一个圆柱形通道13。两个基座11上均间隔设置有若干连通凹槽12的锥形灯孔14，两个基座11上的灯孔14沿圆柱形通道13间隔交替设置。如图1、图4所示，两个基座11上的各个灯孔14内均设置有一LED紫外灯15，各LED紫外灯15均通过一LED灯泡底座16固定在基座11上，各个LED灯泡底座16设置在基座11外部，LED灯泡底座16与基座11之间设置有一聚四氟乙烯绝缘层17，防止LED灯泡底座16与基座11导通。同一基座上的各个LED紫外灯15串联连接成一组光源，两个基座11上串联连接的两组LED紫外灯15并联连接供电系统4(如图5所示)。

如图1所示，本发明的气路系统2包括一石英管21，石英管21穿设在两个基座11之间形成的圆柱形通道13内，石英管21的两端各连接一个管接头22，其中一管接头22连接石英管21和进气管23，另一管接头22连接石英管21和出气管24。

本发明的散热系统3包括两个散热基体31和若干散热片32。其中一个散热基体31通过四角的固定螺钉设置在一个基座11上，该基座11上的一组LED紫外灯15的LED灯泡底座16通过顶丝也固定连接在该散热基体31上；另一个散热基体31通过四角的固定螺钉设置在另一基座11上，该基座11上的一组LED紫外灯15的LED灯泡底座16通过顶丝也固定连接在该散热基体31上。两个散热基体31上均间隔设置有若干与LED紫外灯15排布方向平行的散热片32，从而实现了光源边工作边散热的效果。

如图5所示，本发明的供电系统4为一带控制器41的稳压电源42；控制器41与切换NO_x/NO模式的电磁阀43并联后，串联在稳压电源42中，通过电磁阀43的模式切换来控制稳压电源42的工作与否。当电磁阀43切换到NO_x模式时，控制器41同步连通，光源供电，当电磁阀43切换至NO模式时，控制器41断开，光源不供电，以此实现光源最大利用率。由此可见，将控制器41与切换NO_x/NO模式的电磁阀43并联后，串联接入稳压电源42，能够实现电源与NO_x/NO模式的同步切换；在NO_x模式下，可以用来光解测定NO_x；在NO模式下，可以用来直接测定NO；NO₂为NO_X和NO二者之差。

上述实施例中，基座11采用铝质材料制成。两个基座11对接形成的圆柱形通道13的直径为10mm，石英管21的直径为10mm，穿入上述10mm的圆柱形通道13中，石英管21两端的管接头22采用聚四氟乙烯材料制成，连接进气管23的管接头22的尺寸为1/4英寸转Φ10mm，连接出气管24的管接头23的尺寸为Φ10mm转1/4英寸，两个管接头22内部均采用O型密封圈密封。

上述实施例中，采用直径为10mm的石英管21。通过改变气体进样流量，可以改变NO_x气体在石英管21中的停留时间；石英管21的长度可以根据需要调整。

上述实施例中，各LED灯泡底座16均为铝制贴片底座。

上述实施例中，两散热基体31和若干散热片32均采用铝质材料制成。

上述实施例中，基座11的整个表面镀一层微米级厚度的金层，可以大大提高光的反射率，从而提高光源的利用率。

上述实施例中，LED紫外灯15的数量和排布可以根据需要进行调整。

上述实施例中，带控制器41的稳压电源42是一个市售110V/220V的交流电转化为直流稳压电源，通过调节稳压电源42内部的变阻器，使得输出电压为20V，输出电流为2A以上，其作用是为LED紫外灯15提供稳定的电压。

上述实施例中，LED紫外灯16的光源波长350～420nm，工作电压3.6～54.0V，工作电流100～1000mA，额定功率1W以上，若干个LED紫外灯16分为两组串联后并联在电路中，总功率可达几十瓦，因此，相对于单个光源，有效地提高了光通量，从而提高了NO₂的光解效率。

本发明装置的设置依据以下原理：根据NO₂的光谱图，根据光谱学原理，当吸收光的波长在350～420nm波段时，NO₂发生光解反应生成NO和O自由基，即NO₂+hv(λ＜420nm)→NO+O(³P)；因此，本发明利用LED紫外灯350～420nm的光作为光源对NO₂进行光解还原反应，通过NO的测定从而定量NO₂。

本发明的工作过程：LED紫外灯15对接在两基座11的灯孔14中，并通过灯孔14使光透射到石英管21上；空气中的待测气体从前端进气管23进气，当电磁阀43切换至NO_x模式时，气体经管接头22进入石英管21，由于电磁阀43的切换，带控制器41的稳压电源42的电路同步导通，若干LED紫外灯15发光，NO₂在石英管21中吸收LED紫外灯15发出的紫外光即发生光解反应，反应后的气体经管接头22进入后端出气管24，利用NO化学发光进行检测；当电磁阀43切换至NO模式时，带控制器41的稳压电源42的电路断开，各LED紫外灯15关闭，NO₂光解装置停止工作。总体来讲，是通过电磁阀43的切换控制NO₂光解反应的进行。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims

1.一种二氧化氮光解装置，其特征在于：它包括光源系统、气路系统和散热系统；

所述光源系统包括两个规格相同的长条状的基座，两个所述基座上分别沿轴向设置有一半圆柱形凹槽，两个所述基座对接，两个所述半圆柱形凹槽之间形成一个圆柱形通道；两个所述基座上均间隔设置有若干连通所述圆柱形通道的灯孔；各个所述灯孔内均设置有一LED紫外灯，各所述LED紫外灯均通过一LED灯泡底座固定在所述基座上；同一所述基座上的各个所述LED紫外灯串联连接成一组光源，两个所述基座上串联连接的两组所述LED紫外灯光源并联连接供电系统；

所述气路系统包括一石英管，所述石英管穿设在所述圆柱形通道内，所述石英管的两端各设置一个用于连接气管的管接头；

所述散热系统包括两个散热基体，每一所述散热基体对应设置在一所述基座上，且与该所述基座上的一组所述LED紫外灯的所述LED灯泡底座连接；两个所述散热基体上均间隔设置有若干与所述LED紫外灯排布方向平行的散热片。

2.如权利要求1所述的二氧化氮光解装置，其特征在于：所述供电系统为一带控制器的稳压电源；所述控制器与切换NO_x/NO模式的电磁阀并联后，串联连接稳压电源，通过所述电磁阀的切换实现所述控制器的工作与否。

3.如权利要求1所述的二氧化氮光解装置，其特征在于：两个所述基座上的所述灯孔沿所述圆柱形通道间隔交替设置。

4.如权利要求2所述的二氧化氮光解装置，其特征在于：两个所述基座上的所述灯孔沿所述圆柱形通道间隔交替设置。

5.如权利要求1或2或3或4所述的二氧化氮光解装置，其特征在于：每一所述基体外部的一组所述LED紫外灯的所述LED灯泡底座与该所述基体之间设置有一聚四氟乙烯绝缘层。

6.如权利要求1或2或3或4所述的二氧化氮光解装置，其特征在于：所述LED紫外灯的光源波长为350～420nm，工作电压为3.6～54.0V，工作电流为100～1000mA，额定功率为1W以上。

7.如权利要求5所述的二氧化氮光解装置，其特征在于：所述LED紫外灯的光源波长为350～420nm，工作电压为3.6～54.0V，工作电流为100～1000mA，额定功率为1W以上。

8.如权利要求1或2或3或4或5或6或7所述的二氧化氮光解装置，其特征在于：所述基座、LED灯泡底座、两散热基体和若干散热片均采用铝质材料制成；所述管接头采用聚四氟乙烯材料制成。

9.如权利要求1或2或3或4或5或6或7或8所述的二氧化氮光解装置，其特征在于：两个所述基座对接形成的所述圆柱形通道的直径为10mm，所述石英管的直径为10mm。

10.如权利要求1或2或3或4或5或6或7或8或9所述的二氧化氮光解装置，其特征在于：所述基座的整个表面镀一层微米级厚度的金层。