CN102539795A - 一种自动测定反硝化产生的气体的装置 - Google Patents

Abstract

一种自动测定反硝化产生的气体的装置，利用公知的反硝化培养装置中原阀控单元中的备用开关量作为色谱启动和数据标记信号，并利用安捷伦6820型气相色谱(以下简称GC6820)的备用阀3控制切换气路的电磁阀，将该开关量耦合入GC6820中；GC6820被远程触发之后，阀3“开”时气体样品直接进入两台色谱分别测定N₂、N₂O和CO₂，阀3“关”时切换气路，样品自动稀释之后进入氮氧化物分析仪测定NO并使用高频数据采集器在线记录NO浓度数据。

Description

一种自动测定反硝化产生的气体的装置

技术领域

本发明涉及一种自动分析装置，具体地涉及一种自动测定反硝化产生的气体(N₂O、NO、N₂和CO₂)的装置。

背景技术

土壤中的反硝化作用，将NO₃ ^-转化成NO、N₂O和N₂，是全球氮素循环的重要一环。控制反硝化影响因子(如底物、温度、湿度和氧气含量等)对土柱进行培养，测定在对应条件下，各种含氮气体产物的排放比例和累积量，对建立气候变化、大气污染模型和全球氮素平衡有重大意义。

反硝化作用的终产物和比例最大的产物是N₂，而由于受到空气中78％N₂含量的限制，直接定量研究反硝化氮气排放变得很困难。目前，对于土壤反硝化的排放测定主要有间接法测定反硝化氮气排放法(包括乙炔抑制法和同位素标记法等)和氦气吹扫土柱顶部空间直接定量氮气法(注解：氦气吹扫土柱顶部空间法，即将土柱密封在气密性良好的有一定顶部空间的培养罐中培养；通过一系列的流速控制和阀控装置，使以氦气为底气的培养气体不间断匀速通过该顶部空间，带出土壤排放的气体；该气体间隔一定时间被外界采集，气体浓度在相关分析仪器上进行检测分析，使用半动态箱法计算该时间段内反硝化气体的排放速率)。

由于间接测定反硝化氮气测定法，具有干扰反硝化微生物的自然环境等固有缺陷。近年来国外研究人员逐步发展起来的以氦气吹扫土柱顶部空间直接测定氮气排放的方法，并在反硝化测定中得到越来越广泛的利用。特别是王睿等(见Wang R.，Willibald G.，Feng Q.，Zheng X.，Liao T.，Bru□ggemann，N.Butterbach-Bahl K.，2011.Measurement of N₂，N₂O，NO，and CO₂ emissions from soil with the gas-flow-soil-core technique.Environmental Science and Technology 45，6066-6072.)的改进和发展下，N₂的直接测定技术得到了可观的进步，其检测精度达到0.2ppmv。

目前的技术在培养系统的采样口，按照进气流速(20ml min^-1)用50ml针筒采集样品，稀释之后分别注射10ml进气相色谱的N₂O和CO₂的定量环进行分析；事先用质量流量控制器以一定流量充一定时间的N₂在干净的5L气袋中(鉴于氮氧化物分析仪从通入气体到读数稳定需要2min，而泵气体流量需求是700ml min^-1左右，因此气袋充气量至少1800ml)，将剩下的40ml样品打入气袋进行稀释混匀，连接在氮氧化物分析仪的进样口测定，2min后人工读取稳定后的读数。N₂则是该反硝化系统自带的气相色谱自动启动测定的。具体的采样序列和排放速率计算方法见王睿等(2011)。

该采样方法受到手动采样(4分钟一次，进行15次)，手动稀释和进样，提前充气袋(容易引入体积误差)，人工读取NO数据，测定结束后清洗气袋的繁复操作的限制，不仅需要5个小时以上完成一次采样，更需要2-3个人参与。该采样方法导致的结果就是，容易人工引入误差，难以在夜间采样，每天的采样频率最多只能达到三次。

发明内容

本发明的目的在于建立一个对反硝化气体进行全自动采样-稀释-分析-数据采集的装置，以减少人力投入和人为引入的误差，提高测定频率和精度。

为实现上述目的，本发明在公知的反硝化培养系统基础上，利用原有反硝化培养装置中阀控单元作为色谱的启动信号，并将切换气路的电磁阀耦合入GC6820方法中，整合培养系统、采样气路系统和气体分析系统，在电磁阀的调控下，气体样品一路直接进入两台色谱分别测定N₂和N₂O、CO₂，另一路利用化学发光法-动态稀释在线测定NO浓度，并使用高频数据采集器记录NO浓度数据，实现高频率、高精度地同步分析反硝化培养过程中产生的气体(N₂、N₂O、NO和CO₂)，节省人工和时间、降低人为的误差。

与公知的技术相比，减少的人力投入和人为引入的误差，可以提高测定频率(每天最多能达到6次)，更利于抓住培养过程的排放峰值，对反硝化过程的各种气体的排放累积量的准确估算有重要意义。

附图说明

图1为公知的反硝化培养系统示意图，图中FC为质量流量控制器；P为真空泵。

图2是本发明的装置示意图，图中的实线表示气路，虚线表示信号电路；PC是电脑设备(可以不止一台)；FC是质量流量控制器。

图3是本发明自动采样分析装置的工作流程示意图，图中#1和#0是IDAWs软件所读取的程序代码，#1表示开，#0表示关。

具体实施方式

首先要说明，原培养系统由置于恒温水浴中的高度气密性的3个独立培养罐和一系列阀控单元构成(见图1)。其阀控单元包括3个质量流量控制器FC(电压模拟输出)，24个开关量(高电平触发)，其中含有3个未使用的备用开关量。这些阀控单元的动作全部受到IDAWs软件的控制。根据培养的需要，通过编写IDAWs可识别的程序，按照运行时间秒数控制阀控单元(对开关量#1为开，#0为关，对质量流量控制器是输出电压信号值(满量程为5V))，实现培养罐顶部空间的打开关闭、泵抽吸等和气体的流速成分配制(主要是含氧量)等关键动作。其采样程序举例如表1所示。自动分析过程的具体流程见图3。

N₂的分析(与原系统相同)：气体样品以20ml min^-1的流速从培养系统的出口均匀流出，Digital_21触发微型气相色谱(3000 AgilentTechnologies Inc.，Wilmington，DE)(以下简称GC3000)，其内置泵启动，以3ml min^-1的流量抽吸样气20s并自动开始分析。分析时间为2min，检测器为热导检测器(TCD)，检测精度达到0.2ppmv。

N₂O和CO₂的分析：在GC3000启动的同时，Digital_23触发6820型气相色谱(6820 Agilent Technologies Inc.，Wilmington，DE)。GC6820仪器内部一共配置有4个阀(开关量)，阀1用于控制分析N₂O的十通阀的阀位，阀2用于控制分析CO₂的六通阀和分析N₂O的四通阀的阀位。我们将备用的阀3与外部电磁阀用相连，并将对阀3的开关控制写进GC6820的分析方法。其方法见表2。首先阀3“开”的状态时对电磁阀通电，使电磁阀转到状态“O”，气体样品开始进入GC6820气路并载入定量环(分析CO₂和N₂O的定量环串联)。为保证定量环气路冲洗干净并完全载入样品，电磁阀打开时间为不低于1min。经过3s的气压平衡之后，GC6820开始转阀分析样品。每一天根据样品中含有的N₂O和CO₂浓度用标准气体作五个点的标准曲线，标定样品浓度。该仪器对N₂O和CO₂的检测精度分别可以达到1.7ppbv和1.3ppmv(分别使用电子捕获检测器(ECD)和火焰离子化检测器(FID)分析)。色谱进样仪技术为中国科学院大气物理研究所2011年公开的专利“同时测定大气二氧化碳、甲烷和氧化亚氮的系统和方法”(专利公开号CN102095827A)。

NO的分析：本发明采用化学发光法-动态稀释在线测定NO浓度技术，包括氮氧化物分析仪，即NO-NO₂-NOx chemiluminescence Analyzer(42iThermo Environment Instrument Inc.，USA)(以下简称NOx分析仪)，高纯氮气，两个流量控制器(如图2中FC-1和FC-2)以及气密性良好的气体混合管道构成。当GC6820中的阀3处于“关”的状态时，电磁阀也处在状态“C”(常关)，样气通过FC-1(量程30ml min^-1)在三通处与通过FC-2(量程1000ml min^-1)的高纯氮气会合，直接进入NOx分析仪的反应池混合进行测定；样气和稀释气体总流速设定在380-420ml min^-1，小于NOx分析仪内置泵所需的最大流速(710ml min^-1)，因此FC-1的出口端保持负压，从而使样气从FC-1平稳流出；同时，样气流过FC-1的流速小于样气总流速20ml min^-1(一般设定为5-15ml min^-1)，多余的气体从平衡管释放，以使系统内部压力与大气压平衡。测定时，FC-1，FC-2以及氮氧化物分析仪的NO读数，以电压信号的形式，记录在高频数据采集器的不同通道中，记录频率最高可以达到1Hz。每一秒钟的数据，经过电压信号的转化即可计算实时浓度按行记录在数据库中。为了方便处理高频数据采集器中记录的海量的数据，本发明利用原培养系统中的备用开关量Digital_24，对有效数据进行标记(高频数据采集器中的通道8读数非零时该行为有效数据)，具体通道的转化见表3。通过以下公式可以计算样气中的NO浓度。

$D=\frac{V_s\×6+V_d\×200}{V_s\×6}$

$C_{\mathrm{NO}}^{*}=C_{\mathrm{NO}}\×D$

该公式中，D是稀释倍数，V_s为样气的电压信号读数，V_d为稀释气体的电压信号值，C_NO为NO浓度的电压信号值，

为最终转换得到的NO实时浓度(ppbv)。根据需要NO可以和其他气体一起测定，也可以紧随其他气体测定结束之后单独测定。

为了测试自动分析系统的可靠性，通过手动自动相结合的验证实验进行说明。

实验的具体方案是：在土壤中加入适量的葡萄糖溶液和KNO₃，使土壤反硝化相关微生物有足够的碳氮底物；低于2℃下，土壤中N₂和O₂被He完全置换。在该条件下，反硝化过程既在发生，又受到低温的抑制。Wang et al.(2011)的研究成果表明，这时培养土壤处于N₂、N₂O、NO以及CO₂排放的相对稳定期。维持该状态40h，使用手动和自动交替测定各种气体的排放。见表4，测定结果显示，手动和自动测定结果符合，没有显著偏差。

本发明能够高频、高精度地完成反硝化培养过程中产生的气体(N₂、N₂O、NO和CO₂)的分析，节省人工和时间、降低人为引入的误差，有利于更加准确地抓住排放峰值，为累积排放量和回收率的准确计算提供有力工具。

表1：采样程序举例(截取对培养罐1采样的执行程序)

3900＝Analog_1；#0.4；
	3900＝Analog_2；#0；
3900＝Analog_3；#0.4；
	3900＝Digital_17；#1；
3900＝Digital_18；#0；
	3900＝Digital_19；#1；
3900＝Digital_1；#1；
	3900＝Digital_2；#0；
3900＝Digital_3；#0；
	3960＝Digital_10；#1；
3960＝Digital_11；#1；
	4110＝Digital_21；#1；
4110＝Digital_23；#1；
	4115＝Digital_21；#0；
4115＝Digital_23；#0；
	4200＝Digital_10；#0；
4200＝Digital_11；#0；
	..................
8460＝Digital_10；#1；
	8460＝Digital_11；#1；
8670＝Digital_24；#1；
	8700＝Digital_24；#0；
8700＝Digital_10；#0；
	8700＝Digital_11；#0；
..................

注：

1)表1中的3900等数字表示动作执行的时间(秒数)；

2)Analog_1-Analog_3代表以此He，O₂，N₂标气(100ppmvN₂ in He)质量流量控制器的流量信号，该设置条件下，实际流量是0.4V×40+0V×10+0.4V×10＝20ml min^-1(40，10，10分别是He，O₂，N₂标气模拟电压信号转化成流量时的转换系数)；

3)Digital_17-19代表He，O₂，N₂标气3路气体的截止阀开关；

4)Digital_1-3代表气路进入3个培养罐的总路截止阀开关，该段程序中只打开培养罐1；

5)Digital_10，11代表培养罐1的顶部空间进出口截止阀，该开关为1表示打开培养罐1进行采样，采样时间240s，然后关闭培养罐进出口；培养罐2和3的顶部空间进出口截止阀分别为，Digital_12、13和Digital_14、15；

6)Digital_21和Digtal_23启动(#1)之后，高电平触发脉冲信号，分别远程启动GC3000和GC6820，两台色谱分别按照设定方法开始分析N₂，以及N₂O和CO₂，触发后5s关闭(#0)；

7)Digital_24在关闭培养罐1前30s启动(#1)，开始产生电压信号，被高频数据采集器记录在通道8中，作为NO有效数据行的标记，该信号关闭(#0)时通道8中的记录为0.

表2：GC6820同时分析N₂O和CO₂的方法

表3：高频数据采集器中不同通道记录的项目以及对应的转换系数

表4：手动自动结合采样实验结果

注：每一个测定数据由3个平行实验数据平均得到(本系统有3个培养罐同时进行培养实验)。

Claims (2)

1.一种自动测定反硝化产生的气体的装置，利用公知的反硝化培养装置中原阀控单元中的备用开关量作为色谱启动和数据标记信号，以及色谱中的备用阀3控制切换气路的电磁阀，将该开关量耦合入GC6820中；GC6820被远程触发之后，阀3“开”时气体样品直接进入两台色谱分别测定N₂、N₂O和CO₂，阀3“关”时切换气路，样品自动稀释之后进入氮氧化物分析仪测定NO并使用高频数据采集器在线记录NO浓度数据。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，利用化学发光法-动态稀释在线测定NO浓度。

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