CN102636479B - 一种大气重金属在线检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大气重金属在线检测系统，其特征在于：它包括一除湿装置，样气由所述除湿装置上端进口处进入，所述除湿装置下端的出口经一粒径切割装置连接一颗粒物浓缩装置输入端，所述颗粒物浓缩装置输出端连接所述原子热激发装置的输入端；所述原子热激发装置的输入端还连接一氩气源；所述原子热激发装置两侧侧壁上设置有水冷装置，所述水冷装置经过一水泵连接制冷散热装置；所述原子热激发装置输出端、颗粒物浓缩装置和氩气源分别连接流量控制器，各所述流量控制器控制端均电连接一流量控制系统，各所述流量控制器输出端均连接一总管路；所述流量控制系统和原子热激发装置均由一控制终端控制工作。本发明能广泛在环境保护自动监测中应用。

Description

一种大气重金属在线检测系统

技术领域

本发明涉及一种大气检测系统，特别是关于一种大气重金属在线检测系统。

背景技术

由于燃煤量一直居高不下，机动车日趋增多，随之产生的大气重金属污染愈发的严重，已有研究表明大气重金属污染对人体健康，动植物生态毒理等方面有着显著的影响，这些重金属元素包括铅、铜、镉、砷、铬、镍、硒、汞等元素，还包括营养元素铁，对海生生物有影响的铝。重金属对环境的危害首先取决于其自身的物理化学性质，再次是环境中的含量，虽然对重金属的化学特征，生理毒性，来源解析等方面有一定的研究，但还有很多方面，例如大气重金属在环境中的迁移转化有待深入研究，这就对监测重金属的方法和技术有了更高的要求。

重金属在大气中的浓度并不高，属于痕量级，例如在一般城镇地区，镉，钴，银的平均浓度在0.1ng/m³浓度水平，砷，铬，锰，铅，硒，钒的平均浓度在1～5ng/m³，钛和锌在10ng/m³左右，铝和铁在100ng/m³，在这一浓度水平很难实现重金属的在线监测。目前对重金属的监测大部分采用膜或撞击器进行预浓缩采样，再通过AAS(原子吸收光谱)，ICP-MS(电感耦合等离子体质谱)等检测仪器测量，AAS及ICP-MS可以同时检测多种重金属元素，检测限低，灵敏度高。但是由于这种离线分析的方式时间分辨率不高，难以满足研究重金属元素迁移转化的需要，而且ICP-MS价格昂贵，操作复杂也不易于推广使用。利用XRF(X射线荧光光谱分析)技术的检测仪器也是一种基于膜采样的半连续检测仪器，虽然一定程度上提高了时间分辨率，而且其检测属于无损检测，能进行多种元素同时检测，但其昂贵的价格使得该仪器不易于推广。所以现有的重金属监测技术难以满足实时、大范围监测，重金属在线检测是现在大气重金属研究领域的一大难题。

AES(原子发射光谱)是一种常用的重金属检测的技术，特别是ICP-AES(电感耦合等离子体发射光谱仪)，其检测限低，灵敏度高，可同时进行多元素检测，很受研究者欢迎，由于利用ICP作为激发源时需要对固态样品进行前处理(例如消解)，因此很难将其改造成在线检测器。以电弧为激发源的原子发射光谱技术常用于金属杂质的检测，将待测样品作为电弧的一极，可以对固态样品进行直接激发检测，但是却很少有见用于颗粒物重金属的检测。早在上世纪80年代就有关于虚拟撞击器的研究，其广泛应用于气溶胶的粒径切割和浓缩。虚拟撞击器的原理与惯性撞击器的原理类似，均是利用颗粒物的惯性来分离颗粒物和气体。载有颗粒物的气流突然反射式转向，大于某一粒径的颗粒物会由于自身的惯性按原来的方向飞行而脱离气流，从而达到分离的效果，在虚拟撞击器中，接收口取代了惯性撞击器的平板，接收口仍有气流载着颗粒物进入下级装置，该气流的流量要小于从上级喷射口出来的流量(一般是喷射口出来的流量的10％～20％)，从而使大于切割点的颗粒物均汇集在该小气流里，从而达到浓缩的效果，而含有重金属的颗粒物的粒径几乎都大于某一个值，例如大于50nm，所以只需要控制好切割点，能减少浓缩过程带来的误差。而切割点S_t则与喷射口内径、气流的流量大小等因素有关，其关系式如下：

$S_t=\frac{d_p^2{\mathrm{\ρ}}_p{\mathrm{UC}}_c}{{9D}_j\mathrm{\η}},$

其中ρ_p为颗粒物密度，d_p为颗粒物动力学直径，U为喷射口气流的流速，C_c为滑移系数，D_j为喷射口的直径，η为流体的粘滞系数。现有的最常见的一些浓缩装置一般都是由多组成对的喷射口及接收口组成，这些成对的喷射口和接收口在空间分布上一般呈现圆周分布，这就给加工带来很大的难度，而且体积和重量均难以压缩，不方便携带。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种结构简单，并能实时检测多种重金属的大气重金属在线检测系统。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种大气重金属在线检测系统，其特征在于：它包括一除湿装置，样气由所述除湿装置上端进口处进入，所述除湿装置下端的出口经一粒径切割装置连接一颗粒物浓缩装置输入端，所述颗粒物浓缩装置输出端连接所述原子热激发装置的输入端；所述原子热激发装置的输入端还连接一氩气源；所述原子热激发装置两侧侧壁上设置有水冷装置，所述水冷装置经过一水泵连接制冷散热装置；所述原子热激发装置输出端、颗粒物浓缩装置和氩气源分别连接流量控制器，各所述流量控制器控制端均电连接一流量控制系统，各所述流量控制器输出端均连接一总管路；所述流量控制系统和原子热激发装置均由一控制终端控制工作。

所述除湿装置采用套管式Nafion膜除湿装置，内管为Nafion膜；所述除湿装置的外管上部连接一泵，由所述泵将外管内的载气抽出排至装置外；所述外管下部通过所述总管路连接所述原子热激发装置的输出端。

所述除湿装置采用硅胶除湿装置，所述泵连接至所述原子热激发装置出口处的总管路，经所述原子热激发装置激发后的样气，经过所述总管路由所述泵抽出排至装置外。

所述原子热激发装置包括套管式进口、平状电极、针状电极、原子发射光谱检测器和出气口，所述平状电极和针状电极都由一强电电源供电；所述套管式进口插设在所述原子激发装置上部，由内管和外管组成，所述内管连接所述颗粒物浓缩装置输出端，所述外管连接所述氩气源输出端，且所述内管比所述外管略短；所述平状电极和针状电极分别设置在所述原子热激发装置的两侧，使得电弧激发发生位置正好是样气经过的位置，进入所述原子热激发装置内的样气经电弧激发后产生发射光谱；所述原子发射光谱检测器设置在所述原子热激发装置侧壁上，位于所述平状电极和针状电极之间，且所述原子发射光谱检测器和强电电源都连接至所述控制终端，所述原子热激发装置将样气电弧激发后产生的发射光谱传输至所述控制终端，实现对重金属进行在线激发检测；所述出气口经所述流量控制器连接所述总管路。

所述套管式进口在所述原子热激发装置内的插入端底部位于所述平状电极、针状电极和原子发射光谱检测器的上方。

所述平状电极和针状电极均采用钨材料制成，所述针状电极的截面直径为0.5～1mm；所述平状电极的正表面面积与所述出气口的内截面面积相同。

所述原子发射光谱检测器包括一分光系统和一光电倍增管，所述分光系统将接收到的光谱信号传输至所述光电倍增管后，将光谱信号转换成电信号传输至所述控制终端内分析。

所述颗粒物浓缩装置采用虚拟撞击原理，其包括多级浓缩，每级浓缩的分流流量均由一个所述流量控制器控制；所述每级浓缩均包括一组喷射口和接收口、一组分离入口和分离出口，所述每级浓缩需要分流出去的气流从所述分离入口流入，从所述分离出口流出，所述分离出口连接所述流量控制器；相邻两级浓缩之间的连接采用螺纹连接，在螺纹上端设置有一凹槽，所述凹槽内设置有O型密封圈密封。

所述粒径切割装置采用PM_2.5切割头或PM₁₀切割头。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于采用在粒径切割之前先进行除湿，可以降低由于外界湿度变化造成的颗粒物切割损失以及后面颗粒物浓缩时湿度对其造成的影响。2、本发明采用虚拟撞击原理浓缩颗粒物，可以将颗粒物浓缩至很细的气流中，浓缩之后的气流任何一个点的重金属浓度均足以被检测到。3、本发明采用在原子热激发装置内部两侧壁上分别设置有平台状电极和针状电极，通过给两个电极电压，使两个电极之间形成电弧，形成高温区，样气经过时，直接激发样气中的颗粒物重金属成分，通过原子热激发装置内的原子发射光谱检测器检测其原子发射光谱，并传输至控制终端内进行定性定量分析，可以进行实时颗粒物检测，脱离了膜的使用，时间分辨率提高。4、本发明采用的颗粒物浓缩装置中各喷嘴和接受口的口径可灵活变换，则可改变颗粒物浓缩倍数，以适应不同污染状况的检测。5、本发明在原子热激发装置中采用的电弧激发，是成熟的原子发射光谱法，能同时检测多种不同重金属元素，检测限低，且结构相对简单，体积小易于携带。因此，本发明能广泛在环境保护自动监测中应用。

附图说明

图1是本发明的整体结构流程示意图；

图2是本发明的气路连接及控制连接示意图；

图3是本发明的虚拟撞击浓缩装置结构图；

图4是本发明的激发室结构示意图。

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、图2所示，本发明包括一除湿装置1，样气由除湿装置1上端进口处进入，除湿装置1下端的出口经一粒径切割装置2连接一颗粒物浓缩装置3的输入端，颗粒物浓缩装置3输出端连接一原子热激发装置4的输入端；原子热激发装置4的输入端还连接一氩气源5。原子热激发装置4两侧侧壁上设置有水冷装置6，水冷装置6经过一水泵7连接制冷散热装置8，水冷装置6贴设在原子热激发装置4的两侧以降低原子热激发装置4的温度，避免原子热激发装置4工作时产生的高温对其他器件的损伤。水泵7提供动力，使得水在制冷散热装置8与水冷装置6之间循环，以实现降温的功能。

原子热激发装置4输出端、颗粒物浓缩装置3和氩气源5分别连接流量控制器9，各流量控制器9控制端均电连接一流量控制系统10，各流量控制器9输出端均连接一总管路11。流量控制系统10和原子热激发装置4均由一控制终端12控制工作。

上述实施例中，除湿装置1可以采用Nafion膜除湿装置，Nafion膜除湿装置为一套管，内管为Nafion膜；除湿装置1还可以采用硅胶除湿装置。

当除湿装置1采用Nafion膜除湿装置时，在除湿装置1的外管上部连接一泵13，由泵13将外管内的载气抽出排至装置外；外管下部通过总管路11连接原子热激发装置4的输出端(如图2所示)。样气经除湿装置1的内管进入除湿装置1内，在泵2的作用下，由原子热激发装置4返回至除湿装置1外管中的激发后样气，对内管中的样气进行除湿，使样气湿度降到一个较低的值，由于样气中的颗粒物具有吸湿性，湿度会影响颗粒物飞行特征，湿度变化就会影响粒径切割装置2粒径切割的准确性，同时也会对后续的颗粒物浓缩带来误差，所以对颗粒物的采样需要先除湿。除湿后的样气经粒径切割装置2后进入颗粒物浓缩装置3，通过对样气中的颗粒物进行浓缩，使气态中颗粒物的重金属浓度足以被检测到，再进入原子热激发装置4内，对行进中的样气进行电弧激发；在电弧激发过程，氩气源5将氩气输入原子热激发装置4作为鞘气。原子热激发装置4内经电弧激发后的样气会发生原子跃迁，进而产生发射光谱，原子热激发装置4在控制终端12控制下，将光谱信号传输至控制终端12内进行分析，完成对重金属的实时在线检测。

当除湿装置1采用硅胶除湿装置时，样气进入除湿装置1内，由除湿装置1外壁的硅胶将样气除湿。此时，泵13连接至原子热激发装置4出口处的总管路11，经原子热激发装置4激发后的样气，经过总管路11，由泵13抽出排至装置外。其余部件的连接原理与除湿装置1采用Nafion膜除湿装置时相同。

上述各实施例中，如图2、图3所示，原子热激发装置4包括套管式进口41、平状电极42、针状电极43、原子发射光谱检测器44和出气口45，平状电极42和针状电极43都由一强电电源14供电。套管式进口41插设在原子激发装置4上部，且套管式进口41由内管411和外管412组成，内管411连接颗粒物浓缩装置3的输出端，用于将样气输入原子热激发装置4内；外管412连接氩气源5输出端，用于将氩气输入原子热激发装置4内，且内管411比外管412略短，以实现氩气作为鞘气。氩气源5经外管412输入的氩气作为鞘气进入原子热激发装置4内，以保护平状电极42和针状电极43不被样气氧化。平状电极42和针状电极43分别设置在原子热激发装置4的两侧，使得电弧激发发生位置正好是样气经过的位置，进入原子热激发装置4内的样气经电弧激发后产生发射光谱。原子发射光谱检测器44设置在原子热激发装置4侧壁上，位于平状电极42和针状电极43之间，且原子发射光谱检测器44和强电电源14都连接至控制终端12，原子热激发装置4将样气电弧激发后产生的发射光谱传输至控制终端12，原子热激发装置4与原子发射光谱检测器44相配合使用，实现对重金属进行在线激发检测。出气口45依次经流量控制器9和总管路11连接至除湿装置1外管下部或泵13，连接至除湿装置1外管下部时，将激发后的干燥样气作为载气输入除湿装置1外管，吸收除湿装置1内管中样气的水汽后，经泵13抽出排到装置外，实现对样气的除湿；连接泵13时，直接将激发后的样气抽出排到装置外。

其中，套管式进口41在原子热激发装置4内的插入端底部位于平状电极42、针状电极43和原子发射光谱检测器44的上方。

平状电极42和针状电极43均采用钨材料制成，针状电极43的截面直径为0.5～1mm；平状电极42的正表面面积与出气口45的内截面面积相同，以加大所产生电弧的截面积，增大激发范围。

原子发射光谱检测器44包括一分光系统441和一光电倍增管442，分光系统441将接收到的光谱信号传输至光电倍增管442后，将光谱信号转换成电信号传输至控制终端12内进行分析，完成对重金属的检测。

上述各实施例中，粒径切割装置2可以采用PM_2.5切割头，也可以采用PM₁₀切割头，可以根据需要做出调整。

上述各实施例中，如图2、图4所示，颗粒物浓缩装置3采用虚拟撞击原理，其包括多级浓缩，每级浓缩的分流流量均由一个流量控制器9控制，可以根据需要灵活设置浓缩级数及倍数，以满足不同环境状况的需要。颗粒物浓缩装置3的每级浓缩均包括一组喷射口31和接收口32、一组分离入口33和分离出口34，每级浓缩需要分流出去的气流从分离入口33流入，然后从分离出口34流出，分离出口34连接流量控制器9。相邻两级浓缩之间的连接采用螺纹连接，在螺纹上端设置有一凹槽35，凹槽35内设置有O型密封圈36密封。每一级的螺纹及凹槽35采用相同规格，以便各个浓缩装置组件灵活组合，以改变浓缩级数及倍数。

其中，喷射口31和接收口32均单独加工，可以通过每一级的流量控制器9调节流量或改变喷射口31和接收口32的内径，来相应调整每一级的浓缩倍数，如何选择喷射口31和接收口32的内径，以及如何控制流量控制器9的流量，在公告号为CN101322891B的专利文件“一种气溶胶虚拟撞击浓缩装置”以及文献“Developmentand Evaluation of a Low Cutpoint Virtual Impactor”(C.Sioutas等，AerosolScience and Technology，2007)、“Development of High Efficiency VirtualImpactors”(Billy W.Loo等，Aerosol Science and Technology，2007)和“Performance of a Modified Virtual Impactor”(B.T.Chen等，Aerosol Scienceand Technology，2007)中均有介绍，在此不再赘述。

上述各实施例中，流量控制系统10用于控制颗粒物浓缩装置3的分流流量、氩弧发生装置氩气源5的氩气流量和原子热激发装置4的出气口45流量，并且流量控制系统10需要满足采样流量及粒径切割装置2要求，并且要满足颗粒物浓缩的各气流流量比要求。

综上所述，本发明利用颗粒物浓缩装置3的虚拟撞击原理实现大气颗粒物浓缩后，再用原子热激发装置4电弧激发原子发射光谱，实现大气重金属的在线检测。

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的连接和结构都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件的连接和结构进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (8)

1.一种大气重金属在线检测系统，其特征在于：它包括一除湿装置，样气由所述除湿装置上端进口处进入，所述除湿装置下端的出口经一粒径切割装置连接一颗粒物浓缩装置输入端，所述颗粒物浓缩装置输出端连接所述原子热激发装置的输入端；所述原子热激发装置的输入端还连接一氩气源；所述原子热激发装置两侧侧壁上设置有水冷装置，所述水冷装置经过一水泵连接制冷散热装置；所述原子热激发装置输出端、颗粒物浓缩装置和氩气源分别连接流量控制器，各所述流量控制器控制端均电连接一流量控制系统，各所述流量控制器输出端均连接一总管路；所述流量控制系统和原子热激发装置均由一控制终端控制工作；

所述除湿装置采用套管式Nafion膜除湿装置或硅胶除湿装置；所述除湿装置采用套管式Nafion膜除湿装置时，所述套管式Nafion膜除湿装置内管为Nafion膜，所述除湿装置的外管上部连接一泵，由所述泵将外管内的载气抽出排至装置外；所述外管下部通过所述总管路连接所述原子热激发装置的输出端；

所述除湿装置采用硅胶除湿装置时，所述除湿装置的外管上部连接一泵，所述泵连接至所述原子热激发装置出口处的总管路，经所述原子热激发装置激发后的样气，经过所述总管路由所述泵抽出排至装置外。

2.如权利要求1所述的一种大气重金属在线检测系统，其特征在于：所述原子热激发装置包括套管式进口、平状电极、针状电极、原子发射光谱检测器和出气口，所述平状电极和针状电极都由一强电电源供电；

所述套管式进口插设在所述原子激发装置上部，由内管和外管组成，所述内管连接所述颗粒物浓缩装置输出端，所述外管连接所述氩气源输出端，且所述内管比所述外管略短；所述平状电极和针状电极分别设置在所述原子热激发装置的两侧，使得电弧激发发生位置正好是样气经过的位置，进入所述原子热激发装置内的样气经电弧激发后产生发射光谱；所述原子发射光谱检测器设置在所述原子热激发装置侧壁上，位于所述平状电极和针状电极之间，且所述原子发射光谱检测器和强电电源都连接至所述控制终端，所述原子热激发装置将样气电弧激发后产生的发射光谱传输至所述控制终端，实现对重金属进行在线激发检测；所述出气口经所述流量控制器连接所述总管路。

3.如权利要求2所述的一种大气重金属在线检测系统，其特征在于：所述套管式进口在所述原子热激发装置内的插入端底部位于所述平状电极、针状电极和原子发射光谱检测器的上方。

4.如权利要求2所述的一种大气重金属在线检测系统，其特征在于：所述平状电极和针状电极均采用钨材料制成，所述针状电极的截面直径为0.5～1mm；所述平状电极的正表面面积与所述出气口的内截面面积相同。

5.如权利要求2所述的一种大气重金属在线检测系统，其特征在于：所述原子发射光谱检测器包括一分光系统和一光电倍增管，所述分光系统将接收到的光谱信号传输至所述光电倍增管后，将光谱信号转换成电信号传输至所述控制终端内分析。

6.如权利要求1或2或3或4或5所述的一种大气重金属在线检测系统，其特征在于：所述颗粒物浓缩装置采用虚拟撞击原理，其包括多级浓缩，每级浓缩的分流流量均由一个所述流量控制器控制；所述每级浓缩均包括一组喷射口和接收口、一组分离入口和分离出口，所述每级浓缩需要分流出去的气流从所述分离入口流入，从所述分离出口流出，所述分离出口连接所述流量控制器；相邻两级浓缩之间的连接采用螺纹连接，在螺纹上端设置有一凹槽，所述凹槽内设置有O型密封圈密封。

7.如权利要求1或2或3或4或5所述的一种大气重金属在线检测系统，其特征在于：所述粒径切割装置采用PM_2.5切割头或PM₁₀切割头。

8.如权利要求6所述的一种大气重金属在线检测系统，其特征在于：所述粒径切割装置采用PM_2.5切割头或PM₁₀切割头。

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