CN104122403B - 一种用于水中VOCs检测的在线前处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于水中VOCs检测的在线前处理装置，其中VOCs为挥发性有机化合物（volatile？organic？compounds）的简称，通过控制电磁阀的状态，利用单个样品吹扫管即可完成取样、样品前处理、自动进样和清洗等步骤，实现了连续水样前处理技术；与现有技术中需要人工采样和放样相比，真正达到了水样自动进样；整个过程采用程序控制，不需要人工采样，自动实现取水样，取标样和清洗程序，有利于现场连续监测；整个装置的操作流程简便，富集倍数高，不使用溶剂处理。

Description

一种用于水中VOCs检测的在线前处理装置

技术领域

本发明涉及水质监测技术领域，特别涉及一种用于水中VOCs检测的在线前处理装置。

背景技术

挥发性有机化合物（volatileorganiccompounds，简称VOCs），是指那些沸点等于或低于250℃的化学物质。VOCs广泛存在于空气、水、土壤以及其它介质中，其主要成份为脂肪烃、芳香烃、卤代烃、醛类和酮类等化合物。VOCs具有迁移性、持久性和毒性，是一类重要的环境污染物，饮用水的质量直接影响到人们的健康，饮用水中的VOCs给人体健康带来的危害，已经得到各国的重视。世界卫生组织和我国水质标准均对这些指标提出了限值要求。当前，饮用水的一些重要的指标全部依赖定期定点的现场采样和实验室分析，难以应对突发事件。因此，研制水中VOCs在线监测仪器设备十分有意义。借助其可获得实时、准确的有机挥发物监测数据，从而全面掌握水源地所面临的污染状况，分析污染原因，有的放矢，制定合理有效的治理措施。

由于饮用水中的VOCs浓度较低，一般在ng/L到g/L水平，为满足检测要求必须对样品进行前处理（分离与富集）。传统的水中VOCs的检测通常采用溶剂萃取和静态顶空气相色谱法，溶剂萃取法灵敏度低，无法同时进行多种VOCs的分析，并且有机溶剂对人体和环境造成污染。静态顶空只能分析一小部分挥发性化合物，灵敏度偏低，精密度较差，且VOCs种类多，分析中常存在互相干扰，GC定性困难。吹扫捕集法（P＆T）是一种动态顶空技术，其取样量少、富集效率高、受基体干扰小，容易实现在线检测，是一种非平衡态连续萃取，几乎能全部定量地将被测物萃取出来，不但萃取效率高，而且被测物可以被浓缩，使气相检测方法灵敏度大大提高。吹扫捕集技术容易实现环境水体中挥发性有机物的在线前处理。

目前，实验室VOCs检测前处理通常采用自动进样—吹扫捕集技术，其中自动进样器是利用样品瓶的切换，最大实现100个样品的连续进样。有效的减少了工作人员测试的工作量，大幅提高了VOCs检测的效率。但是目前的自动进样—吹扫捕集技术需要人工采样、放样等，不能完全自动化，对复杂样品中还需要人工过滤等预处理步骤，仍需要大量的人工操作。该技术显然不适合现场环境水体的水样自动在线分析。另一方面，智能化水平较低，对检测过程不能自动记录，出现故障无法查找根源。

因此，如何提高在线前处理步骤的自动化程度，成为本领域技术人员亟待解决的重要技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种用于水中VOCs检测的在线前处理装置，通过水样自动进样技术，实现了连续水样前处理技术；整个过程采用程序控制，不需要人工采样，自动实现取水样，取标样和清洗程序，有利于现场连续监测。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种用于水中VOCs检测的在线前处理装置，包括自动定量进样模块、主电磁阀、冷凝捕集模块、吹扫模块、载气装置、质量流量控制器和至少四个副电磁阀；

所述主电磁阀（100）至少具有六个接口，所述副电磁阀至少具有公用端、NO端和NC端三个端口，所述副电磁阀关闭时是NO端与公用端连接，打开时是NC端与公用端连接；

所述主电磁阀的1接口与所述冷凝捕集模块的捕集阱出口相连，2接口与第三副电磁阀的公用端相连，3接口与第二副电磁阀的公用端相连，4接口与所述冷凝捕集模块的冷凝管入口相连，5接口用于同气相色谱的进样口载气入口相连，6接口用于同所述气相色谱的流量控制器出口相连；

所述载气装置的输出端分别用于连通于所述质量流量控制器的入口端和所述气相色谱的载气入口，所述质量流量控制器的出口端连通于第一副电磁阀的公用端；

所述第一副电磁阀的NO端连通于所述吹扫模块中样品吹扫管，NC端连通于所述第三副电磁阀的NO端；

所述第二副电磁阀的NO端连通于所述样品吹扫管，NC端连通于排放出口；

所述第三副电磁阀的NC端连通于排放出口；

第四副电磁阀的公用端连通于所述样品吹扫管，NO端连通于所述自动定量进样模块，NC端连通于废水排放口。

优选的，所述冷凝捕集模块包括具有U型结构的捕集阱和冷凝管，以及分别设置在所述捕集阱和所述冷凝管四周的捕集阱加热装置和冷凝管加热装置。

优选的，所述自动定量进样模块包括电动控制注射泵、空气端口、红外对管定量装置和定量管，所述自动定量进样模块与所述样品吹扫管相连的通路上设置有第五两通电磁阀。

优选的，所述自动定量进样模块的入口端连通有标样入口、水样入口和高纯水入口，每个所述入口的通路上分别设置有二通电磁阀。

优选的，所述水样入口处设置有过滤装置。

优选的，所述样品吹扫管下端为管状，上端为封闭的盖式结构。

优选的，所述样品吹扫管内设置有匀气片。

从上述的技术方案可以看出，本发明提供的用于水中VOCs检测的在线前处理装置，通过控制电磁阀的状态，利用单个样品吹扫管即可完成取样、样品前处理、自动进样和清洗等步骤，实现了连续水样前处理技术；与现有技术中需要人工采样和放样相比，真正达到了水样自动进样；整个过程采用程序控制，不需要人工采样，自动实现取水样，取标样和清洗程序，有利于现场连续监测，能够在出现故障时迅速找出根源；整个装置的操作流程简便，富集倍数高，不使用溶剂处理。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的用于水中VOCs检测的在线前处理装置处于待机状态的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的冷凝捕集模块的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的自动定量进样模块的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的用于水中VOCs检测的在线前处理装置处于解析状态的结构示意图。

其中，100为主电磁阀，200为冷凝捕集模块，300为吹扫模块，400为气相色谱，500为载气装置，600为质量流量控制器，700为第一副电磁阀，800为第二副电磁阀，900为第三副电磁阀；

201为捕集阱出口，202为冷凝管入口，203为冷凝管加热装置，204为捕集阱加热装置，205为捕集阱，206为冷凝管；

301为标样入口，302为水样入口，303为高纯水入口，304为自动定量进样模块，306为样品吹扫管，307为匀气片，308为第四副电磁阀，309为第六两通电磁阀，310为废水排放口；

304-1为电动控制注射泵，304-2为空气端口，304-3为第一两通电磁阀，304-5为第二两通电磁阀，304-6为第三两通电磁阀，304-7为第四两通电磁阀，304-8为第五两通电磁阀，304-4为红外对管定量装置，304-9为定量管，304-10为五联板；

401为载气入口，402为流量控制器出口，403为进样口载气入口。

具体实施方式

本发明公开了一种用于水中VOCs检测的在线前处理装置，通过水样自动进样技术，实现了连续水样前处理技术；整个过程采用程序控制，不需要人工采样，自动实现取水样，取标样和清洗程序，有利于现场连续监测。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-图4，图1为本发明实施例提供的用于水中VOCs检测的在线前处理装置处于待机状态的结构示意图；图2为本发明实施例提供的冷凝捕集模块的结构示意图；图3为本发明实施例提供的自动定量进样模块的结构示意图；图4为本发明实施例提供的用于水中VOCs检测的在线前处理装置处于解析状态的结构示意图。

本发明实施例提供的用于水中VOCs检测的在线前处理装置，其核心改进点在于，包括自动定量进样模块304、主电磁阀100、冷凝捕集模块200、吹扫模块300、载气装置500、质量流量控制器600和至少四个副电磁阀；

主电磁阀100至少具有六个接口，副电磁阀至少具有公用端、NO端和NC端三个端口，副电磁阀关闭时是NO端与公用端连接，打开时是NC端与公用端连接；

主电磁阀100的1接口与冷凝捕集模块200的捕集阱出口201相连，2接口与第三副电磁阀900的公用端相连，3接口与第二副电磁阀800的公用端相连，4接口与冷凝捕集模块200的冷凝管入口202相连，5接口用于同气相色谱400的进样口载气入口403相连，6接口用于同气相色谱400的流量控制器出口402相连；

载气装置500的输出端分别用于连通于质量流量控制器600的入口端和气相色谱400的载气入口401，质量流量控制器600的出口端连通于第一副电磁阀700的公用端；

第一副电磁阀700的NO端连通于吹扫模块300中样品吹扫管，NC端连通于第三副电磁阀900的NO端；

第二副电磁阀800的NO端连通于样品吹扫管306，NC端连通于排放出口，用于排放保留在冷凝捕集模块中的水分；

第三副电磁阀900的NC端连通于排放出口，用于排放剩余载气；

第四副电磁阀308的公用端连通于样品吹扫管306，NO端连通于所述自动定量进样模块304，NC端连通于废水排放口310。

在本实施例中。主电磁阀100具体为六通电磁阀，副电磁阀具体为四个三通电磁阀。当然，三通电磁阀还可以用四通电磁阀或者其他的代替，类似的六通电磁阀可以用其他结构的电磁阀代替。本领域技术人员能够根据实际需要对上述电磁阀的具体结构、数量和连接方式作出相应的调整，在此不再赘述。

本发明实施例方案的技术实现过程主要分为以下几种状态：

（1）关机，待机状态：如图1所示，吹扫模块300处于关闭状态，所有副电磁阀处于NO状态。质量流量控制器600关闭（即没有载气通过），载气从载气入口401进，由气相色谱400的总流量控制器402出，主电磁阀100的1、2接口，3、4接口，5、6接口分别处于相通状态，载气从进样口载气入口403进入气相色谱400。

（2）进样状态：主电磁阀100的状态与待机时相同，质量流量控制器600处于关闭状态，所有副电磁阀处于NO状态。第五两通电磁阀304-8打开，自动定量进样模块304定量注入适量水样到样品吹扫管306。

（3）吹扫捕集状态：主电磁阀100的状态与待机时相同，副电磁阀700、800和308均处于NO状态，第三副电磁阀900的处于NC状态，将质量流量控制器600打开，控制吹扫气流量，吹扫气经匀气片307往水样中吹扫，水样中的有机物被载气吹走经第二副电磁阀800和主电磁阀3、4接口进入冷凝捕集模块200被捕集阱205吸附，剩余载气经主电磁阀1、2后由第三副电磁阀900的NC端排放，实现了VOCs与水的分离和捕集技术。

（4）干吹状态：在吹扫捕集完成后，第一副电磁阀700和第二副电磁阀800打开，第三副电磁阀900关闭，吹扫气经第三副电磁阀900、流通电磁阀接口2、1对冷凝捕集模块200进行反吹，去除保留在冷凝捕集模块200中的水分，这些水分经第二副电磁阀800的NC出口排放，实现了对水中VOCs的干燥。

（5）解析状态：如图4所示，主电磁阀100的1、6接口，2、3接口，4、5接口分别处于相通状态，载气由流通电磁阀接口6经接口1对冷凝捕集模块200进行反吹。在高温条件下，捕集的有机物解析后经电磁阀接口4、5后进入气相色谱进样口，并启动气相色谱进行检测和数据采集。第四副电磁阀308和第二副电磁阀800打开，第一副电磁阀700和第三副电磁阀900关闭。吹扫气体通过第一副电磁阀700和第四电磁阀308、第六两通电磁阀309，并将水样从废水排放口310出口排出，实现了对水中VOCs的解析技术，以及对VOCs的富集浓缩作用。

（6）烘烤状态：主电磁阀100恢复到待机状态，第一副电磁阀700和第四副电磁阀308打开，第二副电磁阀800和第三副电磁阀900关闭，吹扫气经第一副电磁阀700、第三副电磁阀900，主电磁阀接口2、1、4、3，第二副电磁阀800、并由废水排放口310排放，以此通过冷凝捕集模块200加热吹扫气对管路进行烘烤。

从上述的技术方案可以看出，本发明实施例提供的用于水中VOCs检测的在线前处理装置，通过控制电磁阀的状态，利用单个样品吹扫管即可完成取样、样品前处理、自动进样和清洗等步骤，实现了连续水样前处理技术；与现有技术中需要人工采样和放样相比，真正达到了水样自动进样；整个过程采用程序控制，不需要人工采样，自动实现取水样，取标样和清洗程序，有利于现场连续监测，能够在出现故障时迅速找出根源；整个装置的操作流程简便，富集倍数高，不使用溶剂处理。

请参阅图2，冷凝捕集模块200包括具有U型结构的捕集阱205和冷凝管206，以及分别设置在捕集阱205和冷凝管206四周的捕集阱加热装置204和冷凝管加热装置203，这些加热装置也同样具有U型结构。可以理解的是，冷凝捕集模块200还可以采用其他的形状，例如改变成螺旋状，在此不再赘述。

如图3所示，自动定量进样模块304包括电动控制注射泵304-1、空气端口304-2、红外对管定量装置304-4和定量管304-9，自动定量进样模块304与样品吹扫管306相连的通路上设置有第五两通电磁阀304-8，空气端口304-2的通路上设置有第一两通电磁阀304-3。在本实施例中，电动控制注射泵304-1由步进电机控制，步进电机由单片机程序控制，该电动控制注射泵304-1能够提供动力及定量的水样，与之串联的红外对管定量装置304-4具有更好的密封性，可以提高精度。当然，自动定量进样模块的结构并不仅仅局限于此，本领域技术人员还能够采用其他的定量和进样方法，比如自动定量进样模块还可以采用步进电机控制转动来定量，外加编码器控制转动步数。

自动定量进样模块304的入口端连通有标样入口301、水样入口302和高纯水入口303，每个入口的通路上分别设置有二通电磁阀，依次为第二两通电磁阀304-5、第三两通电磁阀304-6和为第四两通电磁阀304-7。两通电磁阀304-5、304-6、304-7、304-8和五联板304-10组成五联体（多歧阀），相应的4个两通电磁阀的控制都是由单片机程序控制。其中，标样入口301用于对检测装置进行校准，和检测其工作状态；高纯水入口303用于对样品吹扫管306进行清洗。

针对复杂样品中还需要人工过滤等预处理步骤，仍需要大量的人工操作的问题，本发明实施例还在水样入口处设置有过滤装置。在进入到自动定量进样模块304之前，通过滤膜或者滤芯等结构对待测水样进行过滤，进一步提高了装置的自动化程度。

为了进一步优化上述的技术方案，样品吹扫管306下端为管状，与常规试管顶部完全开放结构不同的是，上端为封闭的盖式结构。如图4所示，样品吹扫管306的顶部具有分别用于连通第四副电磁阀308的公用端和第二副电磁阀800的NO端的接口。

作为优选，样品吹扫管306内设置有匀气片307，该匀气片307上开设有多个通孔，能够将穿过的载气团变为多个小气泡，使气流更加均匀，从而对水样起到更好的吹扫作用。

综上所述，本发明实施例提供的用于水中VOCs检测的在线前处理装置，实现了从水样自动进样技术和连续水样前处理技术，到VOCs与水的分离技术，水中VOCs的捕集、干燥与解析技术，至VOCs的富集浓缩的作用，达到了整个过程的自动化；整个过程采用程序控制，不需要人工采样，自动实现取水样，取标样和清洗程序，有利于现场连续监测，能够在出现故障时迅速找出根源；整个装置的操作流程简便，富集倍数高，不使用溶剂处理。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种用于水中VOCs检测的在线前处理装置，其特征在于，包括自动定量进样模块（304）、主电磁阀（100）、冷凝捕集模块（200）、吹扫模块（300）、载气装置（500）、质量流量控制器（600）和至少四个副电磁阀；

所述主电磁阀（100）至少具有六个接口，所述副电磁阀至少具有公用端、NO端和NC端三个端口，所述副电磁阀关闭时是NO端与公用端连接，打开时是NC端与公用端连接；

所述主电磁阀（100）的1接口与所述冷凝捕集模块（200）的捕集阱出口（201）相连，2接口与第三副电磁阀（900）的公用端相连，3接口与第二副电磁阀（800）的公用端相连，4接口与所述冷凝捕集模块（200）的冷凝管入口（202）相连，5接口用于同气相色谱（400）的进样口载气入口（403）相连，6接口用于同所述气相色谱（400）的流量控制器出口（402）相连；

所述载气装置（500）的输出端分别用于连通于所述质量流量控制器（600）的入口端和所述气相色谱（400）的载气入口（401），所述质量流量控制器（600）的出口端连通于第一副电磁阀（700）的公用端；

所述第一副电磁阀（700）的NO端连通于所述吹扫模块（300）中样品吹扫管，NC端连通于所述第三副电磁阀（900）的NO端；

所述第二副电磁阀（800）的NO端连通于所述样品吹扫管（306），NC端连通于排放出口；

所述第三副电磁阀（900）的NC端连通于排放出口；

第四副电磁阀（308）的公用端连通于所述样品吹扫管（306），NO端连通于所述自动定量进样模块（304），NC端连通于废水排放口（310）。

2.根据权利要求1所述的用于水中VOCs检测的在线前处理装置，其特征在于，所述冷凝捕集模块（200）包括具有U型结构的捕集阱（205）和冷凝管（206），以及分别设置在所述捕集阱（205）和所述冷凝管（206）四周的捕集阱加热装置（204）和冷凝管加热装置（203）。

3.根据权利要求1所述的用于水中VOCs检测的在线前处理装置，其特征在于，所述自动定量进样模块（304）包括电动控制注射泵（304-1）、空气端口（304-2）、红外对管定量装置（304-4）和定量管（304-9），所述自动定量进样模块（304）与所述样品吹扫管（306）相连的通路上设置有第五两通电磁阀（304-8）。

4.根据权利要求3所述的用于水中VOCs检测的在线前处理装置，其特征在于，所述自动定量进样模块（304）的入口端连通有标样入口（301）、水样入口（302）和高纯水入口（303），每个所述入口的通路上分别设置有二通电磁阀。

5.根据权利要求4所述的用于水中VOCs检测的在线前处理装置，其特征在于，所述水样入口（302）处设置有过滤装置。

6.根据权利要求1所述的用于水中VOCs检测的在线前处理装置，其特征在于，所述样品吹扫管（306）的下端为管状，上端为封闭的盖式结构。

7.根据权利要求6所述的用于水中VOCs检测的在线前处理装置，其特征在于，所述样品吹扫管（306）内设置有匀气片（307）。