CN104359750B - 一种固态环境样品的消解装置及消解方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固态环境样品的消解装置及消解方法，包括冷凝罐、消解罐以及用于驱动所述消解罐水平旋转和垂直翻转的驱动系统；所述驱动系统连接消解罐，并通过支架将所述消解罐悬置于冷凝罐中；在所述消解罐中设置有加热器、温度传感器和压力传感器，在所述消解罐的外侧设置有泄压阀，所述泄压阀通过管路与消解罐的内部连通；在所述冷凝罐中设置有用于对所述消解罐进行冷却的喷淋装置。本发明的消解装置具有高效率、高自动化程度、高稳定性、易操作、易维护等特点，既节约了实验时间，又降低了成本。在该实验装置上提出的消解方法快速、高效，克服了传统方法的缺点，大大提高了分析能力，有效降低了实验成本，具有更高的安全性。

Description

一种固态环境样品的消解装置及消解方法

技术领域

本发明属于环境保护及化学分析技术领域，具体地说，是涉及一种用于对固态环境样品进行消解的实验装置以及基于所述实验装置提出的固态环境样品消解方法。

背景技术

在对环境样品进行分析时，尤其是针对一些以固态形式存在的环境样品，例如聚合物或者大分子化合物等，往往不能够直接对其进行检测，需要将这类固态环境样品消解后才能进行分析。目前，常用的消解方法主要有干式消解法、湿式消解法和微波消解法。微波消解法是近年来新兴的一种前处理方法，但是其设备结构复杂、成本较高。湿式消解法技术成熟、可靠性强、应用最为广泛，装置也较为成熟。

但是，与液体样品不同，固体样品在密闭静止环境中无法形成均一溶液，针对固体样品的高温高压消解普遍存在的问题是消解不完全，这已经成为分析的瓶颈。消解不完全主要是由于目标物与反应试剂的接触面积有限，加之在密闭环境中传统的机械搅拌、磁力搅拌不再适用，从而导致反应不均一，出现消解不完全甚至部分样品过度氧化等问题。

以木质素为目标化合物为例进行说明。木质素是高等维管植物的特有组分，除了作为造纸印染行业的副产物外，还被作为陆源有机物的指示计广泛使用，因此，对木质素的检测就显得格外重要。木质素是一种难溶、多组分、无定型的大分子聚合物，相对分子量从几十万到上百万。木质素在未经分离或者化学转化的情况下，是不能被现有技术直接检测的，最常用的分解方法就是碱性氧化铜分解法，分解后能够得到一系列保存了母体化合物信息的酚类小分子化合物。

现行木质素检测方法的重现性较差，主要原因是氧化分解效率不稳定，具体来说就是木质素样品与氧化剂氧化铜的反应不完全，特别是针对环境样品，如土壤、盐沼、沉积物等，基质复杂、干扰物质多，温度压力等环境因素均对反应效率产生影响，加之传统设备中对温度压力控制不够精确，继而导致消解程度差别较大。基于此，如何设计一种反应装置能够较好地解决固态环境样品的反应效率问题，是目前样品消解预处理技术领域面临的一个技术难题。

发明内容

本发明为了解决现有消解技术反应不均一、消解不完全的问题，提出了一种用于固态环境样品的消解装置，可以对固态环境样品实现均一、完全消解，且操作简单、性能稳定、条件控制精确、自动化程度高。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种固态环境样品的消解装置，包括冷凝罐、消解罐以及用于驱动所述消解罐水平旋转和垂直翻转的驱动系统；所述驱动系统连接消解罐，并通过支架将所述消解罐悬置于冷凝罐中；在所述消解罐中设置有加热器、温度传感器和压力传感器，在所述消解罐的外侧设置有泄压阀，所述泄压阀通过管路与消解罐的内部连通；在所述冷凝罐中设置有用于对所述消解罐进行冷却的喷淋装置。

作为所述驱动系统的一种优选结构设计，在所述驱动系统中设置有第一电机、第二电机、第一旋转支架和第二旋转支架；所述第二旋转支架安装在消解罐的外侧，并连接所述的第二电机，所述第二电机驱动第二旋转支架带动所述消解罐沿水平方向的轴线垂直翻转；所述第一电机安装在所述支架上，第一电机的输出轴连接第一旋转支架，驱动第一旋转支架带动所述第二电机、第二旋转支架以及消解罐沿垂直方向的轴线水平旋转。

进一步的，所述消解罐包括罐体和罐盖，所述罐体包括内罐和外罐，所述加热器布设在所述的内罐与外罐之间，所述温度传感器和压力传感器设置在内罐中，所述温度传感器和压力传感器分别检测消解罐内的温度和压力并反馈至一控制系统；所述控制系统根据检测到的罐内温度控制所述加热层的加热温度，通过检测到的罐内压力控制所述泄压阀动作，所述泄压阀通过管路与所述的内罐连通。

又进一步的，所述控制系统设置在所述的冷凝罐上或者位于冷凝罐的外部，在所述控制系统中设置有操作面板，通过所述控制系统控制所述驱动系统运行。

优选的，所述外罐由不锈钢材料制成，所述内罐由聚四氟乙烯材料制成，所述加热器为电阻加热层。

作为所述冷凝罐的一种优选结构设计，所述冷凝罐包括冷凝罐罐体和冷凝罐罐盖，所述喷淋装置布设在所述冷凝罐罐盖的内侧。

进一步的，在所述喷淋装置中设置有喷淋口，所述喷淋口布设在冷凝罐罐盖的内侧，并通过输水管路与开设在冷凝罐罐盖上的进水口连通，通过进水口连接外部的进水管，在所述冷凝罐罐体的底部开设有出水口。

作为所述支架的一种优选结构设计，所述支架包括竖立在冷凝罐内部的立柱，在所述立柱的顶部设置有至少一根水平臂，在每一根水平臂上分别安装有一套所述的驱动系统和所述的消解罐，以实现多组消解反应的同步进行，提高实验效率。

基于上述固态环境样品的消解装置，本发明还提供了一种采用所述消解装置设计的消解方法，包括以下步骤：

a、将固态环境样品置于消解罐中，并在消解罐中加入氧化剂、还原剂、反应介质和混合介质，然后封闭消解罐；

b、对驱动系统驱动消解罐水平旋转和垂直翻转的转速进行设置，并设置消解反应的温度、压力和反应时间；

c、启动加热器对消解罐加热，并启动驱动系统驱动消解罐按照设定的转速水平旋转和垂直翻转；

d、通过温度传感器和压力传感器实时检测消解罐内的温度和压力，通过调节所述加热器和泄压阀保持消解罐内的温度和压力稳定在设定值上；

e、待设定的反应时间到达时，控制驱动系统和加热器停止工作；启动喷淋装置对消解罐喷淋降温，并开启泄压阀泄压；

f、取出消解罐，将反应后的溶液转移，完成固态环境样品的消解过程。

进一步的，当所述固态环境样品中的目标提取物为木质素时，在所述消解罐中加入的氧化剂为氧化铜粉末，所述氧化铜与所述固态环境样品的质量比为1:0.1-2；所述还原剂为硫酸亚铁铵，所述硫酸亚铁铵与所述固态环境样品的质量比为1:0.5-10；所述反应介质为氢氧化钠水溶液，所述氢氧化钠水溶液的浓度为1-5mol/L；所述混合介质为不锈钢珠，用于在消解罐转动的过程中加速固态环境样品与氧化剂、还原剂、反应介质和混合介质的混合。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明专门针对环境样品中固体样品的高温高压消解反应设计实验装置，可以实现对固态环境样品的高效、快速全自动化消解，性能稳定、安全可靠，特别适合批量环境样品中大分子化合物的消解。相比于传统的消解方法，该装置可以达到更好的准确性和重现性，显著提高了前处理的效率，排除了人工操作的误差，操作简便、反应条件控制精确，可实现同批次不同反应条件样品同时处理，结果准确、重现性好、安全性高。本发明的消解装置具有高效率、高自动化程度、高稳定性、易操作、易维护等特点，既节约了实验时间，又降低了成本，可以为化学分析和环境保护监测提供可靠的技术手段。在该实验装置上提出的消解方法快速、高效，克服了传统方法的缺点，大大提高了分析能力，有效降低了实验成本，安全性更高，具有较强的实用性。

结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1是本发明所提出的固态环境样品消解装置的一种实施例的透视状态下的结构示意图；

图2是图1中消解罐及驱动系统的一种实施例的透视状态下的结构示意图；

图3是本发明所提出的固态环境样品消解方法的一种实施例的实验流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细地描述。

本实施例为了提高固态环境样品在高温高压消解反应过程中的反应效率和重现性，提高样品的处理通量，避免消解不完全、温度压力控制不准确等问题，提出了一种全新的固态环境样品消解技术，实现了消解反应的全自动、高效进行。

为实现上述设计目的，本实施例首先设计了一种用于对固态环境样品进行高温高压消解的实验装置，以实现对固态环境样品的高效、稳定消解。

参见图1-图2所示，本实施例的固态环境样品消解装置主要由冷凝罐1、消解罐2、驱动系统5、支架6、喷淋装置4和控制系统8等部分组成。其中，冷凝罐1作为外桶，用于容纳所述的消解罐2，并通过其上设置的喷淋装置4对消解罐2实现喷淋降温。所述消解罐2作为内桶，悬置在所述的冷凝罐1中，并在所述驱动系统5的驱动作用下可以沿垂直方向的轴线水平旋转，并可沿水平方向的轴线垂直翻转。所述驱动系统5安装在支架6上，所述支架6设置于冷凝罐1中，通过支架6实现驱动系统5和消解罐2在冷凝罐1中的悬置。待消解的固态环境样品在消解罐2中完成消解过程，为了保证消解反应能够在稳定的高温高压条件下进行，本实施例在消解罐2中设置有加热器、温度传感器和压力传感器（图中未示出），在消解罐2的外侧设置有泄压阀9，所述泄压阀9通过管路与消解罐2的内部连通，对消解罐2内的压力进行调节。所述控制系统8通过电源线和/或信号线分别连接所述的加热器、温度传感器、压力传感器和泄压阀。在消解反应的过程中，通过温度传感器和压力传感器实时检测消解罐2内的温度和压力，并生成相应的检测信号反馈至控制系统8。所述控制系统8将接收到的采样温度和采样压力与事先输入的温度设定值和压力设定值进行比较，进而生成相应的控制信号对加热器的加热功率以及泄压阀的开关状态进行调节，以稳定消解罐2内的温度和压力，由此来保证消解反应的均一性和重现性，避免出现消解不完全甚至部分样品过度氧化等问题。

为了使固态环境样品能够与消解实验中添加的各种介质充分混合，本实施例设计所述驱动系统5带动消解罐2做水平旋转和垂直翻转。为了实现对消解罐2的转动控制，本实施例在所述驱动系统5中设置有两个电机51、52和两个旋转支架53、54，如图2所示。其中，第一电机51可以固设在支架6上，其输出轴连接第一旋转支架53，所述第一旋转支架53竖直设置，通过驱动第一旋转支架53转动，以带动第二电机52和第二旋转支架54以及消解罐2沿垂直方向的轴线做水平旋转运动。所述第二电机52可以固设在第一旋转支架53上，其输出轴连接所述的第二旋转支架54，所述第二旋转支架54可以设计成下部开口的矩形框架式结构，开口部位与消解罐2装配固定。通过第二电机52驱动第二旋转支架54转动，进而带动消解罐2沿水平方向的轴线做垂直翻转运动。

当然，所述驱动系统5也可以设计成其他结构形式，本实施例并不仅限于以上举例。

当然，所述驱动系统5也可以设计成其他结构形式，本实施例并不仅限于以上举例。在所述第一电机51和第二电机52的外部还加装有防水罩壳，以防止喷淋装置4喷出的冷却用水对电机51、52造成侵蚀或者短路影响。

为了使所述消解罐2和驱动系统5能够在冷凝罐1中悬置，本实施例在所述支架6中设计有立柱61和水平臂62，如图1所示。将所述立柱61竖立设置于冷凝罐1中，具体可以竖直地固设在冷凝罐1内部的底面上。将水平臂62安装在立柱61的顶部，水平伸出的端部连接所述的驱动系统5，从而使驱动系统5和消解罐2悬置于冷凝罐1中。

所述消解罐2可以设置一个，也可以设置多个。当设置有多个消解罐2时，每一个消解罐2对应连接一个驱动系统5，每一个驱动系统5固定连接在一个水平臂62上，图1示出了同时设置有四个消解罐2的情况，优选将四个消解罐2等间隔地悬置于所述的冷凝罐1的内部，这样可以同时进行四组消解实验，继而提高了消解效率。

在本实施例中，所述消解罐2包括罐体和罐盖23，所述罐体和罐盖23采用螺纹连接的方式装配，以密封消解罐2。所述罐体包括内罐21和外罐22，将所述加热器设置在所述内罐21与外罐22之间，以用于对内罐21加热。所述温度传感器和压力传感器可以内置于内罐21中，以用于对消解反应的温度和压力进行准确地检测。

在本实施例中，所述外罐优选采用不锈钢材料制成，所述内罐优选采用聚四氟乙烯材料制成。所述加热器优选采用电阻加热层，贴附在内罐21的外壁上。所述温度传感器优选采用耐碱、防水、耐高压的温度感应器件，所述压力传感器优选采用耐碱、防水、耐高温的压力感应器件，以满足实验要求。

为了使整个消解过程能够在一个相对密闭的环境中进行，本实施例设计所述冷凝罐1包括冷凝罐罐体11和冷凝罐罐盖12两部分，所述冷凝罐罐体11和冷凝罐罐盖12采用螺纹连接的方式装配成一体，以将消解罐2封装于其中。

所述喷淋装置4优选布设在冷凝罐罐盖12上，例如可以将喷淋口布设在冷凝罐罐盖12内侧的中间部位，如图1所示，喷淋口通过管路与开设在冷凝罐罐盖12侧面的进水口连通，进水口外接进水管10，通过进水管10引入外部水源。在所述冷凝罐罐体11的底部还可以进一步开设出水口，通过出水口外接排水管7，以用于将喷淋装置4喷入到冷凝罐1中的水排出。

本实施例在所述的进水管10和排水管7上可以进一步设置第一电控阀13、第二电控阀14，连接所述的控制系统8，通过控制系统8实现装置的自动进水和自动排水。

所述控制系统8可以设置在冷凝罐1上，例如冷凝罐1的顶面或者侧面，也可以独立于冷凝罐1设置于冷凝罐1的外部，如图1所示。连接第一电机51、第二电机52、温度传感器、压力传感器、加热器和泄压阀的电源线和信号线可以经由支架6和冷凝罐1的底壁引出并连接到控制系统8上。

在本实施例中，所述控制系统8可以包括操作面板、控制电路和电源部分，实验人员通过操作面板可以设置消解反应的时间、温度、压力以及电机51、52的转速，并可以通过操作面板实时观察消解罐2内的温度和压力变化，并可以控制喷淋装置4执行喷淋作业。所述控制电路连接操作面板，接收操作指令并控制各执行部件运行。所述电源部分可以是电池，也可以是适配器，用于为所述的控制电路和操作面板提供电力供应。

当然，为了方便实验人员远程操控所述的消解装置，本实施例在所述控制系统8中还可以进一步设计通信模块，用于与外部的计算机链接通信，具体可以以有线或者无线通信的方式与计算机通信，传输数据。在计算机中通过运行相应的应用程序，实现对消解装置整机运行的操控。

下面结合图1、图2所示的实验装置，对固态环境样品的消解方法进行详细地阐述，结合图3所示，包括以下步骤：

（1）打开冷凝罐1和消解罐2，将待消解的固态环境样品置于消解罐2的内罐21中。

在本实施例中，所述待消解的固态环境样品可以是植物碎屑、土壤或者沉积物等，优选称取200mg-2g的干燥后的固态环境样品置于所述的消解罐2中，进行消解实验。

（2）在消解罐2中加入氧化剂、还原剂、反应介质和混合介质，并旋紧冷凝罐2的罐盖23。

在此步骤中，针对不同的目标提取物应选择不同的氧化剂、还原剂、反应介质和混合介质加入消解罐2中进行消解实验。本实施例以木质素作为所述的目标提取物为例进行说明，则加入到消解罐2中的氧化剂优选为氧化铜粉末，所述氧化铜与固态环境样品的质量比优选为1:0.1-2。加入到消解罐2中的还原剂优选为硫酸亚铁铵，作用是防止过度氧化，所述硫酸亚铁铵与固态环境样品的质量比优选为1:0.5-10。加入到消解罐2中的反应介质优选为氢氧化钠水溶液，所述氢氧化钠水溶液的浓度优选为1-5mol/L。加入到消解罐2中的混合介质优选为不锈钢珠，作用是在消解罐2的转动过程中加速固态环境样品与所述氧化剂、还原剂、反应介质和混合介质的混合。

（3）将冷凝罐罐盖12盖在冷凝罐罐体11上并拧紧，通过控制系统8设置电机51、52的转速设定值、消解反应的温度设定值、压力设定值和反应时间。

在此步骤中，各设定值的取值需根据固态环境样品和目标提取物的不同有针对性的设置。以固态环境样品为沉积物、目标提取物为木质素为例进行说明，则电机51、52的转速设定值优选在500-2000转/分取值；消解反应的温度设定值优选在180℃-220℃之间取值；消解反应的压力设定值优选在50-150psi之间；反应时间优选为1.5小时-4小时。

（4）开启消解进程，启动加热器为消解罐2加热，并启动电机51、52按设定转速转动运行，进而驱动消解罐2水平旋转并垂直翻转。

（5）在消解过程中，控制系统8实时检测温度传感器和压力传感器反馈的检测温度和压力，并通过与所述的温度设定值、压力设定值进行比较，以调节加热器的加热功率以及控制泄压阀9的开关，继而使消解罐2内的温度和压力稳定在所述的温度设定值和压力设定值上。

（6）待到达设定的反应时间后，停止消解进程，关闭加热器和电机51、52，并启动喷淋装置4对消解罐2喷淋降温，同时开启泄压阀9对消解罐2泄压。

（7）开启排水阀，排出冷凝罐1中的水。打开冷凝罐1，取出消解罐2，将反应后的溶液转移，完成对固态环境样品中目标提取物的消解过程。

本实施例的消解装置工作效率高、稳定性强、自动化程度高、操作容易、安全可靠、维护方便，可解决固态环境样品消化不完全、重现性差的问题，适用于固体样品中大分子目标物高温高压消解的批量处理，稳定、高效、安全。在所述消解装置的基础上提出的消解方法分解效率高、稳定性好，显著提高了消解实验的重现性和准确性，为重建古环境、古气候记录提供了可靠的方法和技术手段。

当然，以上所述仅是本发明的一种优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种固态环境样品的消解装置，其特征在于：包括冷凝罐、消解罐以及用于驱动所述消解罐水平旋转和垂直翻转的驱动系统；所述驱动系统连接消解罐，并通过支架将所述消解罐悬置于冷凝罐中；在所述消解罐中设置有加热器、温度传感器和压力传感器，在所述消解罐的外侧设置有泄压阀，所述泄压阀通过管路与消解罐的内部连通；在所述冷凝罐中设置有用于对所述消解罐进行冷却的喷淋装置。

2.根据权利要求1所述的固态环境样品的消解装置，其特征在于：在所述驱动系统中设置有第一电机、第二电机、第一旋转支架和第二旋转支架；所述第二旋转支架安装在消解罐的外侧，并连接所述的第二电机，所述第二电机驱动第二旋转支架带动所述消解罐沿水平方向的轴线垂直翻转；所述第一电机安装在所述支架上，第一电机的输出轴连接第一旋转支架，驱动第一旋转支架带动所述第二电机、第二旋转支架以及消解罐沿垂直方向的轴线水平旋转。

3.根据权利要求1所述的固态环境样品的消解装置，其特征在于：所述消解罐包括罐体和罐盖，所述罐体包括内罐和外罐，所述加热器布设在所述的内罐与外罐之间，所述温度传感器和压力传感器设置在内罐中，所述温度传感器和压力传感器分别检测消解罐内的温度和压力并反馈至控制系统；所述控制系统根据检测到的罐内温度控制所述加热器的加热温度，通过检测到的罐内压力控制所述泄压阀动作，所述泄压阀通过管路与所述的内罐连通。

4.根据权利要求3所述的固态环境样品的消解装置，其特征在于：所述控制系统设置在所述的冷凝罐上或者位于冷凝罐的外部，在所述控制系统中设置有操作面板，通过所述控制系统控制所述驱动系统运行。

5.根据权利要求3所述的固态环境样品的消解装置，其特征在于：所述外罐由不锈钢材料制成，所述内罐由聚四氟乙烯材料制成，所述加热器为电阻加热层。

6.根据权利要求1所述的固态环境样品的消解装置，其特征在于：所述冷凝罐包括冷凝罐罐体和冷凝罐罐盖，所述喷淋装置布设在所述冷凝罐罐盖的内侧。

7.根据权利要求6所述的固态环境样品的消解装置，其特征在于：在所述喷淋装置中设置有喷淋口，所述喷淋口布设在冷凝罐罐盖的内侧，并通过输水管路与开设在冷凝罐罐盖上的进水口连通，通过进水口连接外部的进水管，在所述冷凝罐罐体的底部开设有出水口。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的固态环境样品的消解装置，其特征在于：所述支架包括竖立在冷凝罐内部的立柱，在所述立柱的顶部设置有至少一根水平臂，在每一根水平臂上分别安装有一套所述的驱动系统和所述的消解罐。

9.一种基于权利要求1至8中任一项权利要求所述的固态环境样品的消解装置的消解方法，包括以下步骤：

a、将固态环境样品置于消解罐中，并在消解罐中加入氧化剂、还原剂、反应介质和混合介质，然后封闭消解罐；

b、对驱动系统驱动消解罐水平旋转和垂直翻转的转速进行设置，并设置消解反应的温度、压力和反应时间；

c、启动加热器对消解罐加热，并启动驱动系统驱动消解罐按照设定的转速水平旋转和垂直翻转；

d、通过温度传感器和压力传感器实时检测消解罐内的温度和压力，通过调节所述加热器和泄压阀保持消解罐内的温度和压力稳定在设定值上；

e、待设定的反应时间到达时，控制驱动系统和加热器停止工作；启动喷淋装置对消解罐喷淋降温，并开启泄压阀泄压；

f、取出消解罐，将反应后的溶液转移，完成固态环境样品的消解过程。

10.根据权利要求9所述的消解方法，其特征在于：当所述固态环境样品中的目标提取物为木质素时，在所述消解罐中加入的氧化剂为氧化铜粉末，所述氧化铜与所述固态环境样品的质量比为1:0.1-2；所述还原剂为硫酸亚铁铵，所述硫酸亚铁铵与所述固态环境样品的质量比为1:0.5-10；所述反应介质为氢氧化钠水溶液，所述氢氧化钠水溶液的浓度为1-5mol/L；所述混合介质为不锈钢珠。