CN105067600B - 一种大气颗粒物中硝酸盐和铵盐的测定装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大气颗粒物中硝酸盐和铵盐的测定装置及使用方法，属于环境监测技术领域，测定装置包括设置有颗粒物切割器的主管路及通过三通阀门分别连接的测定系统和稳定系统，测定系统包括三个并联的支路、与并联支路的出口连接的钼炉转化炉及NO_X检测器，并联支路两端分别设置有第一四通阀门和第二四通阀门，三个支路中分别设置粒子过滤器、通风管及铂炉，通过控制四通阀门四个端口的开闭进行空气在三个支路中的流向切换，空气分别经过三条支路后进入钼炉转化炉进行热转化作用，最终由NO_X检测器检测出经过三条支路后空气中相对应物质的浓度，并通过三个结果之间的减法运算得出硝酸盐及铵盐的浓度，本发明成本低、操作简便。

Description

一种大气颗粒物中硝酸盐和铵盐的测定装置及使用方法

技术领域

本发明属于环境监测技术领域，具体涉及一种大气颗粒物中硝酸盐和铵盐的测定装置及使用方法。

背景技术

空气是人类赖以生存的物质基础之一，空气污染不但对大气能见度和自然环境产生恶劣影响，而且威胁人体健康，近年来我国空气污染形势异常严峻，细颗粒物(PM_2.5)已成为许多城市的首要污染物，细颗粒物的组成较复杂，含有重金属、无机碳、有机碳、硫酸盐、硝酸盐和铵盐等多种物质，其中硫酸盐、硝酸盐和铵盐在细颗粒物中的质量占比达到了25-30％以上，当细颗粒物浓度高于70μg/m³时，三者所占比例之和大于70％，是颗粒物浓度升高的主要因素。细颗粒物中的硝酸盐和铵盐在很大程度上是由大气化学反应形成的，NO₂可以和OH自由基或O₃发生反应生成HNO₃，然后再与NH₃反应生成NH₄NO₃，生成的硝酸铵可能以固态或者液态形式存在，以何种形式存在与空气湿度有关，并且硝酸铵的分解与生成受温度影响，监测细颗粒物中硝酸盐和铵盐的含量对于解析细颗粒物来源和理解其生成机理具有非常重要的意义。

现有技术中主要采用色谱分析仪进行大气颗粒物中成分的测定，该设备不仅成本较高，而且对操作环境及操作人员的技术要求较高，不利于在该领域推广实施。

发明内容

本发明克服了现有技术中检测设备成本高、操作环境及技术要求高的缺点，提供了一种测定大气颗粒物中硝酸盐和铵盐的装置及使用方法，该装置中元件均为常用元件，成本较低，对操作环境和人员的技术要求均不高，使用该装置进行测定的方法也比较简单，易于实施。

本发明的具体技术方案是：

一种大气颗粒物中硝酸盐和铵盐的测定装置，关键点是，该装置包括主管路及依次连接在主管路上的颗粒物切割器和测定系统，测定系统依次连接设置有并联的三条支路、与三条支路出口连接的钼炉转化炉、第一粒子过滤器及NO_X检测器，并联的三条支路两端分别连接设置有包括a1端口、b1端口、c1端口、d1端口的第一四通阀门和包括有a2端口、b2端口、c2端口、d2端口的第二四通阀门，a1端口与颗粒物切割器出口连接，a2端口与钼炉转化炉的入口连接，三条支路中分别设置有第二粒子过滤器、通风管及铂炉且三者的入口分别与b1端口、c1端口、d1端口连接，三者的出口分别与b2端口、c2端口、d2端口连接。

所述的主管路中在颗粒物切割器后端连接设置有干扰气体滤除装置，干扰气体滤除装置包括依次连接的一组多个气体过滤器，所述的气体过滤器两两之间通过带有内螺纹的连接套进行螺纹连接固定。

所述的一组多个气体过滤器为依次连接的一个活性炭环形过滤器及涂有碳酸钠涂层溶液的碳酸钠环形溶蚀器和涂有柠檬酸涂层溶液的柠檬酸环形溶蚀器，活性炭环形过滤器包括圆柱形外壳及填充在其内部的蜂窝状活性炭，外壳两端分别设置入口和出口。

所述的NO_X检测器为化学发光法NO_X检测器。

所述颗粒物切割器为空气动力学颗粒物切割器。

所述的主管路中还设置有与测定系统并联的稳定系统，主管路中通过设置三通阀门分别与测定系统和稳定系统连接，稳定系统中依次连接设置有第三粒子过滤器、质量流量计及真空泵。

所述的测定系统中的第一粒子过滤器后端连接设置有流量传感器。

利用上述测定装置进行大气颗粒物中硝酸盐和铵盐的测定方法，具体包括以下步骤：

a、第一四通阀门的a1端口、c1端口开启，b1端口、d1端口关闭，第二四通阀门的a2端口、c2端口开启，b2端口、d2端口关闭，通过NO_X检测器将待检测空气进行抽取，待检测空气经过颗粒物切割器，含有待测颗粒的空气样品途经通风管之后直接进入钼炉转化炉，最后进入NO_X检测器，测得气态氮化物和颗粒物态硝酸盐的浓度；

b、第一四通阀门(5)的a1端口、b1端口开启，c1端口、d1端口关闭，第二四通阀门的a2端口、b2端口开启，c2端口、d2端口关闭，通过NO_X检测器将待检测空气进行抽取，待检测空气经过颗粒物切割器，含有待测颗粒的空气样品经过第二粒子过滤器，将空气样品中的颗粒物全部过滤掉，然后再通过钼炉转化炉后进入NO_X检测器，测得气态氮化物的浓度；

c、第一四通阀门的a1端口、d1端口开启，b1端口、c1端口关闭，第二四通阀门的a2端口、d2端口开启，b2端口、c2端口关闭，通过NO_X检测器将待检测空气进行抽取，待检测空气经过颗粒物切割器，含有待测颗粒物的空气样品经过铂炉，将空气样品中的铵盐颗粒氧化为NO_X气体，然后再通过钼炉转化炉后进入NO_X检测器，得到气态氮化物、颗粒物态硝酸盐和铵盐的浓度；

d、将步骤a中的所有气态氮化物和颗粒态硝酸盐的浓度减去步骤b中气态氮化物的浓度，最终得到空气样品中的颗粒态硝酸盐的浓度；将步骤c中的气态氮化物、颗粒物态硝酸盐和铵盐的浓度减去步骤a中气态氮化物和颗粒态硝酸盐的浓度，最终得到空气样品中的颗粒物铵盐的浓度。

所述的气态氮化物包括一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO₂)、氨气(NH₃)、硝酸(HNO₃)、过氧乙酰基硝酸脂(PAN)；颗粒态硝酸盐包括硝酸铵(NH₄NO₃)、硝酸钠(NaNO₃)、硝酸钾(KNO₃)、硝酸镁(Mg(NO₃)₂)、硝酸钙(Ca(NO₃)₂)。

所述的钼炉转化炉将空气样品中气态氮化物和颗粒态硝酸盐转化为NO和NO₂，转化时所用的催化剂为金属钼，催化温度为450-500℃；所述的铂炉将空气样品中气态氮化物和颗粒态氨盐转化为NO和NO₂，转化时所用的催化剂为金属铂，催化温度为750-800℃。

本发明的有益效果是：本发明中的测定装置中各组成本分均为常见元件，连接结构简单，成本较低，操作时也较为方便，对操作人员没有较高的技术要求，而且该装置在使用时对环境的要求不高，可以在任意场合进行使用，大大方便了大气颗粒物中硝酸盐和铵盐浓度的测定，通过控制单元进行循环操作的控制，从而通过多组数据的计算得出较为精准的空气颗粒物中硝酸盐和铵盐的浓度，此外，与常规的离子色谱分析方法相比，本发明不仅能监测水溶性的颗粒态硝酸盐和铵盐，还能监测非水溶性组分。

附图说明

图1是本发明中测定装置的结构示意图。

图2是本发明测定装置中铂炉的结构示意图。

图3是本发明测定装置中干扰气体滤除装置的结构示意图。

附图中，1、颗粒物切割器，2、钼炉转化炉，3、第一粒子过滤器，4、NO_X检测器，5、第一四通阀门，6、第二四通阀门，7、第二粒子过滤器，8、通风管，9、铂炉，10、干扰气体滤除装置，11、三通阀门，12、第三粒子过滤器，13、质量流量计，14、真空泵，15、流量传感器，16、控制单元，17、炉管，18、进气管，19、催化剂，20、出气管，21、加热电阻丝，22、测温热电偶，23、碳酸钠环形溶蚀器，24、柠檬酸环形溶蚀器，25、活性炭环形过滤器，26、连接套。

具体实施方式

本发明涉及一种大气颗粒物中硝酸盐和铵盐的测定装置及使用方法，本发明中的测定装置包括主管路及依次连接在主管路上的颗粒物切割器1和测定系统，测定系统依次连接设置有并联的三条支路、与三条支路出口连接的钼炉转化炉2、第一粒子过滤器3及NO_X检测器4，并联的三条支路两端分别连接设置有包括a1端口、b1端口、c1端口、d1端口的第一四通阀门5和包括有a2端口、b2端口、c2端口、d2端口的第二四通阀门6，a1端口与颗粒物切割器出口连接，a2端口与钼炉转化炉2的入口连接，三条支路中分别设置有第二粒子过滤器7、通风管8及铂炉9且三者的入口分别与b1端口、c1端口、d1端口连接，三者的出口分别与b2端口、c2端口、d2端口连接。

具体实施例，如图1至图3所示，本发明的测定装置中，颗粒物切割器1为空气动力学颗粒物切割器，可以进行PM1至PM10的颗粒切割，选取PM2.5的切割头筛选出PM2.5的粒子，主管路在颗粒物切割器1后端连接设置有干扰气体滤除装置10，干扰气体滤除装置10包括依次连接的一组多个气体过滤器，所述的气体过滤器两两之间通过带有内螺纹的连接套26进行螺纹连接固定，所述的一组多个气体过滤器为依次连接的一个活性炭环形过滤器25及涂有碳酸钠涂层溶液的碳酸钠环形溶蚀器23和涂有柠檬酸涂层溶液的柠檬酸环形溶蚀器24，活性炭环形过滤器25包括圆柱形外壳及填充在其内部的蜂窝状活性炭，外壳两端分别设置入口和出口，活性炭环形过滤器25、碳酸钠环形溶蚀器23、柠檬酸环形溶蚀器24通过连接套26进行依次连接，连接套26为两端带有内螺纹的管件，碳酸钠环形溶蚀器23、柠檬酸环形溶蚀器24及活性炭环形过滤器25的两端均设置有外螺纹且与连接套26通过螺纹连接固定，碳酸钠环形溶蚀器23和柠檬酸环形溶蚀器24为商业化较为成熟的环形溶蚀器产品，碳酸钠环形溶蚀器23和柠檬酸环形溶蚀器24优选采用2％-4％的碳酸钠和2％-4％柠檬酸溶液进行镀层处理，活性炭环形过滤器25的外壳中填充蜂窝状的活性炭，目数优选采用100-200目，采样流速＜1L/min情况下，活性炭溶蚀器优选长度为5-10cm。

所述的测定系统中的第一粒子过滤器3后端连接设置有流量传感器15，NO_X检测器4为化学发光法NO_X检测器，主管路中还设置有与测定系统并联的稳定系统，主管路中通过设置三通阀门11分别与测定系统和稳定系统连接，稳定系统中依次连接设置有第三粒子过滤器12、质量流量计13及真空泵14，本发明的测定装置中还设置有控制单元16，质量流量计13、真空泵14、三通阀门11、第一四通阀门5、第二四通阀门6、流量传感器15和NO_X检测器4的电信号与控制单元16连接，气体在测定系统中的流向切换通过控制单元16控制第一四通阀门5和第二四通阀门6的切换实现。

利用如上所述的测定装置进行大气颗粒物中硝酸盐和铵盐的测定方法，所述的测定方法具体包括以下步骤：

a、第一四通阀门5和第二四通阀门6均为电磁四通阀门，第一四通阀门5的a1端口、c1端口开启，b1端口、d1端口关闭，第二四通阀门6的a2端口、c2端口开启，b2端口、d2端口关闭，通过NO_X检测器4将待检测空气进行抽取，待检测空气经过颗粒物切割器1，再通过干扰气体滤除装置10把酸性(SO₂、H₂S、NO₂、NO)和碱性(NH₃)干扰气体滤除，保留PM2.5颗粒，然后通过三通阀门分别流向稳定系统和测定系统，稳定系统保证整个装置的总采样流量符合空气动力学颗粒物切割器中切割头的设计要求，控制单元16根据颗粒物切割器1的设定流量减去流量传感器15实时工作测定值所得差值分配设定真空泵14的工作功率，使得真空泵14抽气流量在质量流量计13得到的数值与流量传感器15的实时测定值相加之和始终等于颗粒物切割器1的设定流量值，颗粒物切割器1对空气中颗粒物的切割工作稳定，能够很好地保证切割后的颗粒物的粒径符合工作需求，含有待测颗粒的空气样品途经通风管8之后直接进入钼炉转化炉2，钼炉转化炉2将空气样品中气态氮化物和颗粒态硝酸盐转化为NO和NO₂，转化时所用的催化剂为金属钼，催化温度为450-500℃，最后进入NO_X检测器4，测得气态氮化物和颗粒物态硝酸盐的浓度，气态氮化物包括一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO₂)、氨气(NH₃)、硝酸(HNO₃)、过氧乙酰基硝酸脂(PAN)，颗粒态硝酸盐包括硝酸铵(NH₄NO₃)、硝酸钠(NaNO₃)、硝酸钾(KNO₃)、硝酸镁(Mg(NO₃)₂)、硝酸钙(Ca(NO₃)₂)；

b、第一四通阀门5的a1端口、b1端口开启，c1端口、d1端口关闭，第二四通阀门6的a2端口、b2端口开启，c2端口、d2端口关闭，通过NO_X检测器4将待检测空气进行抽取，待检测空气经过颗粒物切割器1，含有待测颗粒的空气样品经过第二粒子过滤器7，将空气样品中的颗粒物全部过滤掉，然后再通过钼炉转化炉2，钼炉转化炉2将空气样品中气态氮化物和颗粒态硝酸盐转化为NO和NO₂，转化时所用的催化剂为金属钼，催化温度为450-500℃，最后进入NO_X检测器4，测得气态氮化物的浓度；

c、第一四通阀门5的a1端口、d1端口开启，b1端口、c1端口关闭，第二四通阀门6的a2端口、d2端口开启，b2端口、c2端口关闭，通过NO_X检测器4将待检测空气进行抽取，待检测空气经过颗粒物切割器1，含有待测颗粒物的空气样品经过铂炉9，如图2所示，铂炉9包括炉管17、进气管18、催化剂19、出气管20、加热电阻丝21和测温热电偶22，进气管18插入在炉管17中，催化剂19填充在进气管18中，出气管20接在炉管17的上方侧壁，并与炉管17连通，测温热电偶22紧贴在炉管17表面，加热电阻丝缠绕在炉管17边缘的保温材料中，铂炉9将空气样品中气态氮化物和颗粒态氨盐转化为NO和NO₂，转化时所用的催化剂为金属铂，催化温度为750-800℃，将空气样品中的铵盐颗粒氧化为NO_X气体，然后再通过钼炉转化炉2，钼炉转化炉2将空气样品中气态氮化物和颗粒态硝酸盐转化为NO和NO₂，转化时所用的催化剂为金属钼，催化温度为450-500℃，最后进入NO_X检测器4，得到气态氮化物、颗粒物态硝酸盐和铵盐的浓度；

d、将步骤a中的所有气态氮化物和颗粒态硝酸盐的浓度减去步骤b中气态氮化物的浓度，最终得到空气样品中的颗粒态硝酸盐的浓度，将步骤c中的气态氮化物、颗粒物态硝酸盐和铵盐的浓度减去步骤a中气态氮化物和颗粒态硝酸盐的浓度，最终得到空气样品中的颗粒物铵盐的浓度。

通过控制单元16控制第一四通阀门5和第二四通阀门6的状态切换，每间隔20分钟切换一次阀门状态，分别进行a-c步骤的操作，一个循环周期结束后，就可以得到一组浓度数据用来进行d步骤中的浓度计算。

本发明中的测定装置各组成部分成本较低、连接结构简单，有利于该装置的大面积推广，而且该装置在使用时的操作较为简便，对操作人员的技术要求不高，对使用环境的要求也不高，使用该装置进行的测定效率高，准确度能够得到保证，在测定准确度上也强于色谱分析仪，因此测定之后的数据更能够对改善大气质量的工作具有指导意义和可参考性。

Claims (9)

1.一种大气颗粒物中硝酸盐和铵盐的测定装置，其特征在于：该装置包括主管路及依次连接在主管路上的颗粒物切割器(1)和测定系统，测定系统依次连接设置有并联的三条支路、与三条支路出口连接的钼炉转化炉(2)、第一粒子过滤器(3)及NO_X检测器(4)，并联的三条支路两端分别连接设置有包括a1端口、b1端口、c1端口、d1端口的第一四通阀门(5)和包括有a2端口、b2端口、c2端口、d2端口的第二四通阀门(6)，a1端口与颗粒物切割器(1)出口连接，a2端口与钼炉转化炉(2)的入口连接，三条支路中分别设置有第二粒子过滤器(7)、通风管(8)及铂炉(9)且三者的入口分别与b1端口、c1端口、d1端口连接，三者的出口分别与b2端口、c2端口、d2端口连接；

硝酸盐和铵盐的测定方法具体包括以下步骤：

a、第一四通阀门(5)的a1端口、c1端口开启，b1端口、d1端口关闭，第二四通阀门(6)的a2端口、c2端口开启，b2端口、d2端口关闭，通过NO_X检测器(4)将待检测空气进行抽取，待检测空气经过颗粒物切割器(1)，含有待测颗粒的空气样品途经通风管(8)之后直接进入钼炉转化炉(2)，最后进入NO_X检测器(4)，测得气态氮化物和颗粒物态硝酸盐的浓度；

b、第一四通阀门(5)的a1端口、b1端口开启，c1端口、d1端口关闭，第二四通阀门(6)的a2端口、b2端口开启，c2端口、d2端口关闭，通过NO_X检测器(4)将待检测空气进行抽取，待检测空气经过颗粒物切割器(1)，含有待测颗粒的空气样品经过第二粒子过滤器(7)，将空气样品中的颗粒物全部过滤掉，然后再通过钼炉转化炉(2)后进入NO_X检测器(4)，测得气态氮化物的浓度；

c、第一四通阀门(5)的a1端口、d1端口开启，b1端口、c1端口关闭，第二四通阀门(6)的a2端口、d2端口开启，b2端口、c2端口关闭，通过NO_X检测器(4)将待检测空气进行抽取，待检测空气经过颗粒物切割器(1)，含有待测颗粒物的空气样品经过铂炉(9)，将空气样品中的铵盐颗粒氧化为NO_X气体，然后再通过钼炉转化炉(2)后进入NO_X检测器(4)，得到气态氮化物、颗粒物态硝酸盐和铵盐的浓度；

d、将步骤a中的所有气态氮化物和颗粒态硝酸盐的浓度减去步骤b中气态氮化物的浓度，最终得到空气样品中的颗粒态硝酸盐的浓度；将步骤c中的气态氮化物、颗粒物态硝酸盐和铵盐的浓度减去步骤a中气态氮化物和颗粒态硝酸盐的浓度，最终得到空气样品中的颗粒物铵盐的浓度。

2.根据权利要求1所述的一种大气颗粒物中硝酸盐和铵盐的测定装置，其特征在于：所述的主管路中在颗粒物切割器(1)后端连接设置有干扰气体滤除装置(10)，干扰气体滤除装置(10)包括依次连接的一组多个气体过滤器，所述的气体过滤器两两之间通过带有内螺纹的连接套(26)进行螺纹连接固定。

3.根据权利要求2所述的一种大气颗粒物中硝酸盐和铵盐的测定装置，其特征在于：所述的一组多个气体过滤器为依次连接的一个活性炭环形过滤器(25)及涂有碳酸钠涂层溶液的碳酸钠环形溶蚀器(23)和涂有柠檬酸涂层溶液的柠檬酸环形溶蚀器(24)，活性炭环形过滤器(25)包括圆柱形外壳及填充在其内部的蜂窝状活性炭，外壳两端分别设置入口和出口。

4.根据权利要求1所述的一种大气颗粒物中硝酸盐和铵盐的测定装置，其特征在于：所述的NO_X检测器(4)为化学发光法NO_X检测器。

5.根据权利要求1所述的一种大气颗粒物中硝酸盐和铵盐的测定装置，其特征在于：所述颗粒物切割器(1)为空气动力学颗粒物切割器。

6.根据权利要求1所述的一种大气颗粒物中硝酸盐和铵盐的测定装置，其特征在于：所述的主管路中还设置有与测定系统并联的稳定系统，主管路中通过设置三通阀门(11)分别与测定系统和稳定系统连接，稳定系统中依次连接设置有第三粒子过滤器(12)、质量流量计(13)及真空泵(14)。

7.根据权利要求1所述的一种大气颗粒物中硝酸盐和铵盐的测定装置，其特征在于：所述的测定系统中的第一粒子过滤器(3)后端连接设置有流量传感器(15)。

8.根据权利要求1所述的测定装置，其特征在于：所述的气态氮化物包括一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO₂)、氨气(NH₃)、硝酸(HNO₃)、过氧乙酰基硝酸脂(PAN)；颗粒态硝酸盐包括硝酸铵(NH₄NO₃)、硝酸钠(NaNO₃)、硝酸钾(KNO₃)、硝酸镁(Mg(NO₃)₂)、硝酸钙(Ca(NO₃)₂)。

9.根据权利要求1所述的测定装置，其特征在于：所述的钼炉转化炉(2)将空气样品中气态氮化物和颗粒态硝酸盐转化为NO和NO₂，转化时所用的催化剂为金属钼，催化温度为450-500℃；所述的铂炉(9)将空气样品中气态氮化物和颗粒态氨盐转化为NO和NO₂，转化时所用的催化剂为金属铂，催化温度为750-800℃。