CN105973832B - 一种基于紫外灯的气体中voc物质在线检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于紫外灯的气体中VOC物质在线检测装置，包括：取样装置，用于对气体进行连续取样；流量调节装置，其与所述取样装置相连，用于使所述气体以一定的流量连续通过氧化装置；氧化装置，其内设有一紫外灯，用于对进去其内的所述气体进行氧化；第一测量装置，设于所述流量调节装置和所述氧化装置之间，用于测量氧化前所述气体的温度、压强和CO2浓度；第二测量装置，用于测量氧化后所述气体的温度、压强和CO2浓度。本发明的有益效果在于，通过测试所述气体在氧化前后，所述气体相对应的温度、压强和二氧化碳浓度，再经过简单计算便可获得VOC物质中总有机碳的摩尔浓度，该装置不仅结构简单、运行成本低，而且测量精度高。
Description
技术领域
本发明涉及一种气体中VOC物质检测装置，尤其涉及一种基于紫外灯的气体中VOC物质在线检测装置。
背景技术
VOC物质，即挥发性有机化合物，若超标释放，会对大气环境造成很大的污染，危害人们的身体健康。
专利文献CN 2570774Y，公开了一种闭路循环式总有机碳分析装置，该装置由样品自动定量进样装置、除CO2装置、氧化装置、反应剂进样装置、气体除水装置、气泵、红外气体分析器、仪器测控单元组成，用于检测水体中总有机碳的含量，在检测过程中，需要进行除CO2和气体中除水的步骤，较繁琐，而且，此装置只适用于检测水质中VOC的浓度，并不能用于检测气体中VOC的浓度。
而现有的检测VOC气体浓度技术主要是利用质谱、气相色谱、光离子化检测法和氢火焰离子(FID)检测法。质谱、气相色谱检测技术虽然检测比较准确，但是仪器设备价格比较高，操作较复杂，耗时，测量成本较高；氢火焰离子检测器采用氢火焰将样品气体进行电离，因此需要配备氢气瓶，并需要频繁更换，仪器需要在防爆环境使用，对安全性要求很高，使用成本较高；光离子化检测器采用紫外灯来离子化样品气体，分子被电离为带正负电的离子，它们被电荷传感器感受到形成电流，仪器成本较低，但是在此过程中由于激发分子的淬灭、正离子与电子的复合和外来物质俘获电子使检测池电子浓度降低，而且不同的紫外灯对检测VOC物质具有较高选择性，使得光离子化检测方法检测数值精度不高，鉴于此，急需开发一种操作简单、测量精度高的气体中VOC物质在线检测装置。
鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。
发明内容
为解决上述问题，本发明采用的技术方案在于，提供一种基于紫外灯的气体中VOC物质在线检测装置，包括：取样装置，用于对气体进行连续取样；流量调节装置，其与所述取样装置相连，用于使所述气体以一定的流量通过所述氧化装置；氧化装置，其内设有一与所述氧化装置可拆卸连接的紫外灯；第一测量装置，设于所述流量调节装置和所述氧化装置之间，用于测量氧化前所述气体的温度、压强和CO2浓度；第二测量装置，用于测量氧化后所述气体的温度、压强和CO2浓度。
进一步，所述流量调节装置包括流量调节阀和流量计，所述取样装置、流量调节阀、流量计和所述第一测量装置依次相连。
进一步，所述第一测量装置包括第一压力表、第一温度计和第一NDIR-CO2传感器，所述流量计、第一压力表、第一温度计和第一NDIR-CO2传感器依次连接，所述第一NDIR-CO2传感器和所述氧化装置的入口处连接；所述第二测量装置包括依次连接的第二压力表、第二温度计和第二NDIR-CO2传感器，所述第二压力表和所述氧化装置的出口处连接。
进一步，所述第一压力表和所述第一温度计的位置可以互换，所述第二压力表和所述第二温度计的位置可以互换。
进一步，所述紫外灯在所述氧化装置内竖直放置。
进一步，所述氧化装置的入口低于所述氧化装置的出口。
进一步，所述氧化装置内设有第三温度计。
进一步，所述的基于紫外灯的气体中VOC物质在线检测装置，还包括一测控装置，所述测控装置包括主控电路、显示模块和数据处理模块，所述显示模块和所述数据处理模块分别和所述主控电路相连，所述第一测量装置和所述第二测量装置分别和所述主控电路相连。
进一步，所述的基于紫外灯的气体中VOC物质在线检测装置，还包括一报警装置，所述报警装置与所述主控电路相连。
进一步，在所述氧化装置的内壁上涂覆有催化剂层，所述催化剂层为二氧化钛层、纳米氧化锌层和三氧化钨层中的一种或两种以上的复合层。
与现有技术比较本发明的有益效果在于：
1.所述的VOC物质在线检测装置，通过测试所述气体在氧化前后，所述气体相对应的温度、压强和二氧化碳浓度，再经过简单计算便可获得VOC物质中总有机碳的摩尔浓度，该装置不仅结构简单、运行成本低，而且测量精度高；
2.所述紫外灯竖直放置，既能够保证所述氧化装置内的温度均一，又能够保证所述氧化装置内的紫外照射强度一致，利于所述气体在自下而上移动的过程中被全部氧化；
3.在所述氧化装置内设有第三温度计，所述第三温度计能够用于间接监测所述氧化装置中的反应情况和所述紫外灯的状态；
4.所述测控装置的设置，实现了智能化的数据处理过程，节约了时间，增加了该装置的适用性；
5.当VOC物质的总有机碳的摩尔浓度C超过VOC物质允许排放的标准时，所述报警装置发出报警命令，提醒操作人员采取相应的措施；
6.在所述氧化装置的内壁上涂覆有催化剂层，所述催化剂层能够加快所述VOC物质的氧化。
附图说明
图1为本发明一种基于紫外灯的气体中VOC物质在线检测装置的功能结构框图；
图2为本发明实施例一中一种基于紫外灯的气体中VOC物质在线检测装置的结构示意图；
图3为本发明实施例四中一种基于紫外灯的气体中VOC物质在线检测装置的结构示意图；
图4为本发明实施例五中一种基于紫外灯的气体中VOC物质在线检测装置的结构示意图；
图5为本发明测控装置的结构示意图；
图6为本发明氧化装置的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
实施例一
请参阅图1，其为本发明一种基于紫外灯的气体中VOC物质在线检测装置的功能结构框图。
一种基于紫外灯的气体中VOC物质在线检测装置，包括取样装置1，用于对气体进行连续取样；流量调节装置2，其与所述取样装置1连接，用于使所述气体以一定的流量Q通过所述氧化装置4；氧化装置4，用于对进去其内的所述气体进行氧化；第一测量装置3，设于所述流量调节装置2和所述氧化装置4之间，用于测量氧化前所述气体的温度、压强和CO2浓度；第二测量装置5，用于测量氧化后所述气体的温度、压强和CO2浓度。其中，所述的取样装置1优选取样泵；所述氧化装置4内设有一与所述氧化装置可拆卸连接的紫外灯41，所述可拆卸连接方式为卡扣、螺钉或螺栓等连接方式，在所述紫外灯41的照射下，所述VOC物质能够被氧化为CO2；所述的Q为苯在所述氧化装置4中全部被氧化通入的流量。
本发明中，VOC物质在所述氧化装置4中的氧化机理为：所述气体连续进入装有高强紫外灯的氧化装置4，在所述紫外灯41的照射下，VOC物质被直接光解为CO2，除此之外，所述气体中含有氧气和水分子，在紫外灯的照射下，氧气被氧化为O3，产生的O3也能将VOC物质转化为CO2；紫外灯中富含185nm的光子能将水分子的O-H键直接打断而生成具有强氧化性的·OH，同时，O3也能与水分子作用产生更多的·OH，·OH的氧化电位为2.8eV，氧化能力仅次于氟，产生的·OH易将VOC物质氧化为CO2。
本发明的VOC在线检测装置，通常用于检测油漆厂、化工厂等厂房内VOC物质的浓度，避免其在生产过程中，造成厂房内VOC物质超标，危害人体健康。
本发明的VOC物质在线检测装置，通过测试所述气体在氧化前后，所述气体相对应的温度、压强和二氧化碳浓度，再经过简单计算便可获得VOC物质中总有机碳的摩尔浓度，该装置不仅结构简单、运行成本低，而且测量精度高。
请参阅图2，其为本实施例中一种基于紫外灯的气体中VOC物质在线检测装置的结构示意图。
所述流量调节装置2，包括流量调节阀21和流量计22，所述取样装置1、流量调节阀21、流量计22和所述第一测量装置3依次相连。为确保所述气体从所述氧化装置4的进口到出口全部被氧化，以难被紫外氧化的物质，如苯为基准，测定其在所述氧化装置4中全部被氧化通入的流量Q，其他比苯易被氧化的物质以苯通入的流量Q为基准，通过所述流量调节阀21配合所述流量计22，调节进气流量为Q，这样，能够确保进去所述氧化装置4内的所述气体中的VOC物质被完全光解为CO2。
所述第一测量装置3包括第一压力表31、第一温度计32和第一NDIR-CO2传感器33，所述取样装置1、流量调节调节阀21、流量计22、第一压力表31、第一温度计32和第一NDIR-CO2传感器33依次连接，所述第一NDIR-CO2传感器33和所述氧化装置4的入口处连接，所述第一压力表31、第一温度计32和第一NDIR-CO2传感器33分别用于测试所述气体进去所述氧化装置4之前所述气体的压强、温度和CO2的浓度。
所述第二测量装置5包括依次连接的第二压力表51、第二温度计52和第二NDIR-CO2传感器53，所述第二压力表51和所述氧化装置4的出口处连接，所述气体最后经所述第二NDIR-CO2传感器53直接进行排空，其中，所述第二压力表51、第二温度计52和第二NDIR-CO2传感器53分别用于测试所述气体经所述氧化装置4氧化后所述气体的压强、温度和所述气体中CO2的浓度。
设所述第一NDIR-CO2传感器33和所述第二NDIR-CO2传感器53之间管道的体积和所述氧化装置4内的空腔的体积总和为VR，则所述气体在所述第一NDIR-CO2传感器33和所述第二NDIR-CO2传感器53之间移动的时间tR＝VR/Q。
在任一时刻t时，记录所述第二测量装置测得的氧化后的所述气体的压强P2、温度T2和CO2浓度C2，则在t时刻时，所述氧化装置4出口处所述气体中CO2的物质的量由于在氧化前后，所述气体从所述第一NDIR-CO2传感器33移动到所述第二NDIR-CO2传感器53时间为tR,记录在t-tR时刻时，所述第一测量装置测得的与所述第二测量装置相对应的氧化前所述气体的压强P1、温度T1、CO2浓度C1。
连续采样进气和出气流量相同，根据理想气体方程，所述气体在进入所述氧化装置4之前，所述气体中的CO2的物质的量经过时间tR，所述气体中VOC物质全部转化为CO2，此时，所述气体中CO2的物质的量则在任一时刻t时，所述气体中VOC物质转化的CO2的物质的量n＝n2(t)-n1(t-tR)，则所述气体中VOC物质转化的CO2的摩尔浓度所测得的CO2的摩尔浓度C即为所述VOC物质的总有机碳的浓度。
实施例二
如上所述的一种基于紫外灯的气体中VOC物质在线检测装置，本实施例与其不同之处在于，所述第一压力表31和所述第一温度计32的位置可以互换，所述第二压力表51和所述第二温度计52的位置可以互换。
实施例三
如上所述的一种基于紫外灯的气体中VOC物质在线检测装置，本实施例与其不同之处在于，所述紫外灯41在所述氧化装置4内竖直放置，这样，既能够保证所述氧化装置4内的温度均一，又能够保证所述氧化装置4内的紫外照射强度一致，利于所述气体在自下而上移动的过程中被全部氧化。
所述氧化装置4的入口低于所述氧化装置4的出口，由于VOC物质的质量比空气的质量重，这样，当连续通气时，所述气体自下而上移动相比自上而下移动来说，减缓了移动的速率，使所述气体在所述氧化装置4中停留的时间较长，增加了氧化的时间。
实施例四
如上所述的一种基于紫外灯的气体中VOC物质在线检测装置，本实施例与其不同指出在于，如图3所示，在所述氧化装置4内设有第三温度计42，所述第三温度计42用于间接监测所述氧化装置4中的反应情况和所述紫外灯41的状态。若所述第三温度计42显示的温度数值过高，从安全方面考虑，需暂停检测，待所述氧化装置4内的温度处于该装置正常承受的范围内时，方可进行检测；若所述第三温度计42在长时间检测的过程中，其所显示的温度一直都处于较低的状态，则说明所述紫外灯41出现老化现象或所述紫外灯41处于不工作的状态。
实施例五
如上所述的一种基于紫外灯的气体中VOC物质在线检测装置，本实施例与其不同之处在于，结合图4和图5所示，图5为测控装置的结构示意图，所述的VOC在线检测装置还包括一测控装置6，所述测控装置6包括主控电路、显示模块和数据处理模块，所述显示模块和所述数据处理模块分别和所述主控电路相连；所述第一测量装置3和所述第二测量装置5分别和所述主控电路相连，具体为,所述第一压力表31、第一温度计32、第一NDIR-CO2传感器33、第二压力表51、第二温度计52和第二NDIR-CO2传感器53分别和所述主控电路相连，所述第一压力表31、第一温度计32、第一NDIR-CO2传感器33、第二压力表51、第二温度计52和第二NDIR-CO2传感器53分别将读取的P1、C1、T1、P2、C2、T2的数值传输给所述主控电路，再经所述数据处理模块按公式处理后，经所述主控电路传输给所述显示模块进行显示，由于本发明中数据处理较简单，为节约成本，本实施例中，所述测控装置6优先PLC控制器。
所述测控装置6的设置，实现了智能化的数据处理过程，节约了时间，增加了该装置的适用性。
实施例六
如上所述的一种基于紫外灯的气体中VOC物质在线检测装置，本实施例与其不同之处在于，结合图4和图5所示，所述的VOC在线检测装置还包括一报警装置43，所述报警装置43与所述测控装置6中的所述主控电路相连，当所述数据处理模块处理得到的所述VOC物质的摩尔浓度C超过VOC物质允许排放的标准时，所述主控电路自动向所述报警装置43发出报警指示命令，所述报警装置43以声光的形式报警，如蜂鸣或闪光的形式报警，提醒操作人员采取相应的措施。
实施例七
如上所述的一种基于紫外灯的气体中VOC物质在线检测装置，本实施例与其不同之处在于，在所述氧化装置4的内壁上涂覆有能够被紫外光活化的催化剂层7，所述催化剂层7能够加快VOC物质的氧化，其中，所述的催化剂层为二氧化钛层、纳米氧化锌层和三氧化钨层中的一种或两种以上的复合层。
实施例八
如上所述的一种基于紫外灯的气体中VOC物质在线检测装置的检测方法，包括以下步骤：
S1：开启氧化装置中的紫外灯，使其达到一个稳定的状态；
S2：开启取样装置，调节流量调节装置，使气体以一定的流量Q通过所述氧化装置；
S3：记录在任一时刻t时，所述第二测量装置测得的氧化后的所述气体的压强P2、温度T2和CO2浓度C2；记录在t-tR时刻时，所述第一测量装置测得的与所述第二测量装置相对应的氧化前所述气体的压强P1、温度T1、CO2浓度C1，其中，tR表示所述气体从所述第一测量装置移动到所述第二测量装置的时间；
S4：计算任一时刻t时，所述气体中VOC物质的总有机碳的摩尔浓度
本发明的VOC物质在线检测方法，通过测试所述气体在氧化前后，所述气体相对应的温度、压强和二氧化碳浓度，再经过简单计算便可获得VOC物质中总有机碳的摩尔浓度，该装置不仅结构简单、运行成本低，而且测量精度高。
实施例九
如上所述的基于UV光解的气体中VOC物质在线检测方法，本实施例与其不同之处在于，若所述VOC物质为纯物质时，则此VOC物质的总有机碳的质量浓度CM为：
式中，C表示所述VOC物质的总有机碳的摩尔浓度，Mr表示所述VOC物质的摩尔质量，k表示所述VOC物质含有的碳原子个数。
如VOC物质为甲苯时，根据VOC在线检测装置测得的甲苯的摩尔浓度为C，通过上述公式可得到甲苯的质量浓度CM＝C×92/7＝13C。
实施例十
如上所述的基于UV光解的气体中VOC物质在线检测方法，本实施例与其不同之处在于，若所述VOC物质为混合物时，则此VOC物质的总有机碳的质量浓度CM为：
式中，C表示所述VOC物质的总有机碳的摩尔浓度，m表示所述VOC物质中含有的组分个数，ni表示第i组分的物质的量，ki表示第i组分中碳原子的个数，Mi表示第i组分的摩尔质量。
如VOC物质中含有的组分个数为3种，第1组分为苯(C6H6)，对应的物质的量n1、摩尔质量M1、含有的C原子的个数k1分别为1mol、78.11g/mol、6；第2组分为丙酮(C3H6O)，对应的物质的量n2、摩尔质量M2、含有的C原子的个数k2分别为2mol、58.08g/mol、3；第3组分为正己烷(C6H14)，对应的物质的量n3、摩尔质量M3、含有的C原子的个数k3分别为1mol、86.17g/mol、6，根据VOC在线检测装置测得的VOC物质的总有机碳的摩尔浓度为C，计算VOC物质的总有机碳的质量浓度CM为：
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于紫外灯的气体中VOC物质在线检测装置，其特征在于，包括：
取样装置，用于对气体进行连续取样；
氧化装置，其内设有一与所述氧化装置可拆卸连接的紫外灯；
流量调节装置，其与所述取样装置相连，用于使所述气体以一定的流量通过所述氧化装置；
第一测量装置，设于所述流量调节装置和所述氧化装置之间，用于测量氧化前所述气体的温度、压强和CO2浓度；
第二测量装置，用于测量氧化后所述气体的温度、压强和CO2浓度。
2.根据权利要求1所述的基于紫外灯的气体中VOC物质在线检测装置，其特征在于，所述流量调节装置包括流量调节阀和流量计，所述取样装置、流量调节阀、流量计和所述第一测量装置依次相连。
3.根据权利要求2所述的基于紫外灯的气体中VOC物质在线检测装置，其特征在于，
所述第一测量装置包括第一压力表、第一温度计和第一NDIR-CO2传感器，所述流量计、第一压力表、第一温度计和第一NDIR-CO2传感器依次连接，所述第一NDIR-CO2传感器和所述氧化装置的入口处连接；
所述第二测量装置包括依次连接的第二压力表、第二温度计和第二NDIR-CO2传感器，所述第二压力表和所述氧化装置的出口处连接。
4.根据权利要求3所述的基于紫外灯的气体中VOC物质在线检测装置，其特征在于，所述第一压力表和所述第一温度计的位置可以互换，所述第二压力表和所述第二温度计的位置可以互换。
5.根据权利要求1所述的基于紫外灯的气体中VOC物质在线检测装置，其特征在于，所述紫外灯在所述氧化装置内竖直放置。
6.根据权利要求1所述的基于紫外灯的气体中VOC物质在线检测装置，其特征在于，所述氧化装置的入口低于所述氧化装置的出口。
7.根据权利要求1所述的基于紫外灯的气体中VOC物质在线检测装置，其特征在于，所述氧化装置内设有第三温度计。
8.根据权利要求1所述的基于紫外灯的气体中VOC物质在线检测装置，其特征在于，还包括一测控装置，所述测控装置包括主控电路、显示模块和数据处理模块，所述显示模块和所述数据处理模块分别和所述主控电路相连，所述第一测量装置和所述第二测量装置分别和所述主控电路相连。
9.根据权利要求8所述的基于紫外灯的气体中VOC物质在线检测装置，其特征在于，还包括一报警装置，所述报警装置与所述主控电路相连。
10.根据权利要求1-9任一所述的基于紫外灯的气体中VOC物质在线检测装置，其特征在于，在所述氧化装置的内壁上涂覆有催化剂层，所述催化剂层为二氧化钛层、纳米氧化锌层和三氧化钨层中的一种或两种以上的复合层。
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