CN106093176B - 一种气态硫酸测量的标定方法及标定装置 - Google Patents

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    • G01N27/62—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating the ionisation of gases, e.g. aerosols; by investigating electric discharges, e.g. emission of cathode

Abstract

本发明公开了一种气态硫酸测量的标定方法及标定装置，该标定方法通过产生过量OH自由基，将已知浓度的SO2转换成硫酸标准样，该硫酸标准样的浓度通过SO2的浓度进行确定；将硫酸标准样通过化学电离质谱仪，对化学电离质谱仪进行系统标定。本发明标定方法可显著提高硫酸测量的准确度，对颗粒物成核研究等大气气溶胶化学的发展有着促进意义。

Description

一种气态硫酸测量的标定方法及标定装置
技术领域
本发明涉及一种气态硫酸测量的标定方法及标定装置。
背景技术
近年来，我国大部分地区大气污染日趋严重，大气能见度急剧下降，重霾锁城事件频繁发生，大气气溶胶定性与定量的研究渐显重要。而通常认为气溶胶硫酸盐是气溶胶的首要成分之一，并通过参与太阳与陆地之间的辐射和云的形成影响气候变化。所以准确测定气态硫酸有助于理解大气气溶胶新粒子形成机理和气溶胶数浓度。
气态硫酸在大气颗粒物的形成、转化过程中起着重要作用，对研究大气灰霾过程有重要意义。目前气态硫酸的测量方法主要使用化学电离质谱仪技术(CIMS)，该测量方法准确性关键在于对以上化学电离质谱仪的标定方法。已有的标定技术是使用汞灯（184.9nm）通过光解水定量产生OH自由基(R1)，再使用过量SO2把OH定量转化成硫酸(如方程式R2-R4所示)。
汞灯的辐射强度直接决定OH自由基的产生量，即最终的硫酸浓度。现有的标定技术是使用紫外线敏感的光电管直接测量汞灯的辐射强度。测量的准确度决定于测量环境（温度、湿度等）和光电管的转换效率。系统误差不低于测量值的30%。这对研究大气中硫酸成核过程有极大的负面影响。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，提供一种不依赖汞灯辐射强度、系统误差低的标定方法。
为了达到上述目的，本发明提供了一种气态硫酸测量的标定方法，该标定方法通过测定硫酸标准样的浓度，利用已知浓度的硫酸标准样对化学电离质谱仪进行系统标定；其中，本发明标定方法通过产生过量OH自由基，将已知浓度的SO2转换成硫酸标准样，该硫酸标准样的浓度通过SO2的浓度进行确定；将硫酸标准样通过化学电离质谱仪，对化学电离质谱仪进行系统标定。
其中，硫酸标准样通过以下方法转换：首先通过大功率汞灯产生过量的OH自由基，将吸入空气中的SO2转换成硫酸气体，并吸附去除，产生零气；然后向零气中控制流量通入SO2气体，与零气混合后，经大功率汞灯照射转换成上述硫酸标准样。
本发明还提供了采用上述方法的标定装置，通过该标定装置对气态硫酸测量用化学电离质谱仪进行系统标定；该标定装置包括铝管、零气用大功率汞灯、标准样用大功率汞灯、玻璃珠吸附层、SO2气瓶、SO2流量计、抽真空用流量计、真空泵；铝管前端开口，开口处设有零气用大功率汞灯；铝管尾部设有硫酸标准样出口；铝管内部设有玻璃珠吸附层，且位于铝管前部；铝管上由前至后分别设有SO2注入口、石英窗和抽气口；SO2注入口、石英窗和抽气口位于玻璃珠吸附层与铝管尾部之间；SO2气瓶通过SO2流量计与SO2注入口相连通；标准样用大功率汞灯设于铝管外部，且位于石英窗处；真空泵通过抽真空用流量计与抽气口相连通。
其中，玻璃珠吸附层包括两个金属格网；两个金属格网之间填充有玻璃珠。
本发明标定装置还包括防湍流金属格网；防湍流金属格网设于铝管内，且位于石英窗和抽气口之间。
铝管内径10cm，长1.2m；玻璃珠吸附层长度为20cm，内部填充的玻璃珠的直径大小为10mm。
本发明相比现有技术具有以下优点：本发明通过产生过量OH自由基，定量转换已知浓度SO2成为硫酸的方法使硫酸标准样浓度的确定与汞灯辐射强度无直接联系，而决定于SO2气体流量的精确测定。从而将极度复杂、高难度、精度较差的光学通量测量问题转化为相对成熟、易于控制的流量测定问题。采用本发明标定装置可使硫酸标定精度提高到测量值的3%左右。本发明标定方法可显著提高硫酸测量的准确度，对颗粒物成核研究等大气气溶胶化学的发展有着促进意义。
附图说明
图1为本发明标定装置的结构示意图。
图中，1-铝管，2-零气用大功率汞灯，3-金属格网，4-防湍流金属格网，5-玻璃珠，6-SO2气瓶，7-SO2流量计，8-标准样用大功率汞灯，9-真空泵，10-抽真空用流量计，11-SO2注入口，12-石英窗，13-抽气口，14-硫酸标准样出口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明标定装置采用铝管1制备，铝管1内径10厘米，长度1.2米，包括两个部分，前段为零气产生段，后段为硫酸产生段。铝管1的前端开口，开口处设有零气用大功率汞灯2，该大功率汞灯采用低压汞灯。铝管1前段尾部为玻璃吸附层，包括两个设于铝管1内的金属格网，两个金属格网3之间填充有玻璃珠5，金属格网3之间距离20厘米左右，玻璃珠5的直径大小为10mm。后端的铝管上由前至后分别设有SO2注入口11、石英窗12和抽气口13。SO2气瓶6通过SO2流量计7与SO2注入口11相连通；标准样用大功率汞灯8（采用同样的低压汞灯）设于铝管1外部，且位于石英窗12处；真空泵9通过抽真空用流量计10与抽气口13相连通。铝管1内、石英窗12和抽气口13之间设有防湍流金属格网4。铝管1尾部密封，且尾部设有硫酸标准样出口14，与化学电离质谱仪进样口相连。
采用本发明装置进行标定时，首先为零气产生阶段，主要功能是去除大气中的残留SO2，空气进入铝管1前端开口处后立即被低压汞灯（零气用大功率汞灯2）的184.9nm紫外线照射。辐射产生的大量OH自由基（ >1010分子／cm3）迅速转换SO2成硫酸气体，并被紧接着的金属格网3内的玻璃珠5表面所吸附，形成零气。然后进入硫酸标准样生成阶段，已知浓度（50 ppbv）的SO2气瓶（采购商业化产品，浓度精度可小于1%）经过高精度质量流量计（SO2流量计7，如MKS公司生产的10毫升每分钟量程的GM50A，流量控制精度小于流量的1%）注入硫酸产生段，和零气扩散混合后，气流经第二只低压汞灯（标准样用大功率汞灯8）辐射区（即通过石英窗12处照射，OH>1010分子／cm3）完全转换成硫酸气体。总空气流量（100升/分钟）在另外一只MKS质量流量计（抽真空用流量计10，GE50A）控制下由真空泵9（如安捷伦TS600）抽取获得。总流量的精度应小于流量的1%。所产生硫酸浓度应在pptv水平。获得的硫酸标准样通过硫酸标准样出气口14进入质谱仪进样口，由此对质谱仪进行标定。采用本发明方法，整体的不确定性仅为产生硫酸气体的3%左右，远小于现有技术中系统误差不低于测量值的30%。

Claims (2)

1.一种气态硫酸测量的标定方法，所述标定方法通过测定硫酸标准样的浓度，利用已知浓度的硫酸标准样对化学电离质谱仪进行系统标定；其特征在于，所述标定方法通过产生过量OH自由基，将已知浓度的SO2转换成硫酸标准样，该硫酸标准样的浓度通过SO2的浓度进行确定；将所述硫酸标准样通过化学电离质谱仪，对化学电离质谱仪进行系统标定；所述硫酸标准样通过以下方法转换：首先通过大功率汞灯产生过量的OH自由基，将吸入空气中的SO2转换成硫酸气体，并吸附去除，产生零气；然后向零气中控制流量通入SO2气体，与零气混合后，经大功率汞灯照射转换成所述硫酸标准样。
2.一种气态硫酸测量的标定装置，通过该标定装置对气态硫酸测量用化学电离质谱仪进行系统标定；其特征在于，所述标定装置包括铝管、零气用大功率汞灯、标准样用大功率汞灯、玻璃珠吸附层、SO2气瓶、SO2流量计、抽真空用流量计、真空泵；所述铝管前端开口，开口处设有零气用大功率汞灯；所述铝管尾部设有硫酸标准样出口；所述铝管内部设有玻璃珠吸附层，且位于所述铝管前部；所述铝管上由前至后分别设有SO2注入口、石英窗和抽气口；所述SO2注入口、石英窗和抽气口位于所述玻璃珠吸附层与铝管尾部之间；所述SO2气瓶通过SO2流量计与SO2注入口相连通；所述标准样用大功率汞灯设于所述铝管外部，且位于所述石英窗处；所述真空泵通过抽真空用流量计与抽气口相连通；所述标定装置还包括防湍流金属格网；所述防湍流金属格网设于所述铝管内，且位于所述石英窗和抽气口之间。
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