CN107831160A - 一种模拟大气中发生光化学反应的实验装置及其实验方法 - Google Patents

Abstract

一种模拟大气中发生光化学反应的实验装置及其实验方法，涉及一种实验装置及其实验方法，本发明可以模拟大气中特定污染物发生光化学反应的过程及污染物的转化情况。该套实验装置首先利用真空泵将反应装置中的气体抽出，然后通入背景吹扫气体对箱体进行吹扫，接着进行再次抽真空处理，经过几次循环后待反应装置内的气体达到要求后通入反应气体进行光化学反应的模拟实验，实验开始时保持箱体内的气压略高于外部大气压，这样既有利于取样分析，同时还能防止外部气气的渗入对反应造成干扰，有利于模拟反应的顺利进行。本发明的实验装置具有操作简单、采样分析方便，比较适合模拟光化学反应的实验室研究。

Description

一种模拟大气中发生光化学反应的实验装置及其实验方法

技术领域

本发明涉及一种实验装置及其实验方法，特别是涉及一种模拟大气中发生光化学反应的实验装置及其实验方法。

背景技术

全球最早认识光化学污染是20世纪40年代美国洛杉矶城发生的“光化烟雾事件”，此后在北美、日本、澳大利亚和欧洲部分地区也先后出现严重的光化学污染。20世纪末以来，随中国工业和汽车业的迅猛发展， 京津唐地区、珠江三角洲、长江三角洲和成渝地区均出现了比较严重的区域性光化学烟雾，臭氧超标很严重，且趋势在加剧。

国外对光化学污染研究较早，1950年，Middleton等人提出光化学污染的植物病毒学模型，1951年，Haggen－Smit等人初次提出了洛杉矶烟雾形成的理论。中国于20世纪70年代末在兰州西固石油化工区首次发现光化学烟雾污染，随后对此开展大气物理和大气化学的综合研究。自1951年至今，人们对光化学污染的产生条件、反应机制、动力学模型、对生物毒性、监测和控制等方面都开展了大量的研究工作。

由于光化学烟雾是引起世界十大环境公害事件之一，世界各国非常重视，通过建立严格的监测-减排-核查-评估等管理机制和支撑技术体系，不断升级空气质量标准和污染排放标准，实施全过程的污染综合治理，实现了空气质量的持续改善。我国近年来大气污染管理体制和防治科技取得了长足进步，通过改善能源结构、加强对化工厂的废气排放管理、改进汽车燃油技术、降低汽车尾气（NOx，HC）的排放量等诸多措施防控光化学烟雾。

近年来，随着我国城市化进程的加快，城市机动车保有量也快速增长，汽车尾气污染问题也越来越突出，部分城市的大气污染也从煤烟型向光化学烟雾型转化，部分城市面临光化学烟雾的威胁。鉴于光化学烟雾的频繁发生及其造成的危害巨大，光化学烟雾污染至今仍是欧洲、美国和日本等国家的主要环境问题。鉴于我国面临的大气环境问题，党中央、国务院高度重视大气污染防治，国务院于2014年出台了《大气污染防治行动计划》，对大气污染防治工作进行全面部署，涉及加大综合治理力度、调整优化产业结构、严格节能环保准入等措施，特别强调了大气污染防治科技支撑的要求。因此，开展光化学反应的相关模拟研究，对降低和减少光化学反应的发生和由此所产生的大气环境污染问题，具有重要的理论和实际意义。

随着城市化、工业化、区域经济一体化进程的加快，多种大气污染问题在近些年集中出现。环境保护部公布的材料显示，当前我国以煤为主的能源结构未发生根本性变化，煤烟型污染作为主要污染类型长期存在，同时机动车保有量持续增加，尾气污染愈加严重，灰霾、光化学烟雾、酸雨等复合型大气污染物问题日益突出。开展大气中光化学反应的相关研究，了解典型污染物在大气中发生光化学反应的途径及转化机理，对解决当前的大气环境污染问题具有重要意义。从经济层面和市场需求方面，良好的城市大气环境建设有利于促进环境质量提升，发挥环境的外部效应，会带动城市相关产业的经济发展，市场前景广阔。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模拟大气中发生光化学反应的实验装置及其实验方法，本发明实现可控条件下模拟大气中的光化学反应，避免外界环境因素的干扰，有利于系统研究大气中发生光化学反应的过程及其主要影响因素，相关研究有利于预防和减少光化学的发生，从而为有效提高大气环境质量提供技术支持。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种模拟大气中发生光化学反应的实验装置，所述装置包括抽气口、真空表、观察窗、紫外灯、外接电源、采样口、截止阀、密封法兰、压力表、反应气体入口、背景气体入口；抽气口、真空表、反应气体入口、背景气体入口经不锈钢管与不锈钢箱体焊接连接；观察窗为高强度玻璃，通过密封胶条或密封胶密封；紫外灯经底座与不锈钢箱体连接；外接电源从箱体引出后通过密封胶进行密封；采样口通过中通的螺栓外加硅橡胶密封垫与箱体连接；截止阀通过焊接与不锈钢管连接后与箱体连接；密封法兰通过螺栓和硅橡胶密封圈与箱体连接；压力表通过三通阀与不锈钢管连接。

一种模拟大气中发生光化学反应的实验方法，所述方法包括以下过程：

首先利用真空泵抽出装置内的气体，然后通入背景气体进行吹扫，接着再次利用真空泵抽出装置内的气体，待进行几次循环后使装置内的气体浓度复合实验要求后通入反应气体，实验开始后保持装置内的气体压力略高于外部大气压，然后接通紫外灯电源进行光化学模拟反应，每隔一段时间进行取样分析，研究光化学反应的产物分布情况，并以此进一步推断光化学反应的历程及可能的反应机理；实验过程中始终保持整套实验装置处于良好的密封状态，外界条件的变化不会干扰光化学反应的进行，从而保障光化学反应的连续进行；

实验步骤如下：

1） 首先将整个系统密闭后，利用真空泵将装置内的绝大部分气体抽出后，关闭抽气口阀门，然后打开背景气体阀门，通入背景气体进行吹扫，待装置内的压力高于外部气压后关闭背景气体入口阀门；

2）再次利用真空泵将通入的背景气体抽出，然后再次通入背景气体进行吹扫，如此反复循环多次，待装置内的气体浓度复合后续实验要求后关闭背景气体入口阀门；

3）打开反应气体入口阀门，通入反应气体，待装置内的气体压力略高于外部大气压200-500 Pa后，关闭反应气体入口阀门；

4） 接通电源，开启装置内的紫外灯，开始模拟光化学，每隔一定时间开始采样，利用气相色谱、气质联用仪等仪器设备对样品进行测试，分析反应气体中特定物质的变化情况以及发生光化学反应后产物的生成情况，以此推断特定反应物发生光化学反应的历程及可能的反应机理。

本发明的优点与效果是：

本发明能够在可控条件下模拟大气中的光化学反应，相关研究有利于国内部分城市大气环境质量的提高。开展大气中光化学反应的相关研究，了解典型污染物在大气中发生光化学反应的途径及转化机理，对解决当前的大气环境污染问题具有重要意义。

附图说明

图1为本发明装置整体构成示意图。

图中部件：1. 抽气口；2. 真空表；3. 观察窗；4. 紫外灯；5. 外接电源；6. 采样口；7. 截止阀；8. 密封法兰；9. 压力表；10. 反应气体入；11. 背景气体入口。

具体实施方式

下面结合附图所示实施例对本发明进行详细说明。

如图所示，本发明抽气口1、真空表2、反应气体入口10、背景气体入口11均通过直径为6 mm的不锈钢管与不锈钢箱体通过焊接进行连接；观察窗3采用高强度玻璃通过密封胶条（或密封胶）进行密封；紫外灯4通过底座与不锈钢箱体进行连接；外接电源5从箱体引出后通过密封胶进行密封；采样口6通过中通的螺栓外加硅橡胶密封垫与箱体进行连接；截止阀7通过焊接与直径为6 mm的不锈钢管连接后与箱体进行连接；密封法兰8通过螺栓和硅橡胶密封圈与箱体进行连接；压力表9通过三通阀与6 mm的不锈钢管进行连接。

抽气口1用于抽出箱体内的气体，使箱体内达到一定的真空度要求；真空表2用于测试抽出气体后箱体内的真空度；观察窗3用于观察箱体内的情况及光化学反应过程中箱体内的变化情况；紫外灯4提供光化学反应过程中所需的紫外光源；外接电源5为箱体内的紫外灯提供外部220V的电源；采样口6用于箱体内气体样品的采集和测试；截止阀7通过打开和关闭来控制气体入口和气体出口的关闭和打开，进而控制箱体内气体变化情况；密封法兰8用于箱体内部件的更换和检修；压力表9用于控制箱体内的气体压力大小，使其满足实验要求；反应气体入口10用于同时通入不同的反应气体，避免实验过程中必须通过更换气瓶才能通入其它反应气体；背景气体入口11用于吹扫箱体内的气体，使其达到实验要求。

本发明实验装置反应装置密闭后，首先利用真空泵抽出装置内的气体，然后通入背景气体进行吹扫，接着再次利用真空泵抽出装置内的气体，待进行几次循环后使装置内的气体浓度复合实验要求后通入反应气体，实验开始后保持装置内的气体压力略高于外部大气压，然后接通紫外灯电源进行光化学模拟反应，每隔一段时间进行取样分析，研究光化学反应的产物分布情况，并以此进一步推断光化学反应的历程及可能的反应机理。实验过程中始终保持整套实验装置处于良好的密封状态，外界条件的变化不会干扰光化学反应的进行，从而保障光化学反应的连续进行。

其实验过程如下：

1） 首先将整个系统密闭后，利用真空泵将装置内的绝大部分气体抽出后，关闭抽气口阀门，然后打开背景气体阀门，通入背景气体进行吹扫，待装置内的压力高于外部气压后关闭背景气体入口阀门。

2）再次利用真空泵将通入的背景气体抽出，然后再次通入背景气体进行吹扫，如此反复循环多次，待装置内的气体浓度复合后续实验要求后关闭背景气体入口阀门。

3）打开反应气体入口阀门，通入反应气体，待装置内的气体压力略高于外部大气压200-500 Pa后，关闭反应气体入口阀门。

4） 接通电源，开启装置内的紫外灯，开始模拟光化学，每隔一定时间开始采样，利用气相色谱、气质联用仪等仪器设备对样品进行测试，分析反应气体中特定物质的变化情况以及发生光化学反应后产物的生成情况，以此推断特定反应物发生光化学反应的历程及可能的反应机理。

实施例：1

首先将整个系统密闭后，利用真空泵将装置内的绝大部分气体抽出后，通入背景气体进行吹扫，待装置内的压力高于外部气压后关闭背景气体入口阀门。随后再次利用真空泵将通入的背景气体抽出，然后再次通入背景气体进行吹扫，如此反复循环5次。打开反应气体入口阀门，通入反应气体，待装置内的气体压力高于外部大气压200 Pa后，关闭反应气体入口阀门。接通电源，开启装置内的紫外灯，开始模拟光化学，每隔1 h开始采样，利用气相色谱、气质联用仪等仪器设备对样品进行测试。

实施例：2

首先将整个系统密闭后，利用真空泵将装置内的绝大部分气体抽出后，通入背景气体进行吹扫，待装置内的压力高于外部气压后关闭背景气体入口阀门。随后再次利用真空泵将通入的背景气体抽出，然后再次通入背景气体进行吹扫，如此反复循环5次。打开反应气体入口阀门，通入反应气体，待装置内的气体压力高于外部大气压400 Pa后，关闭反应气体入口阀门。接通电源，开启装置内的紫外灯，开始模拟光化学，每隔1 h开始采样，利用气相色谱、气质联用仪等仪器设备对样品进行测试。

实施例：3

首先将整个系统密闭后，利用真空泵将装置内的绝大部分气体抽出后，通入背景气体进行吹扫，待装置内的压力高于外部气压后关闭背景气体入口阀门。随后再次利用真空泵将通入的背景气体抽出，然后再次通入背景气体进行吹扫，如此反复循环6次。打开反应气体入口阀门，通入反应气体，待装置内的气体压力高于外部大气压400 Pa后，关闭反应气体入口阀门。接通电源，开启装置内的紫外灯，开始模拟光化学，每隔2 h开始采样，利用气相色谱、气质联用仪等仪器设备对样品进行测试。

Claims (2)

1.一种模拟大气中发生光化学反应的实验装置，其特征在于，所述装置包括抽气口（1）、真空表（2）、观察窗（3）、紫外灯（4）、外接电源（5）、采样口（6）、截止阀（7）、密封法兰（8）、压力表（9）、反应气体入口（10）、背景气体入口（11）；抽气口（1）、真空表（2）、反应气体入口（10）、背景气体入口（11）经不锈钢管与不锈钢箱体焊接连接；观察窗（3）为高强度玻璃，通过密封胶条或密封胶密封；紫外灯（4）经底座与不锈钢箱体连接；外接电源（5）从箱体引出后通过密封胶进行密封；采样口（6）通过中通的螺栓外加硅橡胶密封垫与箱体连接；截止阀（7）通过焊接与不锈钢管连接后与箱体连接；密封法兰（8）通过螺栓和硅橡胶密封圈与箱体连接；压力表（9）通过三通阀与不锈钢管连接。

2.一种模拟大气中发生光化学反应的实验方法，其特征在于，所述方法包括以下过程：

首先利用真空泵抽出装置内的气体，然后通入背景气体进行吹扫，接着再次利用真空泵抽出装置内的气体，待进行几次循环后使装置内的气体浓度复合实验要求后通入反应气体，实验开始后保持装置内的气体压力略高于外部大气压，然后接通紫外灯电源进行光化学模拟反应，每隔一段时间进行取样分析，研究光化学反应的产物分布情况，并以此进一步推断光化学反应的历程及可能的反应机理；实验过程中始终保持整套实验装置处于良好的密封状态，外界条件的变化不会干扰光化学反应的进行，从而保障光化学反应的连续进行；

实验步骤如下：

1） 首先将整个系统密闭后，利用真空泵将装置内的绝大部分气体抽出后，关闭抽气口阀门，然后打开背景气体阀门，通入背景气体进行吹扫，待装置内的压力高于外部气压后关闭背景气体入口阀门；

2）再次利用真空泵将通入的背景气体抽出，然后再次通入背景气体进行吹扫，如此反复循环多次，待装置内的气体浓度复合后续实验要求后关闭背景气体入口阀门；

3）打开反应气体入口阀门，通入反应气体，待装置内的气体压力略高于外部大气压200-500 Pa后，关闭反应气体入口阀门；

4） 接通电源，开启装置内的紫外灯，开始模拟光化学，每隔一定时间开始采样，利用气相色谱、气质联用仪等仪器设备对样品进行测试，分析反应气体中特定物质的变化情况以及发生光化学反应后产物的生成情况，以此推断特定反应物发生光化学反应的历程及可能的反应机理。