CN110487885A - 一种高通量测量大气中氨的装置及方法 - Google Patents

一种高通量测量大气中氨的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种高通量测量大气中氨的离子迁移谱装置及方法。该离子迁移谱装置为半开放式设计，其采用圆周阵列设置的X‑ray灯和双平行金属栅网构成脉冲离子源区，采用高抽速风扇实现高通量采样，设置热脱附区实现离子脱水和去团簇化，采用Tyndall‑Powell型离子门实现离子的无歧视二维扫描。装置工作时，大气中的氨等被高抽速风扇持续送入离子源区进行电离，离子源区的脉冲电场按照特定频率将离子压缩并注入到热脱附区；离子在热脱附区实现第一维分离并被除水和去团簇化，然后被更高频率开启的TPG离子门送入离子迁移区内进行第二维分离、识别和定量测量。该系统单次分析时间小于100ms,响应频率10Hz以上。

Description

一种高通量测量大气中氨的装置及方法
技术领域
本发明涉及大气中氨的测量装置及方法，具体地说是一种高通量测量大气中氨的离子迁移谱装置及方法。该离子迁移谱装置为半开放式设计，其采用圆周阵列设置的X-ray灯和双平行金属栅网构成脉冲离子源区，采用高抽速风扇实现高通量采样，设置热脱附区实现离子脱水和去团簇化，采用Tyndall-Powell型离子门实现离子的无歧视二维扫描。装置工作时，大气中的氨等被高抽速风扇持续送入离子源区进行电离，离子源区的脉冲电场按照特定频率将离子压缩并注入到热脱附区；离子在热脱附区实现第一维分离并被除水和去团簇化，然后被更高频率开启的TPG离子门送入离子迁移区内进行第二维分离、识别和定量测量。该系统单次分析时间小于100ms,响应频率10Hz以上。
背景技术
NH3及有机胺作为大气环境中最重要的碱性气体，参与大气化学反应，加剧气溶胶的成核速率，严重影响我国空气质量。特别是有机胺，其碱性比NH3更强，不仅极易与大气中的酸性物质、O3、OH自由基和NO3自由基等反应，也极易与颗粒态铵盐发生反应生成更稳定的有机胺盐，显著减小成核能垒，加剧新粒子的成核和生长。最近的外场观测和量子化学计算结果都进一步证明了NH3及有机胺对灰霾天气的生成贡献巨大。另外，NH3及有机胺是具有恶臭气味的气体，刺激嗅觉器官，损害人们的身体健康和生活环境。我国国家标准《恶臭污染物排放标准GB14554-93》明文规定了8种限制排放的恶臭气体，NH3和三甲胺是其中的2种。因此，无论是从国家环境监管与治理的角度，还是从人体健康的角度，实时监控源排放NH3及有机胺的浓度水平势在必行。
在人类活动占主导地位的区域，大气环境中的NH3及有机胺主要来至于人为源，例如，畜牧养殖排放、工业生产排放、机动车排放和垃圾处理排放等。值得关注的是，畜牧源排放NH3约占人为总排放量的一半左右；同时，畜牧业也是大气环境中有机胺的主要来源。因此，畜牧业是NH3及有机胺排放最典型的人为来源，在监控源排放NH3及有机胺的研究中，畜牧业首当其冲。准确测量源排污染物的浓度水平是控制污染物排放的前提。然而，NH3及有机胺的源排放水平受时间、温度等因素影响，浓度随时间不断变化；排放到大气环境中的NH3及有机胺可发生多种反应，且转化速率较快，只有在线快速测量才能更准确的反映源排放的真实情况。因此，发展可靠的典型源排放NH3及有机胺在线快速测量方法具有广阔应用前景，对国家环境监管、大气污染控制对策研究意义重大。
在线快速测量典型源排放NH3及有机胺具有以下几点挑战：首先，NH3及有机胺的环境浓度较低，对在线快速测量方法的检测限要求较高。我国国家标准(GB14554-93)对污染源排放NH3和三甲胺的浓度上限分别为1-5mg/m3和0.05-0.45mg/m3，测量仪器的检测限至少比这一数值低2个数量级才合用。其次，NH3及有机胺在源排放中的浓度变化及环境中的转化较快，要求测量方法能够在线快速测量。再次，NH3及有机胺的极性较强，易于残留，造成测量的记忆效应较强，影响仪器的响应和恢复时间。此外，大范围推广应用的仪器还应具有体积小、成本低等特点。最后，NH3及有机胺的典型源，如畜牧源排放，大气化学背景相当复杂，干扰因素较多，要求测量方法具有较高的选择性和抗干扰能力。
目前，NH3及有机胺的测量技术可以分为两大类：离线分析方法和在线分析方法。NH3的离线分析技术主要为纳氏试剂光度法(GB/T 14668-1993)、扩散管法、离子色谱法等；有机胺的离线分析技术还包括气相色谱法、气相色谱与质谱联用、液相色谱法、液相色谱与质谱联用法等。这些分析方法一般都包含复杂的样品前处理过程：先通过固体或液体介质采集样品中的NH3及有机胺，再经过解析、萃取或衍生化等处理，然后注入仪器进行分析。这些离线分析方法操作复杂、需要大量的试剂，且无法实现在线连续测量，响应时间滞后。
NH3及有机胺的在线测量技术主要有传感器法、光谱法、质谱法、离子迁移谱法等。其中，离子迁移谱是根据大气压下离子迁移率的差异，通过均匀弱电场对样品离子进行分离和检测的技术。它具有检测速度快(单个检测周期＜20ms)、灵敏度高、易实现小型化、成本低等优点，特别适合发展大气中氨在线连续测量装备。近年来，高选择性化学掺杂光电离源、超高分辨、超高灵敏度离子迁移区技术的出现，使离子迁移谱技术在该领域具有更大的应用潜力。
发明内容
本发明的目的在于发展一种实现大气中氨的高通量准确测量的装置及方法，系统单次分析时间小于等于100ms,响应频率10Hz以上，为研究大气环境中氨的时空分布和动态变化提供技术支持。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种高通量测量大气中氨的离子迁移谱装置采用内部为中空腔体的离子迁移管，离子迁移管的从左至右依次为离子源区、热脱附区、离子迁移区，于热脱附区和离子迁移区之间设有离子门，于离子迁移管的右端设有离子检测极。
离子迁移谱装置为半开放式设计，即离子迁移管的右端密闭、左端开口；左开口端设有出风口面向离子源区的采样风扇，于离子源区的侧壁上设有离子源，离子源是采用沿同一圆周均布设置的X-ray灯构成；X-ray灯的出光口面向离子源区、位于离子源区的侧壁上。
于离子源区与采样风扇相邻一侧设置第一网状电极，第一网状电极上施加脉冲电压，该脉冲电压的频率定义为第一频率；离子源区与热脱附区相邻一侧设置第二网状电极，第二网状电极上施加恒定电压；第二网状电极上施加的恒定电压大于第一网状电极上施加脉冲电压的最小值，并且第二网状电极上施加的恒定电压小于第一网状电极上施加脉冲电压的最大值。
热脱附区内施加强度逐渐降低的非均匀直流电场；迁移区内施加强度均匀分布的直流电场；迁移区电场强度为热脱附区内电场强度最大值的5-20倍。
离子门采用TPG构型离子门，其开启的频率定义为第二频率，第二频率为第一频率的5-20倍。
于离子迁移管的右侧密闭端设有漂气入口，于靠近离子源区的热脱附区侧壁上设有2个以上、对称分布的出气口。
离子迁移管为圆筒状结构；其采用沿同一圆周设置的2-6个均匀分布的X-ray灯构成离子源。
所述离子迁移谱装置工作时，大气中的氨等被高抽速风扇持续送入离子源区进行电离，离子源区的脉冲电场按照第一频率将离子压缩并注入到热脱附区；离子在热脱附区内的实现空间浓缩和第一维分离，并被除水和去团簇化；按照第二频率开启的TPG离子门将离子门前的离子注入迁移区内，在其中均匀直流电场的驱动下先后到达离子检测极实现第二维分离和检测，并被转换成电流强度对时间的二维谱图信息输出。
在上述过程进行的同时，一路气体从迁移区上设置的进气口进入迁移区内部并沿着与离子飞行方向相反的方向流出迁移区，最终与热脱附区内的气体一起从热脱附区上设置的出气口流出离子迁移管。
所述的气体为包括O2、N2、CO2、H2、Ar等气体在内的任一气体或者二种以上气体混合物。
本发明的优点是
本发明利用圆周阵列设置的X-ray灯和双平行金属栅网构成的脉冲离子源区，实现大气中氨的高效电离和富集注入；利用Tyndall-Powell型离子门消除离子门进行离子注入时存在的迁移率歧视效应；利用在热脱附区和迁移区的电场的差异实现对目标离子的二维分离和检测，从而实现对大气中氨的准确识别和准确定量。
附图说明
图1、一种高通量测量大气中氨的离子迁移谱装置。其中：1——离子源区；2——热脱附区；3——Tyndall-Powell型离子门；4——迁移区；5——离子检测极；6——采样风扇；7——X-ray灯；8-1——第一网状电极；8-2——第二网状电极；9——出气口；10——漂气进气口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
高通量测量大气中氨的离子迁移谱装置采用内部为中空腔体的离子迁移管，离子迁移管为圆筒状结构，如图1中所示。离子迁移管的从左至右依次为离子源区1、热脱附区2、迁移区3；于热脱附区2和离子迁移区4之间设有开启频率为200Hz的Tyndall-Powell型离子门3；于离子迁移管的右端设有离子检测极5。
离子迁移谱装置为半开放式设计，即离子迁移管的右端密闭、左端开口；左开口端设有出风口面向离子源区1的采样风扇6，风扇抽速为1～2L/min；于离子源区的侧壁上设有离子源，离子源由沿同一圆周均布设置的2个X-ray灯7构成；X-ray灯7的出光口面向离子源区1、位于离子源区1的侧壁上。
于离子源区1与采样风扇6相邻一侧设置第一网状电极8-1，第一网状电极8-1上施加10Hz的脉冲电压；离子源区1与热脱附区2相邻一侧设置第二网状电极8-2，第二网状电极8-2上施加恒定电压；第二网状电极8-2上施加的恒定电压大于第一网状电极8-1上施加脉冲电压的最小值，并且第二网状电极8-2上施加的恒定电压小于第一网状电极8-1上施加脉冲电压的最大值。
热脱附区2和迁移区4的轴向长度相同；热脱附区2内施加强度逐渐降低的非均匀直流电场；迁移区4内施加强度均匀分布的直流电场；迁移区4电场强度为热脱附区2内电场强度最大值的20倍。
于离子迁移管的右侧密闭端设有漂气入口10，于靠近离子源区的热脱附区侧壁上设有2个对称分布的出气口9。
离子迁移谱装置工作时，大气中的氨等被高抽速风扇6持续送入离子源区1进行电离，离子源区1的脉冲电场按照10Hz将离子压缩并注入到热脱附区2；离子在热脱附区2内的实现空间浓缩和第一维分离，并被除水和去团簇化；按照200Hz开启的TPG离子门3将离子门前的离子注入迁移区内4，在其中均匀直流电场的驱动下先后到达离子检测极5实现第二维分离和检测，并被转换成电流强度对时间的二维谱图信息输出。
在上述过程进行的同时，一路漂气经过分子筛、硅胶、活性炭过滤过的空气从迁移区上设置的进气口10进入迁移区内部并沿着与离子飞行方向相反的方向流出迁移区4，最终与热脱附区2内的气体一起从热脱附区上设置的2个出气口9流出离子迁移管。

Claims (5)

1.一种高通量测量大气中氨的离子迁移谱装置，包括内部为中空腔体的离子迁移管，离子迁移管的从左至右依次为离子源区、热脱附区、离子迁移区；于热脱附区和离子迁移区之间设有离子门，于离子迁移管的右端设有离子检测极；其特征在于：
该离子迁移谱装置为半开放式设计，即离子迁移管的右端密闭、左端开口；左开口端设有出风口面向离子源区的采样风扇，于离子源区的侧壁上设有离子源，离子源是采用沿同一圆周均布设置的X-ray灯构成；X-ray灯的出光口面向离子源区、位于离子源区的侧壁上；
于离子源区与采样风扇相邻一侧设置第一网状电极，第一网状电极上施加脉冲电压，该脉冲电压的频率定义为第一频率；离子源区与热脱附区相邻一侧设置第二网状电极，第二网状电极上施加恒定电压；第二网状电极上施加的恒定电压大于第一网状电极上施加脉冲电压的最小值，并且第二网状电极上施加的恒定电压小于第一网状电极上施加脉冲电压的最大值；
热脱附区内施加强度逐渐降低的非均匀直流电场；迁移区内施加强度均匀分布的直流电场；迁移区电场强度为热脱附区内电场强度最大值的5-20倍；
离子门为TPG构型离子门，该离子门开启的频率定义为第二频率，第二频率为第一频率的5-20倍。
2.根据权利要求1所述的离子迁移谱装置，其特征在于：
于离子迁移管的右侧密闭端设有漂气入口，于靠近离子源区的热脱附区侧壁上设有2个以上、对称分布的出气口。
3.根据权利要求1所述的离子迁移谱装置，其特征在于：
离子迁移管为圆筒状结构；其采用沿同一圆周设置的2-6个均匀分布的X-ray灯构成离子源。
4.一种采用权利要求1-3任一所述离子迁移谱装置测量大气中氨的方法，其特征在于：
所述离子迁移谱装置工作时，大气中的氨等被高抽速风扇持续送入离子源区进行电离，离子源区的脉冲电场按照第一频率将离子压缩并注入到热脱附区；离子在热脱附区内的实现空间浓缩和第一维分离，并被除水和去团簇化；按照第二频率开启的TPG离子门将离子门前的离子注入迁移区内，在其中均匀直流电场的驱动下先后到达离子检测极实现第二维分离和检测，并被转换成电流强度对时间的二维谱图信息输出；
在上述过程进行的同时，另一路气体从迁移区上设置的进气口进入迁移区内部并沿着与离子飞行方向相反的方向流出迁移区，最终与热脱附区内的气体一起从热脱附区上设置的出气口流出离子迁移管。
5.根据权利要求4所述的离子迁移管，其特征在于：所述的气体为包括O2、N2、CO2、H2、Ar等气体在内的任一气体或者二种以上气体混合物。
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