CN111751437A - 一种基于质谱的并联式空气污染物检测装置及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及环境监测技术领域，尤其涉及一种基于质谱的并联式空气污染物检测装置及利用该装置检测空气污染物的方法。该装置包括质谱仪、空气分流装置、载气均衡装置以及若干气体交换装置。空气分流装置和载气均衡装置分别将检测空气与载气进行分流，进入各气体交换装置进行气体交换，提高气体交换效率。相较于单气体交换装置，大大节约设备空间，且不影响质谱检测的准确性，检测限低。
Description
技术领域
本发明涉及环境监测技术领域，尤其涉及一种基于质谱的并联式空气污染物检测装置及检测方法。
背景技术
环境中二氧化硫、二氧化氮、PM10、PM2.5、一氧化碳、臭氧以及气溶胶等成为大气中主要的几种污染物。目前通过质谱检测空气污染物浓度，前处理通常有两种情况。一是将相关气体样品进行前处理得到液体样，再将液体样通过蠕动泵进入质谱仪进行检测。这种前处理操作过程复杂，时间长，检测限高，不能实现直接对空气污染物进行实时检测。另外一种是通过对待检测空气进行气体交换，实现质谱直接对空气污染物的检测。专利CN108663429A公开了一种基于质谱的检测空气污染物的方法，将检测空气与载气在气体交换装置中进行气体交换，将带有颗粒物或气溶胶的空气进入质谱前，将其转换为氩气载带，实现了质谱对空气的直接进样测量，检测快速、准确、检测限低。在该专利中气体交换装置的气体交换效率直接影响着质谱能否实时检测，若气体交换效率较低，则不能完全实现实时在线检测。该气体交换装置的交换效率与内管材质、载气流速和压力、空气流速和压力以及气体交换装置的长度有直接关系。有些情况下，受质谱检测条件的限制，需要设置很长的气体交换装置进行气体交换，才能保证从气体交换装置流出的检测气体满足质谱气体检测的要求，长距离的气体交换装置空间占地大，气体交换效率低，极大的影响了质谱的实时在线检测。若多套设备同时进行检测，则会面临每一个气体交换装置的气体交换效率不一致的问题，影响质谱对空气污染物检测结果的准确性。
发明内容
有鉴于此，为了提高气体交换效率，减少装置占地空间，本发明提供一种基于质谱的并联式空气污染物检测装置及检测方法，将空气分流，并提供统一状态的载气，多个气体交换装置同时对待测空气进行气体交换，大大提高检测效率，且不影响质谱检测的准确性。
本发明的技术方案如下：
本发明提供一种基于质谱的并联式空气污染物检测装置，包括质谱仪、空气分流装置、载气均衡装置以及若干气体交换装置；
所述空气分流装置包括一进气主干以及与其连通的若干流出支路；所述载气均衡装置包括装置本体以及与所述装置本体相连通的进气通路和若干出气通路；
所述气体交换装置包括密闭的外管和贯穿于所述外管的内管，所述内管具有微孔膜结构，所述外管和内管均设置有两个开口端；所述内管的一开口端连通所述空气分流装置的流出支路，另一开口端连通所述质谱仪的进样口；所述外管的一开口端连通所述载气均衡装置的出气通路，另一开口端流出载气。
作为一种可实施的方式，所述空气分流装置的进气主干还连接有一空气泵。
作为一种可实施的方式，所述载气均衡装置上还设置有调节通路，所述调节通路与所述装置本体相连通，载气经所述调节通路流出，通过所述调节通路上设置的调节阀调节所述装置本体中载气的压力大小。
作为一种可实施的方式，所述进气通路、所述出气通路以及所述调节通路分别与所述装置本体固定封闭连接或一体连接。
作为一种可实施的方式，所述载气均衡装置的装置本体为对称结构，所述出气通路延载气进入方向在所述装置本体上均匀分布连通。
作为一种可实施的方式，所述载气均衡装置为不锈钢材质。
作为一种可实施的方式，所述空气分流装置为透明硬质材料。
作为一种可实施的方式，所述空气分流装置、所述载气均衡装置以及所述气体交换装置之间均以连接管相连接。
本发明还包括利用上述装置检测空气污染物的方法，将所述质谱仪的载气系统连接所述载气均衡装置的进气通路，开启载气系统，使所述载气经所述载气均衡装置分流，分别从各气体交换装置外管的一开口端进入，经另一开口端流出；待检空气经空气分流装置分流后分别进入各气体交换装置的内管，与所述外管中的载气进行交换后流出所述气体交换装置，经汇合后通过质谱仪的进样系统进入质谱仪进行检测。
作为一种可实施的方式，所述载气均衡装置中设置有调节通路，载气通过调节通路流出，调节所述调节通路上的调节阀，使进入各气体交换装置外管的载气压力和流速满足检测要求。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明通过设置多个并联的气体交换装置同时对空气中的颗粒物或气溶胶进行气体交换，使空气进入质谱前，将其转换为氩气载带，大大提高了空气交换效率以及质谱仪对污染物的检测效率，检测结果准确，测量下限低，灵敏度高。
相对于单独的气体交换装置，本发明能够实现多个气体交换装置同时进行气体交换，流出气体能够满足质谱检测的同时，还能大大缩短气体交换装置的长度，节约占地空间，使检测设备组装更为简单、方便。
本发明为了使各气体交换装置有相同的处理效率，交换后的流出气体状态一致，本发明的空气分流装置和载气均衡装置能够为气体交换装置提供一致的空气源和载气源，从而保证各气体交换装置的交换效率一致，减少了对质谱检测结果的影响，保证了质谱检测的准确性，具有很大的实用性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明空气污染物检测装置中空气流通管路的结构示意图；
图2是本发明气体交换装置的结构示意图；
图3、图4是本发明载气浓度均衡装置的结构示意图。
其中，1、空气泵，2、空气分流装置，3、气体交换装置，31、内管，32、外管，4、质谱仪，5、进样口，6、载气均衡装置，61、进气通路，62、出气通路，63、调节通路。
具体实施方式
本发明提供一种基于质谱的并联式空气污染物检测装置，包括质谱仪、空气分流装置、载气均衡装置以及若干气体交换装置。空气经分流后分别进入气体交换装置与载气进行气体交换，使空气中的颗粒物或气溶胶进入质谱仪前，将空气转换为氩气载带，实现空气的直接、在线、实时测量。
本发明对质谱仪没有特殊的限定，本领域中的常规质谱仪均能应用于本发明中，在本发明的保护范围之内，如PE、Thermo、agilent、岛津等生产的系列质谱仪。
本发明的空气分流装置包括一进气主干以及与其连通的若干流出支路，空气从所述进气主干进入，经流出支路分流流出，起到对检测空气进行分流的作用。本发明优选使用空气泵将待测空气泵入空气分流装置的进气主干。经流出支路流出的待检空气分别进入气体交换装置中进行气体交换，满足质谱检测的载气要求。本发明对空气分流装置的材质没有特殊限定，优选采用透明硬质材料。
分流的待检空气分别进入气体交换装置进行气体交换。本发明的气体交换装置包括密闭的外管和贯穿于所述外管的内管，所述内管具有微孔膜结构，所述外管和内管均设置有两个开口端，所述内管的一开口端连通所述空气分流装置的流出支路，另一开口端连通所述质谱仪的进样口；所述外管的一开口端连通所述载气均衡装置的出气通路，另一开口端流出载气。以此形成载气在外管之间流通，空气在气体交换装置的内管中流通，通过内管的微孔膜结构，实现空气与载气的交换，从而使进入质谱仪进样系统的待测气体为氩气载带，进而实现对空气中的污染物直接进行测量，实现了实时在线监测。本发明优选待测空气与载气在气体交换装置中以相反的方向流通，提高气体交换的效率。
本发明对气体交换装置的长度没有特殊限定，根据气体交换装置的并联数量和气体交换效率进行调整。本发明气体交换装置并联数量的可以根据检测要求进行设置，如2、3、4、5、6个气体交换装置并联进行气体交换。本发明多个气体交换装置并联设置，同时对待检空气进行气体交换，提高待检空气的气体交换效率。多个气体交换装置并联进行气体交换，相对于单独的气体交换装置而言，能够倍数缩短气体交换装置的长度，提高气体交换效率，节约检测空间，方便易行。
本发明对具有微孔膜结构的内管来源没有特殊限定，采用现有技术中已经存在的具有上述结构的材料作为内管均可。内管优选为陶瓷膜管或核孔膜管，以实现内外气体的交换。
本发明进入气体交换装置的载气为从载气均衡装置流出的均一载气，使流入气体交换装置的载气状态一致，有利于使各气体交换装置的气体交换效率均衡。而载气状态的改变极大情况下影响质谱检测空气污染物的结果，均一载气的设置使并联式的空气污染物检测方法准确性提高。
本发明的载气均衡装置包括装置本体以及与所述装置本体相连通的进气通路和若干出气通路，载气经进气通路进入所述装置本体，分别经出气通路均衡流出。本发明的装置本体有空腔结构，对装置本体形状没有特殊限制，优选为对称结构的装置本体，如圆柱体、正方体、长方体等。本发明优选出气通路在所述装置本体的对称面上均匀分布连通，例如，若装置本体为圆柱体，进气通路连通于装置本体的一顶端，出气通路均匀分布连通于所述装置本体的侧壁；若装置本体为正方体或长方体，进气通路连通于装置本体的一面，出气通路分别连通于所述装置本体上连接所述进气通路面的相邻面。载气进入装置本体，经各出气通路流出，流出的载气在压力流速等状态上保持一致。
本发明载气均衡装置上还设置有调节通路，所述调节通路与所述装置本体相连通，载气经所述调节通路流出，通过所述调节通路上设置的调节阀调节所述装置本体中载气的压力大小，以满足不同质谱载气要求。
本发明对载气均衡装置的材质没有特殊限定，优选为不锈钢材质。本发明进气通路、所述出气通路以及所述调节通路分别与所述装置本体固定封闭连接或一体连接。
本发明空气分流装置、载气均衡装置以及气体交换装置之间优选以连接管相连接，进一步优选为软管连接。连接管长度视设备位置情况进行设置，本发明对此不做限定。
本发明还提供一种利用上述装置检测空气污染物的方法，可以检测空气中的绝大多数的重金属元素，PM2.5，PM10，空气中的大分子元素，以及空气中放射性的气溶胶粒子如铀、钚等。具体检测步骤包括：将所述质谱仪的载气系统连接所述载气均衡装置的进气通路，开启载气系统，使所述载气经所述载气均衡装置分流，分别从各气体交换装置外管的一开口端进入，经另一开口端流出；待检空气经空气分流装置分流后分别进入各气体交换装置的内管，与所述外管中的载气进行交换后，流出所述气体交换装置，经汇合后通过质谱仪的进样系统进入质谱仪进行检测。根据检测空气中的不同成分及质谱仪对待测样品的测量要求，合理设置空气流速、载气流速以及并联气体交换装置的数量，以实现进入质谱仪进样系统的样品在质谱仪中能够准确检测。
本发明中，为了提高质谱检测的准确性以及检测的可实用性，优选载气均衡装置中还设置有调节通路，载气通过调节通路流出，调节所述调节通路上的调节阀，使进入各气体交换装置外管的载气压力和流速满足检测要求。本发明的载气均衡装置既满足了分流载气各状态的一致性，同时还具有调节功能，提高了检测设备的可实用性。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
如图1～3所示，一种基于质谱的并联式空气污染物检测装置，包括质谱仪(4)、空气分流装置(2)、载气均衡装置(6)以及6个气体交换装置(3)。空气分流装置(2)为硬质材质，包括一进气主干以及相连通的6条流出支路，进气主干通过软管与空气泵(1)相连接。载气均衡装置(6)为不锈钢材质，包括一中空的圆柱形装置本体，以及与装置本体一体连接的进气通路(61)、调节通路(63)和6条出气通路(62)，进气通路(61)设置于圆柱形的一顶面，载气源通过软管与进气通路(61)的A’端相连通，出气通路(62)均匀分布于圆柱侧壁的同一平面(图3中为垂直平面)。调节通路(63)设置于圆柱侧壁，通过调节调节通路(63)上的调节阀调节载气均衡装置(6)中载气的压力大小。调节通路(63)通过软管与载体回收装置相连通。气体交换装置(3)包括密闭的外管(32)和贯穿于所述外管(32)的内管(31)，内管(31)具有微孔膜结构，外管(32)和内管(31)均设置有两个开口端。其中各外管(32)的A端均通过软管连接至载气回收装置，B端与载气均衡装置(6)出气通路(62)的B’端通过软管相连通；各内管(31)的C端分别通过软管连接空气分流装置(2)的各流出支路，各D端通过连接管汇总连通进入质谱仪(4)的进样口(5)。
设置气体交换装置长度为1m时，调节参数，从各气体交换装置中流出的气体交换可以达到99.999％，各气体交换装置的气体交换效率相当，质谱检测结果不受并联设置的气体交换装置影响。而相同条件下，设置一个气体交换装置则需6m的长度，占空间比较大，效率低。
实施例2
与实施例1不同的是，载气均衡装置(6)的装置本体为中空的长方体，进气通路(61)设置于长方体的一面，出气通路(62)为4个，分别设置于进气通路(61)一面的相邻面，调节通路(63)与装置本体的任意一面相连通(见图3)。对应设置4个气体交换装置(3)，以及含有4个流出支路的空气分流装置(2)，分别用软管将上述装置连接。
设置气体交换装置长度为1m时，调节参数，从各气体交换装置中流出的气体交换可以达到99.999％，各气体交换装置的气体交换效率相当，质谱检测结果不受并联设置的气体交换装置影响。而相同条件下，设置一个气体交换装置则需4m的长度，占空间比较大，效率低。
实施例3
利用本发明实施例1或实施例2的装置检测空气中的重金属过程如下：将整套系统安装于移动平台上，将移动平台运至马路边，开启载气源、空气泵、质谱仪等仪器。氩气经载体均衡装置分别进入各气体交换装置的外管，使外管中保持流通的氩气。待检空气泵入空气分流装置进入各气体交换装置的内管，与外管中的氩气进行气体交换。由于内管为微孔膜结构，空气中的N、O能够自由透过内管，但对空气中的污染物浓度影响不大。交换后的气体符合质谱要求后，经气体交换装置的D端流出汇合，进入质谱仪的进样系统进行检测。质谱仪对氩气载带进入的重金属污染物进行测量，在毫秒左右的分析时间内可以获得分析结果。
经测量，本发明从各气体交换装置中流出的气体状态一致，各气体交换装置的气体交换效率均衡，并联式的检测方式不影响质谱检测结果的准确性，且检测下限低，分析快速，具有更高的实用性。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于质谱的并联式空气污染物检测装置，其特征在于，包括质谱仪、空气分流装置、载气均衡装置以及若干气体交换装置；
所述空气分流装置包括一进气主干以及与其连通的若干流出支路；所述载气均衡装置包括装置本体以及与所述装置本体相连通的进气通路和若干出气通路；
所述气体交换装置包括密闭的外管和贯穿于所述外管的内管，所述内管具有微孔膜结构，所述外管和内管均设置有两个开口端；所述内管的一开口端连通所述空气分流装置的流出支路，另一开口端连通所述质谱仪的进样口；所述外管的一开口端连通所述载气均衡装置的出气通路，另一开口端流出载气。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述空气分流装置的进气主干还连接有一空气泵。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述载气均衡装置上还设置有调节通路，所述调节通路与所述装置本体相连通，载气经所述调节通路流出，通过所述调节通路上设置的调节阀调节所述装置本体中载气的压力大小。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述进气通路、所述出气通路以及所述调节通路分别与所述装置本体固定封闭连接或一体连接。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述载气均衡装置的装置本体为对称结构，所述出气通路在所述装置本体上均匀分布连通。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述载气均衡装置为不锈钢材质。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述空气分流装置为透明硬质材料。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述空气分流装置、所述载气均衡装置以及所述气体交换装置之间均以连接管相连接。
9.一种利用权利要求1～8任意一项所述装置检测空气污染物的方法，其特征在于，将所述质谱仪的载气系统连接所述载气均衡装置的进气通路，开启载气系统，使所述载气经所述载气均衡装置分流，分别从各气体交换装置外管的一开口端进入，经另一开口端流出；待检空气经空气分流装置分流后分别进入各气体交换装置的内管，与所述外管中的载气进行交换后流出所述气体交换装置，经汇合后通过质谱仪的进样系统进入质谱仪进行检测。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述载气均衡装置中设置有调节通路，载气通过调节通路流出，调节所述调节通路上的调节阀，使进入各气体交换装置外管的载气压力和流速满足检测要求。
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|---|---|---|---|
| CN201910241774.6A Pending CN111751437A (zh) | 2019-03-28 | 2019-03-28 | 一种基于质谱的并联式空气污染物检测装置及检测方法 |
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|---|---|
| CN (1) | CN111751437A (zh) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH11201945A (ja) * | 1998-01-09 | 1999-07-30 | Jeol Ltd | レーザーアブレーション装置 |
| CN103487494A (zh) * | 2013-09-11 | 2014-01-01 | 西北核技术研究所 | 一种环境气溶胶直接取样富集进样装置及定量分析方法 |
| CN205119886U (zh) * | 2015-11-11 | 2016-03-30 | 雅安市名山区永祥茶机制造有限公司 | 一种节能换热器 |
| CN106198707A (zh) * | 2016-07-08 | 2016-12-07 | 清华大学深圳研究生院 | 一种质谱进样装置和质谱检测设备 |
| CN108663429A (zh) * | 2017-04-01 | 2018-10-16 | 广州兰泰胜辐射防护科技有限公司 | 一种基于质谱的空气污染物检测装置及检测方法 |
| CN209727842U (zh) * | 2019-03-28 | 2019-12-03 | 广州兰泰胜辐射防护科技有限公司 | 一种基于质谱的并联式空气污染物检测装置 |
-
2019
- 2019-03-28 CN CN201910241774.6A patent/CN111751437A/zh active Pending
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH11201945A (ja) * | 1998-01-09 | 1999-07-30 | Jeol Ltd | レーザーアブレーション装置 |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| KOHEI NISHIGUCHI ET AL.: ""Real-time multielement monitoring of airborne particulate matter using ICP-MS instrument equipped with gas converter apparatus"", JOURNAL OF ANALYTICAL ATOMIC SPECTROMETRY, vol. 23, no. 8, 31 July 2008 (2008-07-31), pages 1125 - 1129, XP002684129, DOI: 10.1039/B802302F * |
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