CN111751483A - 一种基于多波长光源的有机碳-元素碳浓度的监测设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多波长光源的有机碳‑元素碳浓度的监测设备，包括多波长光源、反射光检测器、透射光检测器、解析炉和催化炉；解析炉和催化炉连通，多波长光源发出的激光通过光纤束导入解析炉内，反射光检测器和透射光检测器分别安装在解析炉的两端；解析炉的内部固定有石英滤膜，解析炉的侧壁位于石英滤膜的两侧分别设有进气口和采样泵连接口，解析炉通过采样泵连接口连接有采样泵；催化炉的出口连接有检测器。本发明提供的监测设备，利用光纤束能够将多个波长的光均引入解析炉中，通过多波长光源，在实现元素碳和有机碳分割的同时，能够提供颗粒物中棕碳的信息，而且多波长光源的应用，能够提供更多的关于能见度信息。
Description
技术领域
本发明属于环境监测仪器技术领域，具体涉及一种基于多波长光源的有机碳-元素碳浓度的监测设备。
背景技术
大气气溶胶是悬浮在大气中的固态和液体颗粒物的总称，大气气溶胶中的碳质组分通常占大气细粒子质量浓度的10-70％，是大气细粒子的重要组分。有机碳(OC)、元素碳(EC)或黑炭(BC)是大气气溶胶的重要组成。因大气气溶胶中的碳质组分破坏地球辐射平衡、影响全球气候、降低城市能见度、危害人类健康，是大气气溶胶领域的重点研究内容，已成为当今环境监测领域的热点。
有机碳和元素碳的分析技术有热学法、光学法和热光法。热学分析法是根据有机碳、元素碳的挥发及消解温度特性的不同，通过控制升温曲线使两者依次逐步挥发或消解，再对消解产物进行检测。热学法设备简单，容易操作，但是热学分析法无法解决有机碳和元素碳的分割问题，给测量带来的不准确性。光学法主要用于元素碳的测定，难以测定有机碳。热光法在热学法的基础上增加光学的校准，利用有机碳和元素碳光学吸收系数的差异，能够对有机碳在加热中炭化成元素碳部分进行有效的校准，传统的方法是使用635nm波长的光源来确定OC/EC的分割点，进而计算出颗粒物中的OC和EC的含量。一般方法是通过PM2.5切割头实现大气颗粒物粒径的筛选，将PM2.5颗粒物采集到石英滤膜上，承载试样的石英滤膜先后在He气和He/O2气体的环境下依次按照设定温度梯度升温，完成试样的分解，通过NDIR传感器或者FID传感器尽心定量分析。高温下有机碳在He气中分解的称之为有机碳(OC)，在He/O2气中氧化分解的是元素碳(EC)。在整个过程中通过一束波长为635nm波长的激光束来确定EC和OC的分割点。在前述试样消解过程中，可同时测定激光入射光强，石英滤膜透射光和反射光的光强。在试样消解过程中，随着部分有机碳的碳化，反射光和透射光会逐步变弱，在有氧环境下随着裂解碳的逐步氧化，反射光和透射光逐步恢复到原来光强的时刻，则作为有机碳和元素碳的分割点，即此刻之前石英滤膜上逸出的碳被认为是有机碳，之后的碳被认为是元素碳。传统的方法是使用635nm波长的光源来确定OC/EC的分割点，进而计算出颗粒物中的OC和EC的含量。它基于以下两个假设第一，由OC碳化生成的元素碳(PEC)先于颗粒物中原有的EC(Native EC，NEC)氧化分解；第二，PEC在分析过程中的吸光系数始终等同于NEC。然而研究表明，PEC的吸光系数在分析过程中会发生一定的变化，且在大多数情况下和NEC的吸光系数并不相等；有氧加热时，PEC和NEC的氧化分解过程并非各自独立，而是交错进行的。因此，热分解-光学校正法仍具有一定误差.尽管如此，其对OC碳化做了较好的修正，目前应用最为广泛方法。
由于燃烧生成的气体产物的光学衰减系数是波长的函数，所以不同的波长会对测量的结果产生影响。近来的研究表明，黑炭(BC)和棕碳(BrC)是大气中的重要的光吸收物质；而且黑炭的吸收波长从红外到近紫外波段；而棕碳在长波吸收的少，在短波段吸收的多，因此显现出棕色，棕色碳一般是由有机碳组成。如何克服现有技术中单一光源监测的不足，提供一种能够获取更多大气气溶胶中能见度、黑炭、棕碳等信息的设备是亟待解决的技术难题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于多波长光源的有机碳-元素碳浓度的监测设备。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于多波长光源的有机碳-元素碳浓度的监测设备，包括多波长光源、反射光检测器、透射光检测器、解析炉和催化炉；所述解析炉和催化炉连通，所述多波长光源发出的激光通过光纤束导入解析炉内，所述反射光检测器和透射光检测器分别安装在解析炉的两端；所述解析炉的内部沿其径向方向固定有石英滤膜，所述解析炉的侧壁位于石英滤膜的两侧分别设有进气口和采样泵连接口，所述解析炉通过采样泵连接口连接有采样泵；所述催化炉的出口连接有检测器。
作为优选的技术方案，所述多波长光源包括不同波长的七个半导体激光器，分别为第一半导体激光器、第二半导体激光器、第三半导体激光器、第四半导体激光器、第五半导体激光器、第六半导体激光器、第七半导体激光器。进一步优选的，所述第一半导体激光器、第二半导体激光器、第三半导体激光器、第四半导体激光器、第五半导体激光器、第六半导体激光器、第七半导体激光器的波长分别为405nm、450nm、635nm、780nm、808nm、980nm，上述不同坡长是根据常用的二极管激光机波长进行确定的。
作为优选的技术方案，所述多波长光源通过脉冲驱动，脉冲频率为30Hz～45Hz。每个激光器依次工作，激光轮转周期需要确保每个激光器工作时间内包含2个脉冲周期。这样能够保证在每秒的时间内完成两个激光轮转周期，每个波长四个脉冲的要求。
作为优选的技术方案，所述催化炉内放置有MnO2催化剂，所述检测器为非分散红外(NDIR)CO2检测器。
上述反射光检测器、透射光检测器、光纤束、非分散红外CO2检测器、解析炉、催化炉等均为市购产品。本领域的技术人员可根据试验环境选择适当型号的产品，其具体的工作原理在此不作累述。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供的基于多波长光源的有机碳-元素碳浓度的监测设备，利用光纤束能够将多个波长的光均引入解析炉中，通过引入多波长光源，在实现元素碳和有机碳分割的同时，还能够提供颗粒物中棕碳的信息。而且多波长光源的应用，能够提供更多的关于能见度信息。另外对不同波长差异产生的原因的深入研究，对于揭开污染物来源等科学问题提供支撑。
附图说明
图1为本发明提供的检测设备的结构示意图；
图2为激光控制信号图；
附图标记：1-多波长光源，101-第一半导体激光器，102-第二半导体激光器，103-第三半导体激光器，106-第六半导体激光器，107-第七半导体激光器，2-反射光检测器，3-透射光检测器，4-解析炉，5-催化炉，6-光纤束，7-石英滤膜，8-进气口，9-采样泵连接口，10-采样泵，11-检测器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作更进一步的说明。显然，所描述的实施例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作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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”不代表具体的数量及顺序，仅仅是用于名称的区分。
如图1所示，一种基于多波长光源的有机碳-元素碳浓度的监测设备，包括多波长光源1、反射光检测器2、透射光检测器3、解析炉4和催化炉5；所述解析炉4和催化炉5连通；所述多波长光源1发出的激光通过光纤束6导入解析炉4内，所述反射光检测器2和透射光检测器3分别安装在解析炉4的两端；所述解析炉4的内部沿其径向方向固定有石英滤膜7，所述解析炉4的侧壁位于石英滤膜7的两侧分别设有进气口8和采样泵连接口9，所述解析炉4通过采样泵连接口9连接有采样泵10；所述催化炉5的出口连接有检测器11。所述催化炉内放置有MnO2催化剂，所述检测器为非分散红外(NDIR)CO2检测器。
作为一个实施方式，所述多波长光源1包括不同波长的七个半导体激光器，分别为第一半导体激光器101、第二半导体激光器102、第三半导体激光器103···第六半导体激光器106、第七半导体激光器107。七个半导体激光器的波长分别为405nm、450nm、635nm、780nm、808nm、980nm。所述多波长光源通过脉冲驱动，脉冲频率为30Hz～45Hz，激光控制信号如图2所示，激光轮转周期需要确保每个激光器工作时间内包含2个脉冲周期。这样能够保证在每秒的时间内完成两个激光轮转周期，每个波长四个脉冲的要求。
本发明提供的监测设备的使用方法为：首先打开进气口8将解析炉与待测空气试样连通，然后启动采样泵10将待测空气试样中的碳质组分采集到石英滤膜7上，承载颗粒物的石英滤膜7先后在He气环境和He/O2气体环境下依次按照设定温度梯度升温，高温下有机碳在He气环境下部分气化，部分碳化称为裂解碳，元素碳和之前生成的裂解碳在He/O2环境下氧化成气体；上述过程生成的气体依次通过催化炉8，在二氧化锰催化氧化下变为二氧化碳，通过检测器21测定浓度。在整个检测过程中，反射光检测器2和透射光检测器3同时测定石英滤膜反射光和透射光的光强，随着部分有机碳的碳化，反射光和透射光会逐步变弱，在有氧环境下随着裂解碳的逐步氧化，反射光和透射光逐步恢复到原来的光强的时刻，被认为是有机碳和元素碳的分割点，即此刻之前石英滤膜上逸出的碳被认为是有机碳，之后的碳被认为是元素碳。
本专利的一个创新点在于利用光纤束能够将多个波长的光均引入解析炉中，根据传统已经成熟的635nm的激光波长确定切割点，可以确定空气中有机碳和元素碳的含量。而且可以在有机碳OC分解完成后，元素碳EC分解的过程中研究元素碳对不同波长的响应差别，可以获得更多的元素碳EC的不同光学特性。
本专利的另外一个创新点是：能够实现元素碳和棕碳的定量分析。分析过程如下：激光透过石英沉积膜上的衰减可以通过比尔朗伯定律表示为
下标FTλ,i,FTλ,f分别表示石英滤膜在碳质元素热分解前后的激光透射率；假设所有的碳质元素都被热分解掉，FTλ,f则为空白石英滤膜的光学透过率，那么衰减系数可以表示为
其中A是滤膜沉积颗粒物的面积，V是采样空气样品的体积；bATN下标是为了和本质的气溶胶光学吸收系数bABS相区别。
而根据相关研究结果bATN和波长关系可以表示为，
AAE称之为吸收Angstrom指数，对于黑炭BC而言值接近1，对于棕碳BrC而言其值一般再1到15之间。考虑到不同波段的吸收，这样位于紫外波段和可见光的两个波长可以确定AAE。
根据两组分的模型可以得到，
假设
等于1，那么(4)式简化为：
那么通过最小二乘法拟合，就可以获得qBC、qBrC，实现定量分析。
Claims (5)
1.一种基于多波长光源的有机碳-元素碳浓度的监测设备，其特征在于：包括多波长光源、反射光检测器、透射光检测器、解析炉和催化炉；所述解析炉和催化炉连通，所述多波长光源发出的激光通过光纤束导入解析炉内，所述反射光检测器和透射光检测器分别安装在解析炉的两端；所述解析炉的内部沿其径向方向固定有石英滤膜，所述解析炉的侧壁位于石英滤膜的两侧分别设有进气口和采样泵连接口，所述解析炉通过采样泵连接口连接有采样泵；所述催化炉的出口连接有检测器。
2.根据权利要求1所述的基于多波长光源的有机碳-元素碳浓度的监测设备，其特征在于：所述多波长光源包括不同波长的七个半导体激光器，分别为第一半导体激光器、第二半导体激光器、第三半导体激光器、第四半导体激光器、第五半导体激光器、第六半导体激光器、第七半导体激光器。
3.根据权利要求2所述的基于多波长光源的有机碳-元素碳浓度的监测设备，其特征在于：所述第一半导体激光器、第二半导体激光器、第三半导体激光器、第四半导体激光器、第五半导体激光器、第六半导体激光器、第七半导体激光器的波长分别为405nm、450nm、635nm、780nm、808nm、980nm。
4.根据权利要求1-3任一项所述的基于多波长光源的有机碳-元素碳浓度的监测设备，其特征在于：所述多波长光源通过脉冲驱动，脉冲频率为30Hz～45Hz。
5.根据权利要求1-3任一项所述的基于多波长光源的有机碳-元素碳浓度的监测设备，其特征在于：所述催化炉内放置有MnO2催化剂，所述检测器为非分散红外CO2检测器。
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