CN112250055A

CN112250055A - 一种黑碳分离装置和分离方法

Info

Publication number: CN112250055A
Application number: CN202011018565.4A
Authority: CN
Inventors: 张向云; 李军; 张干
Original assignee: Guangzhou Institute of Geochemistry of CAS
Current assignee: Guangzhou Institute of Geochemistry of CAS
Priority date: 2020-09-24
Filing date: 2020-09-24
Publication date: 2021-01-22

Abstract

本发明公开了一种黑碳分离装置和分离方法。包括第一储气瓶、第二储气瓶、石英炉、石英样品管和温控仪，所述的石英炉包括壳体和壳体中的石英加热管，在石英加热管上覆盖有加热丝，在石英加热管右端的设有出气口，该出气口与设在壳体上的出气管相连，在石英加热管的左端设有供石英样品管插入的入口，入口端与石英样品管固定连接，石英样品管与左端的壳体形成气体进入腔室，所述的气体进入腔室通过管道穿过壳体分别与第一储气瓶、第二储气瓶相连，在石英样品管的左侧壳体上设有盖子，所述的温控仪的传感器设于石英加热管上，加热丝与温控仪相连，所述的石英样品管的两端具有孔。本发明能高效分离黑炭，从而为实施减排策略的制定提高参考依据。

Description

一种黑碳分离装置和分离方法

技术领域：

本发明属于地球化学领域，具体涉及一种黑碳分离装置和分离方法。

背景技术：

碳质气溶胶(carbonaceous aerosols，CAs))的黑碳(BC)或称为元素碳(EC)主要来自化石燃料或生物质的不完全燃烧，是大气气溶胶的主要成分，占大气气溶胶的20％-80％。黑碳(BC)可导致显著的环境、气候和健康效应，是当前环境领域的研究热点(Fuzziet al.,2006；Schwarz et al.,2015；Szidat,2009；Szidat et al.,2004b；Szidat etal.,2009)。大气一次污染源包括自然源和人为源，自然源包括地面扬尘、火山爆发、森林火灾燃烧物等，人为源包括流动源和固定源，流动源主要是交通源，固定源包括家庭燃烧(煤、油等)、垃圾焚烧和工业活动(金属冶炼、铸造、石油精炼、炼焦厂等)及其他(木炭烧烤、烹饪)。一般来说，二次有机气溶胶相对容易与BC分开，例如用水或有机溶剂萃取；在一次排放燃烧产物中较难从BC中除去不溶性有机碳。详细研究BC的来源对于实施减排策略的制定等都有具有重要意义。

碳同位素(¹⁴C)分析是揭示BC化石和非化石来源的有力工具(Currie,2000；Szidat,2009；Szidat et al.,2009)(Gustafsson et al.,2009；Kirillova et al.,2013；Liu et al.,2013a；Zencak et al.,2007a；Zhang et al.,2019)。但是，在碳质气溶胶中有机碳(OC)和黑碳(BC)之间没有明显的分界线，BC的定义和量化取决于所采用的技术方法(Elmquist et al.,2006)。目前，最常用的分离和量化OC/EC的方法是热光法。这种方法分两个阶段，第一阶段在无氧的氦气中加热，气溶胶样品中的一部分OC(例如蔗糖)将会焦化为热解碳(PyC)；第二阶段在He/O₂混合气下加热，期间通过可见激光的透射率/反射率监测热解碳的形成，并且在激光信号返回其初始水平(OCEC分割线)之前释放出的碳被定义为OC部分，而这条线后释放的碳被认为是EC部分(Birch and Cary,1996；Chow et al.,1993)。研究报道中，在不同研究组之间所采用不同的热光法温度协议以及复杂的样品基质，因此在实验结果比较中存在较大差异的问题(Cavalli et al.,2010；Chow et al.,2007)。最近国际比对实验表明，OC和BC的量化结果取决于所应用方法，但目前科学界尚未就达成一个国际一致的参考方法(Chiappini et al.,2014；Chow et al.,2001；Panteliadis et al.,2015)。因此，碳同位素(¹⁴C)技术应用的一大挑战是解决用于碳同位素分析的BC分离方法问题。

发明内容：

本发明的第一个目的是提供一种能够分离出黑炭的黑碳分离装置。

本发明的黑碳分离装置，包括第一储气瓶、第二储气瓶、石英炉、石英样品管和温控仪，所述的石英炉包括壳体和壳体中的石英加热管，在石英加热管上覆盖有加热丝，在石英加热管右端的设有出气口，该出气口与设在壳体上的出气管相连，在石英加热管的左端设有供石英样品管插入的入口，入口端与石英样品管固定连接，石英样品管与左端的壳体形成气体进入腔室，所述的气体进入腔室通过管道穿过壳体分别与第一储气瓶、第二储气瓶相连，在石英样品管的左侧壳体上设有盖子，所述的温控仪的传感器设于石英加热管上，加热丝与温控仪相连，所述的石英样品管的两端具有孔。

优选，所述的入口端设有石英样品管安放槽，所述的石英样品管的左端放于石英样品管安放槽中，右端插入到石英加热管中。这样可以实现石英样品管的自由分离，可以取出装样，然后再放入石英加热管中。

进一步优选，所述的石英样品管的左端开孔上覆盖有石英滤膜。

进一步优选，所述的石英样品管的左端外周设有能卡紧于石英样品管安放槽的卡片。所述的卡片可以为圆环。

本发明的第二个目的是提供一种黑炭分离方法，包括以下步骤：

a、将样品放入石英样品管内，用盐酸淋洗，除去水溶性有机气溶胶以及无机碳酸盐；

b、然后将石英样品管和其内的样品烘干干燥，去除水分和盐酸；

c、将烘干后的样品和石英样品管插入石英加热管的入口，关上盖子密闭，然后打开贮存有含体积分数10％氧气的氦气的第一储气瓶，气体就通过管道进入石英样品管中，再进入石英加热管中，再通过出气口排出，设置温控仪升温程序，石英加热管升到200℃保持120秒；然后升到300℃保持150秒；然后升到475℃保持180秒；

d、然后关闭第一储气瓶，打开贮存有氦气的第二储气瓶，气体就通过管道进入石英样品管中，再进入石英加热管中，再通过出气口排出，设置温控仪升温程序，石英加热管升到650℃保持180秒；然后降到500℃保持60秒；

d、冷却至室温后，将样品和石英样品管取出，取出分离到的黑碳

黑炭可以制成石墨靶，进行¹⁴C测定。

优选，所述的将样品放入石英样品管内，用盐酸淋洗是用1mol/L盐酸淋洗样品3-5次。

优选，所述的将石英样品管和其内的样品烘干干燥是置于60℃下进行干燥。

利用本发明的装置，按照本发明的分离方法能够高效的分离出黑炭(BC)，从而为实施减排策略的制定提高参考依据。

附图说明：

图1是黑碳分离装置的结构示意图；

图2是石英样品管的结构示意图；

其中1、第一储气瓶；2、第二储气瓶；3、石英炉；4、石英样品管；5、温控仪；6、壳体；7、石英加热管；8、加热丝；9、出气口；10、出气管；11、石英样品管安放槽；12、盖子；13、石英滤膜；14、圆环卡片；15、样品；16、气体进入腔室。

具体实施方式：

以下实施例是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。

实施例1：

本实施例的黑碳分离装置，包括第一储气瓶1、第二储气瓶2、石英炉3、石英样品管4和温控仪5，所述的石英炉包括壳体6和壳体中的石英加热管7，在石英加热管上覆盖有加热丝8，在石英加热管右端的设有出气口9，该出气口与设在壳体上的出气管10相连，在石英加热管的左端设有供石英样品管插入的入口，入口端设有石英样品管安放槽11，所述的石英样品管的左端环片能卡紧于石英样品管安放槽11中，右端插入到石英加热管中。石英样品管与左侧的壳体形成气体进入腔室，所述的气体进入腔室16通过管道穿过壳体分别与第一储气瓶1、第二储气瓶2相连，在石英样品管的左侧壳体上设有盖子12，所述的温控仪5的传感器设于石英加热管上，加热丝与温控仪电相连，所述的石英样品管的两端开孔。连接第一储气瓶1和第二储气瓶2的管道上设有阀门。

所述的石英样品管的左端开孔上覆盖有石英滤膜13。所述的石英样品管的左端外周设有能卡紧于石英样品管安放槽的圆环卡片14。

本实施例的黑炭分离方法为：

1、将采集到样品，放入的石英样品管内。用1mol/L盐酸淋洗样品3-5次，可以除去水溶性有机气溶胶以及无机碳酸盐。

2、将用1mol/L盐酸淋洗后的样品和石英样品管，60℃烘箱干燥，除去水分和盐酸。

3、将烘干后的样品15和石英样品管插入石英加热管的入口，关上盖子密闭，然后打开贮存有含体积分数10％氧气的氦气的第一储气瓶，气体就通过管道进入石英样品管中，再进入石英加热管中，再通过出气口排出，设置温控仪升温程序，石英加热管升到200℃保持120秒；然后升到300℃保持150秒；然后升到475℃保持180秒；

4、然后关闭第一储气瓶，打开贮存有氦气的第二储气瓶，气体就通过管道进入石英样品管中，再进入石英加热管中，再通过出气口排出，设置温控仪升温程序，石英加热管升到650℃保持180秒；然后降到500℃保持60秒；

5、冷却至室温后，将样品和石英样品管取出石英加热炉，取出分离到的黑碳制成石墨靶，进行¹⁴C测定，样例结果见表1。

样品1和2分别为已知BC现代碳比例为0.20和0.25的样品。通过用本发明的分离方法分离的黑碳测定¹⁴C结果可以看到与已知值非常接近。

表1.样品1和2分离到的BC ¹⁴C结果

Samplename	BC/TC(％)	FractionofModern	Δ<sup>14</sup>C(‰)	<sup>14</sup>CAge(BP)
					样品1	8.08	0.2014±0.0064	-798.6±6.40	12870±260
样品2	9.34	0.2643±0.0061	-735.7±6.1	10690±190

Claims

1.一种黑碳分离装置，其特征在于，包括第一储气瓶、第二储气瓶、石英炉、石英样品管和温控仪，所述的石英炉包括壳体和壳体中的石英加热管，在石英加热管上覆盖有加热丝，在石英加热管右端的设有出气口，该出气口与设在壳体上的出气管相连，在石英加热管的左端设有供石英样品管插入的入口，入口端与石英样品管固定连接，石英样品管与左端的壳体形成气体进入腔室，所述的气体进入腔室通过管道穿过壳体分别与第一储气瓶、第二储气瓶相连，在石英样品管的左侧壳体上设有盖子，所述的温控仪的传感器设于石英加热管上，加热丝与温控仪相连，所述的石英样品管的两端具有孔。

2.根据权利要求1所述的黑碳分离装置，其特征在于，所述的入口端设有石英样品管安放槽，所述的石英样品管的左端放于石英样品管安放槽中，右端插入到石英加热管中。

3.根据权利要求1或2所述的黑碳分离装置，其特征在于，所述的石英样品管的左端开孔上覆盖有石英滤膜。

4.根据权利要求3所述的黑碳分离装置，其特征在于，所述的石英样品管的左端外周设有能卡紧于石英样品管安放槽的卡片。

5.根据权利要求4所述的黑碳分离装置，其特征在于，所述的卡片为圆环。

6.一种黑炭分离方法，其特征在于，是利用权利要求3所述的黑碳分离装置，包括以下步骤：

d、冷却至室温后，将样品和石英样品管取出，取出分离到的黑碳。

7.根据权利要求6所述的黑炭分离方法，其特征在于，所述的将样品放入石英样品管内，用盐酸淋洗是用1mol/L盐酸淋洗样品3-5次。

8.根据权利要求6所述的黑炭分离方法，其特征在于，所述的将石英样品管和其内的样品烘干干燥是置于60℃下进行干燥。