CN112781938A - 一种冷凝采集与测定空气中可溶性离子的分析装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冷凝法采集与测定空气中可溶性离子的分析装置及方法，装置包括冷凝收集装置和色谱分析装置，冷凝收集装置包括大气采样器、连至大气采样器的气体缓冲器、连至气体缓冲器的冷阱、连至冷阱的半导体冷凝器，冷阱内设有冷凝收集管，冷凝收集管设有出气口和入气口，出气口与气体缓冲器相连。本发明以直接冷凝空气的方法收集得到样品，减少了采集前期吸收液的选择与准备的繁琐步骤，优化采集过程，减少采集前期的工作量，有利于环境保护与试剂节约，样品通过联用离子色谱快速准确地检测与分析样品，联用离子色谱分析，该分析方法的检出限低、准确度高、高效便捷且可以同时测多种离子，大大提高样品的检测与分析效率。

Description

一种冷凝采集与测定空气中可溶性离子的分析装置及方法

技术领域

本发明涉及利用冷凝法采集空气中的常见可溶性离子并与离子色谱联用测定总含量的采集分析方法，即一种冷凝法采集与测定空气中可溶性离子的分析装置及方法。

背景技术

大气污染目前始终引起人们的重视，大气污染物始终是环境问题中的热点问题。测定大气中的离子含量，对于了解大气颗粒物的分布、来源以及环境污染的影响具有重要作用，对环境污染的防治有导向作用。传统的大气采集方法目前主要是溶液吸收法，采集时需要根据不用的采样对象准备合适的吸收液，采集前期准备相对繁琐，而且吸收液的选择是决定采样结果的一个重要问题，不合适的吸收液会严重影响吸收效率，对于采集结果具有严重影响。此外，部分吸收液使用的是有机溶剂，容易对环境造成污染，不利于环境的保护。

大气中离子测定的主要方法有选择性电极法，电化学法，比色法等，其中离子色谱法具有检出限低、准确度高、高效便捷且可以同时测多种离子等特点。本发明利用冷凝空气的采集方法，减少了采集前期吸收液的选择与准备的繁琐步骤，优化采集过程，并联用离子色谱快速检测大气中的常见可溶性离子的含量。

发明内容

本发明的目的是创建利用冷凝法采集大气中的常见可溶性离子并与离子色谱联用测定总含量的采集分析方法。

本发明是采用以下技术方案来实现的：

本发明公开了一种冷凝法采集与测定空气中可溶性离子的分析装置，装置包括冷凝收集装置和色谱分析装置，冷凝收集装置包括大气采样器、连至大气采样器的气体缓冲器、连至气体缓冲器的冷阱、连至冷阱的半导体冷凝器，冷阱内设有冷凝收集管，冷凝收集管设有出气口和入气口，出气口与气体缓冲器相连。通过构建冷凝收集装置，以直接冷凝空气的方法收集得到样品，不需要前期准备吸收液等繁琐步骤，样品通过联用离子色谱快速准确地检测与分析样品。

作为进一步地改进，本发明所述的冷阱的侧壁从外至内依次为冷阱壁和铝材壁，冷凝收集管位于冷阱内。冷阱主要用于样品的冷凝收集，内部放置冷凝收集管。

作为进一步地改进，本发明所述的冷凝收集管包括上盖和管体，上盖和管体通过可拆卸式结构相连，入气口的一端通过上盖通入管体内的取样管内，另一端与大气相通。冷凝收集管的材质是玻璃，类似烧杯的材质，冷凝管上盖为可拆卸式，取样品时可以拆卸冷凝管上盖，方便取出内置的塑料材质的一次性取样管，一次性取样管每次采样都要进行更换，防止样品相互污染，可拆卸式的收集管方便收集到的样品的取出，内部的一次性取样管方便每次采样的样品能够相互独立存放。

作为进一步地改进，本发明所述的冷凝收集管的材质为玻璃，取样管为一次性的塑料材质,可拆卸式结构是盖子与罐体之间螺纹连接结构，或是盖子与罐体之间的接口处为磨砂玻璃。

作为进一步地改进，本发明所述的入气口与大气相通，大气采样器为ZC-Q 便携式大气采样器。该采样器体积小质量轻非常方便携带外出采样，该采样器可以控制采样的时间和流速，并且可以双路采样互不影响，能提高采集效率。

作为进一步地改进，本发明所述的半导体冷凝器中设有能让温度降低的制冷组件和控温系统，维持的温度范围是-15～0℃，出气口通过乳胶管与气体缓冲器相连，气体缓冲器通过乳胶管与大气采样器相连。

作为进一步地改进，本发明所述的色谱分析装置主要包括泵、与泵连接的淋洗液发生器、及与淋洗液发生器连接的检测器，检测器包括依次连接的进样口、保护柱、分析柱、抑制器、电导池，电导池连至色谱工作站，淋洗液发生器与进样口相连。保护柱用于保护分析柱，分析柱用于分析样品的各种离子，根部不同需要选择不同的分析柱进行样品分析。抑制器和检测器主要用于样品信号的发生和检测，色谱工作站用于信号的显示与数据的保存与分析。

作为进一步地改进，本发明所述的泵为DIONEX ICS-3000DP型泵，淋洗液发生器为DIONEX ICS-3000EG型，检测器为DIONEX ICS-3000DC型。

作为进一步地改进，本发明所述的DIONEX ICS-3000DP型泵可以控制液体流速，在0.1～3ml/min之间，根据不同的保护柱的分析柱有着不同的适应压力，压力范围在0～3000MPa；DIONEX ICS-3000EG型淋洗液发生器有着阴离子系统和阳离子系统两种类型的淋洗液，阴离子系统的淋洗液用KOH，阳离子系统用甲基磺酸，其设定的浓度范围在0～50mmol。

本发明还公开了一种冷凝法采集与测定空气中可溶性离子的分析装置的分析方法，包括如下步骤：

1)将一次性取样管放入冷凝收集管中，将冷凝收集管放入冷阱之中，将气体缓冲器连至冷凝收集管的出气口，将大气采样器连至气体缓冲器、将冷阱连至半导体冷凝器；

2)采样前设置好半导体冷凝器的温度为-15～0℃，并将冷阱内部温度平衡到该温度；

3)设定ZC-Q型大气采样器上的采样流量和采样时间后，开始采样；

4)采样完毕后，拆卸装置各部分，将冷凝收集管从冷阱中取出，并拆下冷凝收集管的上盖，将有一次性取样管从中取出；

5)根据检测目标，设定好离子色谱的分析条件：分析柱的选择、柱温、流速和淋洗液浓度梯度，等待离子色谱平衡；

6)用一次性注射器取出取样管中的样品，通过滤膜过滤后注射到离子色谱的进样口中，进样完成后开始进行检测分析；

7)分析结束后，到色谱工作站上查看结果并导出数据。

本发明的优点如下：

1.本发明以直接冷凝空气的方法收集得到样品，减少了采集前期吸收液的选择与准备的繁琐步骤，优化采集过程，减少采集前期的工作量，并且减少部分有机或者酸性吸收液的使用，有利于环境保护与试剂节约，样品通过联用离子色谱快速准确地检测与分析样品。

2.采集器械体积小质量轻，方便工作人员携带外出采样。同时该采样器可以控制采样的时间和流速，并且可以双路采样互不影响，能提高采集效率。

3.冷凝收集管的材质是玻璃，类似烧杯的材质，冷凝管上盖为可拆卸式，取样品时可以拆卸冷凝管上盖，方便取出内置的塑料材质的一次性取样管，一次性取样管每次采样都要进行更换，防止样品相互污染，可拆卸式的收集管方便收集到的样品的取出，内部的一次性取样管方便每次采样的样品能够相互独立存放，相比传统方法每次采样需要更换装满吸收液的采样管，取样方便简洁。

4.保护柱用于保护分析柱，分析柱用于分析样品的各种离子，根部不同需要选择不同的分析柱进行样品分析。抑制器和检测器主要用于样品信号的发生和检测，色谱工作站用于信号的显示与数据的保存与分析。

5.联用离子色谱分析，该分析方法的检出限低、准确度高、高效便捷且可以同时测多种离子，大大提高样品的检测与分析效率。

附图说明

图1是冷凝收集装置结构示意图；

图2是可拆卸冷凝收集管和冷阱内部截面结构示意图；

图3是色谱分析装置内部结构示意图；

图4是实施例1中不同时间内收集的5种阴离子空气中总含量图；

图5是实施例2中空气中3种阳离子的离子色谱图。

图中，1是大气采样器，2是乳胶管，3是气体缓冲器，4是出气口，5是入气口，6是冷阱，7是半导体冷凝器，8是冷凝收集管，9是一次性取样管，10 是冷阱壁，11是铝材壁，12是空气冷凝物，13是淋洗液发生器，14是泵，15 是进样口，16是保护柱，17是分析柱，18是抑制器，19是电导池，20是色谱工作站。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步地说明：

本发明的装置主要分为冷凝收集装置和色谱分析装置两个模块。

图1是冷凝收集装置结构示意图；冷凝收集装置包括大气采样器1、连至大气采样器1的气体缓冲器3、连至气体缓冲器3的冷阱6、连至冷阱6的半导体冷凝器7，冷阱6内设有冷凝收集管8，冷凝收集管8设有出气口4和入气口5，出气口4与气体缓冲器3相连。

图2是可拆卸冷凝收集管8和冷阱6内部截面结构示意图；半导体冷凝器7 的温度制冷部分维持的温度范围是-15～0℃，具有稳定的控温系统。冷阱6主要用于样品的冷凝收集，内部放置冷凝收集管8，冷凝收集管8内是一次性取样管 9，一次性取样管内为空气冷凝物12。冷阱6的侧壁从外至内依次为冷阱壁10 和铝材壁11。

冷凝收集管8外部的材质是玻璃，类似烧杯的材质，冷凝管的上盖为可拆卸式，取样品时可以拆上盖，方便取出内置的塑料材质的一次性取样管9。一次性取样管9每次采样都要进行更换，防止样品相互污染。可拆卸式的收集管方便收集到的样品的取出，内部的一次性取样管9方便每次采样的样品能够相互独立存放。

气体缓冲器3主要是一个装有变色硅胶的缓冲瓶，主要是为了保护大气采样器1的管路，不让水蒸气杂质等进入采样器腐蚀内部管路。

大气采样器1采用的是ZC-Q便携式大气采样器1，该采样器体积小质量轻非常方便携带外出采样。该采样器可以控制采样的时间和流速，并且可以双路采样互不影响，能提高采集效率。

冷凝收集管8有出气口4与入气口5两个口，出气口4通过乳胶管2与气体缓冲器3相连，入气口5与大气相通，而气体缓冲器3通过乳胶管2与ZC-Q大气采样器1相连。

图3是色谱分析装置内部结构示意图，色谱分析装置：主要包括DIONEX ICS-3000DP型泵14，DIONEX ICS-3000EG型淋洗液发生器13，DIONEX ICS-3000DC检测器。

DIONEX ICS-3000DP型泵14可以控制液体流速，正产工作范围范围在 0.1～3ml/min，根据不同的保护柱16的分析柱17有着不同的适应压力，一般压力范围在0～3000MPa。

DIONEX ICS-3000EG型淋洗液发生器13有着阴离子系统和阳离子系统两种类型的淋洗液，阴离子系统的淋洗液用KOH，阳离子系统用甲基磺酸，其可设定的浓度范围在0～50mmol。

DIONEX ICS-3000DC检测器内部主要包括进样口15、保护柱16、分析柱 17、抑制器18、电导池19和色谱工作站20。保护柱16用于保护分析柱17，分析柱17用于分析样品的各种离子，根部不同需要选择不同的分析柱17进行样品分析。抑制器18和检测器主要用于样品信号的发生和检测，色谱工作站20用于信号的显示与数据的保存与分析。

淋洗液发生器13(DIONEX ICS-3000EG型)与泵14(DIONEX ICS-3000DP 型)相连，并与DIONEX ICS-3000DC检测器的进样口15相连，而DIONEX ICS-3000DC检测器内部的连接顺序是进样口15与保护柱16、分析柱17、抑制器18、电导池19相连，最后DIONEX ICS-3000DC检测器的电导池19连接到色谱工作站20上。

一种冷凝法采集与测定空气中可溶性离子的分析装置的分析方法，包括如下步骤：

1)将一次性取样管9放入冷凝收集管8中，将冷凝收集管8放入冷阱6之中，将气体缓冲器3连至冷凝收集管8的出气口4，将大气采样器1连至气体缓冲器3、将冷阱6连至半导体冷凝器7；

2)采样前设置好半导体冷凝器7的温度为-15～0℃，并将冷阱6内部温度平衡到该温度；

3)设定ZC-Q型大气采样器1上的采样流量和采样时间后，开始采样；

4)采样完毕后，拆卸装置各部分，将冷凝收集管8从冷阱6中取出，并拆下冷凝收集管8的上盖，将有一次性取样管9从中取出；

5)根据检测目标，设定好离子色谱的分析条件：分析柱17的选择、柱温、流速和淋洗液浓度梯度，等待离子色谱平衡；

6)用一次性注射器取出取样管中的样品，通过滤膜过滤后注射到离子色谱的进样口中，进样完成后开始进行检测分析；

7)分析结束后，到色谱工作站20上查看结果并导出数据。

实施例1：图4是实施例1中不同时间内收集的5种阴离子空气中总含量图，大气中5种可溶性阴离子的采集与测定；

采集条件：采样流量1L/min,采样时间1-5h，冷凝温度-5℃；

色谱条件：色谱柱：Dionex IonPacAS11-HC-4μm分析柱17，抑制器18： AnionsuppressorASRS-30004mm抑制器18，DP泵14流速：1.0mL/min，柱温： 30℃，淋洗液浓度：KOH0-8min:1mmol；8-18min:1-5mmol；18-38min:5-25mmol； 38-40min:1mmol。

实施例2：图5是实施例2中空气中3种阳离子的离子色谱图；大气中可溶性3种可溶性阳离子的采集与测定。

采集条件：采样流量1L/min，采样时间2h，冷凝温度-5℃；

色谱条件：Dionex IonPac CS17分析柱17，WLK-8C 4mm抑制器18，DP 泵14流速：1.0mL/min，柱温：30℃，淋洗液浓度：甲基磺酸等度5mmol。

最后还需要注意，以上列举的仅是本发明的几个具体实施例，本发明不限于以上实施例，还有许多变形案例，只要是公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种冷凝法采集与测定空气中可溶性离子的分析装置，其特征在于，所述的装置包括冷凝收集装置和色谱分析装置，所述的冷凝收集装置包括大气采样器(1)、连至大气采样器(1)的气体缓冲器(3)、连至气体缓冲器(3)的冷阱(6)、连至冷阱(6)的半导体冷凝器(7)，冷阱(6)内设有冷凝收集管(8)，所述的冷凝收集管(8)设有出气口(4)和入气口(5)，所述的出气口(4)与气体缓冲器(3)相连。

2.根据权利要求1所述的冷凝法采集与测定空气中可溶性离子的分析装置，其特征在于，所述的冷阱(6)的侧壁从外至内依次为冷阱壁(10)和铝材壁(11)，所述的冷凝收集管(8)位于冷阱(6)内。

3.根据权利要求1所述的冷凝法采集与测定空气中可溶性离子的分析装置，其特征在于，所述的冷凝收集管(8)包括上盖和管体，所述的上盖和管体通过可拆卸式结构相连，所述的入气口(5)的一端通过上盖通入管体内的取样管内，另一端与大气相通。

4.根据权利要求3所述的所述的冷凝法采集与测定空气中可溶性离子的分析装置，其特征在于，所述的冷凝收集管(8)的材质为玻璃，所述的取样管为一次性的塑料材质,所述的可拆卸式结构是盖子与罐体之间螺纹连接结构，或所述的盖子与罐体之间的接口处为磨砂玻璃。

5.根据权利要求1所述的冷凝法采集与测定空气中可溶性离子的分析装置，其特征在于，所述的入气口(5)与大气相通，所述的大气采样器(1)为ZC-Q便携式大气采样器(1)。

6.根据权利要求1所述的冷凝法采集与测定空气中可溶性离子的分析装置，其特征在于，所述的半导体冷凝器(7)中设有能让温度降低的制冷组件和控温系统，维持的温度范围是-15～0℃，所述的出气口(4)通过乳胶管(2)与气体缓冲器(3)相连，所述的气体缓冲器(3)通过乳胶管(2)与大气采样器(1)相连。

7.根据权利要求权利要求1所述的冷凝法采集与测定空气中可溶性离子的分析装置，其特征在于，所述的色谱分析装置主要包括泵(14)、与泵(14)连接的淋洗液发生器(13)、及与淋洗液发生器(13)连接的检测器，所述的检测器包括依次连接的进样口(15)、保护柱(16)、分析柱(17)、抑制器(18)、电导池(19)，所述的电导池(19)连至色谱工作站(20)，所述的淋洗液发生器(13)与进样口(15)相连。

8.根据权利要求9所述的冷凝法采集与测定空气中可溶性离子的分析装置，其特征在于，所述的泵(14)为DIONEX ICS-3000DP型泵，淋洗液发生器(13)为DIONEX ICS-3000EG型，检测器为DIONEX ICS-3000DC型。

9.根据权利要求10所述的冷凝法采集与测定空气中可溶性离子的分析装置，其特征在于，所述的DIONEX ICS-3000DP型泵可以控制液体流速，在0.1～3ml/min之间，根据不同的保护柱(16)的分析柱(17)有着不同的适应压力，压力范围在0～3000MPa；

DIONEX ICS-3000EG型淋洗液发生器(13)有着阴离子系统和阳离子系统两种类型的淋洗液，阴离子系统的淋洗液用KOH，阳离子系统用甲基磺酸，其设定的浓度范围在0～50mmol。

10.一种冷凝法采集与测定空气中可溶性离子的分析装置的分析方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)将一次性取样管(9)放入冷凝收集管(8)中，将冷凝收集管(8)放入冷阱(6)之中，将气体缓冲器(3)连至冷凝收集管(8)的出气口(4)，将大气采样器(1)连至气体缓冲器(3)、将冷阱(6)连至半导体冷凝器(7)；

2)采样前设置好半导体冷凝器(7)的温度为-15～0℃，并将冷阱(6)内部温度平衡到该温度；

3)设定ZC-Q型大气采样器(1)上的采样流量和采样时间后，开始采样；

4)采样完毕后，拆卸装置各部分，将冷凝收集管(8)从冷阱(6)中取出，并拆下冷凝收集管(8)的上盖，将有一次性取样管(9)从中取出；

5)根据检测目标，设定好离子色谱的分析条件：分析柱(17)的选择、柱温、流速和淋洗液浓度梯度，等待离子色谱平衡；

6)用一次性注射器取出取样管中的样品，通过滤膜过滤后注射到离子色谱的进样口(15)中，进样完成后开始进行检测分析；

7)分析结束后，到色谱工作站(20)上查看结果并导出数据。

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