CN114184731A - 一种大气气溶胶采集及离子检测装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大气气溶胶采集及离子检测装置和方法；其包括PM2.5切割头、溶蚀器、吸收液瓶、第一、二离子色谱、气溶胶入口、气溶胶稀释长大腔和气溶胶碰撞收集器；溶蚀器前后两端分别设置和PM2.5切割头相连的进气口、和气溶胶入口相连的出气口，下端两侧分别设置和吸收液瓶相连的吸收液入口、和第一离子色谱相连的吸收液出口，气溶胶入口同时和蒸汽喷嘴相连、气溶胶入口、气溶胶稀释长大腔、气溶胶碰撞收集器和第二离子色谱依次相连，气溶胶稀释长大腔为两段式，两端外壁上分别缠绕冷凝管。本发明装置结构简单，操作简便，能同时实现大气气态及颗粒态污染物中离子成分浓度的快速、准确分析。
Description
技术领域
本发明涉及大气污染物检测装置技术领域，具体涉及一种大气气溶胶采集及离子检测装置和方法。
背景技术
大气气溶胶是指均匀分散于大气中的固体微粒和液体微粒所构成的稳定混合体系。它们能作为水滴和冰晶的凝结核、太阳辐射的吸收体和散射体，并扮演着平衡海陆生态系统、调节环境因子和促进养分循环的重要角色，同时又是地球化学循环的重要组成部分，也为大气多相反应提供了重要的反应介质是大气的重要组成部分。大气气溶胶粒径小，富含大量的有毒、有害物质且在大气中的停留时间长、传输距离远，因而对人体健康和大气环境质量的影响不容忽视。
水溶性离子作为近地面大气颗粒物中最重要的一类物质，对于全球酸雨的形成、大气中pH相关的液相反应以及云内羟基自由基反应等均有着极其重要的作用。同时，水溶性离子在云成核中扮演着重要角色，间接影响地表辐射强迫从而造成全球气候变化。因此，大气气溶胶粒子水溶性离子的研究也成为研究热点和前沿方向之一。但对大气颗粒物水溶性离子的测定因受到检测技术和仪器的制约（如较高的检测限），目前仍停留在离线检测阶段且需要在重污染及较长持续采样时间的条件下进行。离线分析需要繁琐的浓缩富集过程并极易造成样品损失，无法满足实时监测的技术要求。
目前国内外对于大气气溶胶的物化特征分析依然是通过人工膜采样的方式后送入实验室进行离线分析为主。这种采样-分析方法有较多显著的缺点：（1）膜采样的前处理与采样过程会消耗大量的人力成本，且实验员在实验过程中会由于各种不可抗拒因素导致采样膜缺失；（2）采样膜在冷冻储存过程中，随着外界环境条件的变化会或多或少使膜表面的大气气溶胶总质量产生损失，其物化组分也会发生改变；（3）在离线分析的过程中由于人员操作、系统误差等因素导致测量结果和实际结果有一定误差。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于实现大气气态及颗粒态污染物中离子成分连续分析的检测装置和方法。本发明装置结构简单，操作简便，能够同时实现大气气态及颗粒态污染物中离子成分和浓度的快速、准确分析。
本发明的技术方案具体介绍如下。
一种大气气溶胶采集及离子检测装置，其包括PM2.5切割头、溶蚀器、吸收液瓶、第一离子色谱、气溶胶入口、蒸汽喷嘴、气溶胶稀释长大腔、气溶胶碰撞收集器和第二离子色谱；其中：溶蚀器的前后两端分别设置进气口和出气口，进气口和PM2.5切割头相连、出气口和气溶胶入口相连，溶蚀器的下端两侧分别设置吸收液入口和吸收液出口，吸收液入口和吸收液瓶相连、吸收液出口和第一离子色谱相连，蒸汽喷嘴的一端和产生蒸汽的加热炉相连，另一端和气溶胶入口相连，气溶胶入口、气溶胶稀释长大腔和气溶胶碰撞收集器依次相连，气溶胶稀释长大腔分为前后两段腔体，两段腔体之间用第二卡箍连接固定，气溶胶稀释长大腔的两端外壁上分别缠绕设置第一冷凝管、第二冷凝管，气溶胶稀释长大腔的底部设置蒸汽冷凝水出口，气溶胶碰撞收集器的顶部分别设置抽气泵接口和蒸馏水入口，抽气泵接口和空气泵相连，气溶胶碰撞收集器的底部设置气溶胶收集液出口，气溶胶收集液出口和第二离子色谱相连。
本发明中，气溶胶入口和气溶胶稀释长大腔之间通过第一卡箍固定连接。
本发明中，气溶胶稀释长大腔通过固定支架设置在底板上。
本发明中，气溶胶稀释长大腔和气溶胶碰撞收集器之间通过螺钉固定连接。
本发明中，吸收液入口通过蠕动泵和吸收液瓶相连、吸收液出口通过蠕动泵和第一离子
色谱相连，气溶胶收集液出口通过蠕动泵和第二离子色谱相连。
本发明还提供一种基于上述装置的气检测方法，具体步骤如下：
步骤一、原始大气样品由pm2.5切割头筛选动力学粒径小于或者等于2.5微米的大气颗粒物并进入溶蚀器，同时在蠕动泵作用下将吸收液从吸收液瓶注入到溶蚀器中，使得流经溶蚀器的大气样品中可溶性的气体成分被吸收液吸收，并在蠕动泵的作用下进入第一离子色谱，对大气中可溶性气体成分的离子成分实现检测；
步骤二、大气中未被溶蚀器溶解的颗粒态成分穿过溶蚀器进入气溶胶入口，同时蒸馏水进入加热炉产生的水蒸气经过蒸汽喷嘴进入气溶胶入口，水蒸气和进入的气溶胶颗粒在气溶胶吸湿长大腔中混合，形成的颗粒物在气溶胶吸湿长大腔中吸湿长大，多余的水蒸气在第一冷凝管、第二冷凝管作用下被冷凝后由蒸汽冷凝水出口排出， 吸湿长大的气溶胶在空气泵作用下被抽入气溶胶碰撞收集器中，气溶胶颗粒撞击在气溶胶碰撞收集器上，并和蒸馏水入口进入的蒸馏水混合，最终气溶胶被充分溶解，气溶胶收集液在蠕动泵的作用下被带入第二离子色谱，从而实现大气中颗粒态物质中的水溶离子成分浓度分析。
和现有技术相比，本发明的有益效果在于：
（1）本发明中的装置操作简便，可靠有效，可对大气样品采集实现气-固分离，并可对分离的大气中可溶性气体成分和颗粒态成分中的离子进行在线检测；
（2）本发明中的装置部件可以拆卸，易于维护。
（3）本发明方法工艺简单，可对分离的大气中可溶性气体成分和颗粒态成分中的离子进行在线检测。
（4）本发明装置能在保证数据质控的前提下，与其他分析装置联用，实现污染物的分析检测，并广泛应用于环境监测及健康风险评估当中。
附图说明
图1是本发明的大气气溶胶采集及离子检测装置的结构示意图。
图中标号：1-pm2.5切割头，2-溶蚀器，3-吸收液瓶，4-第一离子色谱，5-气溶胶入口，6-加热炉，7-蒸汽供水入口，8-蒸汽喷嘴，9-气溶胶稀释长大腔，10-蒸汽冷凝水出口，11-第一冷凝管，12-第二冷凝管，13-固定支架，14-底板，15-第一卡箍，16-第二卡箍，17-气溶胶碰撞收集器，18-抽气泵接口，19-蒸馏水入口，20-气溶胶收集液出口，21-第二离子色谱。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
实施例1
实施例中，提供一种大气气溶胶采集及离子检测装置，其包括PM2.5切割头1、溶蚀器2、
吸收液瓶3、第一离子色谱4、气溶胶入口5、蒸汽喷嘴8、气溶胶稀释长大腔9、气溶胶碰撞收集器17和第二离子色谱21；溶蚀器2为双层圆柱体结构， 溶蚀器2的前后两端分别设置进气口和出气口，进气口和PM2.5切割头1相连、出气口和气溶胶入口5相连，溶蚀器2的下端两侧分别设置吸收液入口和吸收液出口，吸收液入口通过蠕动泵和吸收液瓶3相连、吸收液出口通过蠕动泵和第一离子色谱4相连，气溶胶入口5为不锈钢材质，蒸汽喷嘴8为一根不锈钢管，蒸汽喷嘴12的一端和产生蒸汽的加热炉6相连，蒸馏水通过蒸汽供水入口7进入加热炉6，另一端和气溶胶入口5的侧面开口相连，气溶胶入口5和气溶胶稀释长大腔9的进口端之间通过第一卡箍15固定连接、气溶胶稀释长大腔9的出口端和气溶胶碰撞收集器17通过螺钉固定连接，气溶胶吸湿长大腔9，其主体结构为圆柱体不锈钢管，是气溶胶吸湿长大的地方，气溶胶稀释长大腔9分为前后两段腔体，两段腔体之间用第二卡箍16连接固定，便于拆装清洗，气溶胶稀释长大腔9的两端外壁上分别缠绕设置用于对进入气溶胶吸湿长大腔9中的水蒸气进行冷凝的第一冷凝管11、第二冷凝管12，气溶胶稀释长大腔9的底部设置蒸汽冷凝水出口10，用于排出多余的蒸汽冷凝水，气溶胶吸湿长大腔9的中间通过一固定支架13固定在底板14上，气溶胶碰撞收集器17的顶部分别设置抽气泵接口18和蒸馏水入口19，抽气泵接口18和空气泵相连，空气泵提供动力，使得气溶胶颗粒进入气溶胶碰撞收集器17，气溶胶碰撞收集器17的底部设置气溶胶收集液出口20，气溶胶收集液出口20通过蠕动泵和第二离子色谱21相连。
使用上述装置对真实大气样品进行大气气溶胶连续采样和检测的过程中，原始大气样品先由pm2.5切割头1筛选动力学粒径小于或者等于2.5微米的大气颗粒物并进入溶蚀器2，在电机的驱动下溶蚀器2不停转动，在溶蚀器2下端连接吸收液瓶3，通过蠕动泵将吸收液从吸收液瓶3注入到溶蚀器2中，在溶蚀器2内侧会覆盖一层薄薄的吸收液液膜，大气样品流经溶蚀器2时，大气中可溶性的气体成分会被吸收液吸收，在蠕动泵的作用下进入第一离子色谱4，对大气的可溶性气体成分的离子成分进行检测；大气中的颗粒态成分穿过溶蚀器2进入气溶胶入口5，同时蒸馏水通过蒸汽供水入口7进入加热炉6，产生的水蒸气经过蒸汽喷嘴8进入气溶胶入口5，水蒸气和进入的气溶胶颗粒在气溶胶吸湿长大腔9中混合，颗粒物在气溶胶吸湿长大腔9中吸湿长大，多余的水蒸汽冷凝后，蒸汽冷凝水从蒸汽冷凝水出口10排出，稀释长大的颗粒物气溶胶进入气溶胶碰撞收集器17中撞击在气溶胶碰撞收集器17上，并和蒸馏水入口19进入的蒸馏水混合，最终被充分溶解的气溶胶颗粒物进入气溶胶收集液出口20，并被蠕动泵带入第二离子色谱21，从而实现大气中颗粒态物质中的离子成分浓度分析。
Claims (6)
1.一种大气气溶胶采集及离子检测装置，其特征在于，其包括PM2.5切割头（1）、溶蚀器（2）、吸收液瓶(3)、第一离子色谱（4）、气溶胶入口（5）、蒸汽喷嘴（8）、气溶胶稀释长大腔（9）、气溶胶碰撞收集器（17）和第二离子色谱（21）；其中：溶蚀器（2）的前后两端分别设置进气口和出气口，进气口和PM2.5切割头（1）相连、出气口和气溶胶入口（5）相连，溶蚀器（2）的下端两侧分别设置吸收液入口和吸收液出口，吸收液入口和吸收液瓶（3）相连、吸收液出口和第一离子色谱（4）相连，蒸汽喷嘴（12）的一端和产生蒸汽的加热炉（6）相连，另一端和气溶胶入口（5）相连，气溶胶入口（5）、气溶胶稀释长大腔（9）和气溶胶碰撞收集器（17）依次相连，气溶胶稀释长大腔（9）分为前后两段腔体，两段腔体之间用第二卡箍（16）连接固定，气溶胶稀释长大腔（9）的两端外壁上分别缠绕设置第一冷凝管（11）、第二冷凝管（12），气溶胶稀释长大腔（9）的底部设置蒸汽冷凝水出口（10），气溶胶碰撞收集器（17）的顶部分别设置抽气泵接口（18）和蒸馏水入口（19），抽气泵接口（18）和空气泵相连，气溶胶碰撞收集器（17）的底部设置气溶胶收集液出口（20），气溶胶收集液出口（20）和第二离子色谱（21）相连。
2.根据权利要求1所述的大气气溶胶采集及离子检测装置，其特征在于，气溶胶入口（5）
和气溶胶稀释长大腔（9）之间通过第一卡箍（15）固定连接。
3.根据权利要求1所述的大气气溶胶采集及离子检测装置，其特征在于，气溶胶稀释长大腔（9）通过固定支架（13）设置在底板（14）上。
4.根据权利要求1所述的大气气溶胶采集及离子检测装置，其特征在于，气溶胶稀释长大腔（9）和气溶胶碰撞收集器（17）之间通过螺钉固定连接。
5.根据权利要求1所述的大气气溶胶采集及离子检测装置，其特征在于，吸收液入口通过蠕动泵和吸收液瓶（3）相连、吸收液出口通过蠕动泵和第一离子色谱（4）相连，气溶胶收集液出口（20）通过蠕动泵和第二离子色谱（21）相连。
6.一种基于权利要求1-5之一所述的装置的检测方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤一、原始大气样品由pm2.5切割头（1）筛选动力学粒径小于或者等于2.5微米的大气颗粒物并进入溶蚀器（2），同时在蠕动泵作用下将吸收液从吸收液瓶（3）注入到溶蚀器（2），使得流经溶蚀器（2）的大气样品中可溶性的气体成分被吸收液吸收，并在蠕动泵的作用下进入第一离子色谱（4），对大气中可溶性气体成分的离子成分实现检测；
步骤二、大气中未被溶蚀器（2）溶解的颗粒态成分穿过溶蚀器（2）进入气溶胶入口（5），同时蒸馏水进入加热炉（6）产生的水蒸气经过蒸汽喷嘴（8）进入气溶胶入口（5），水蒸气和进入的气溶胶颗粒在气溶胶吸湿长大腔（9）中混合，形成的颗粒物在气溶胶吸湿长大腔（9）中吸湿长大，多余的水蒸气在第一冷凝管（11）、第二冷凝管（12）作用下被冷凝后由蒸汽冷凝水出口（10）排出， 吸湿长大的气溶胶在空气泵作用下被抽入气溶胶碰撞收集器（17）中，气溶胶颗粒撞击在气溶胶碰撞收集器（17）上，并和蒸馏水入口（19）进入的蒸馏水混合，最终气溶胶被充分溶解，气溶胶收集液在蠕动泵的作用下被带入第二离子色谱（21），从而实现大气中颗粒态物质中的水溶离子成分浓度分析。
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