CN115248140A - 一种植物VOCs排放动态恒温式采样系统 - Google Patents

一种植物VOCs排放动态恒温式采样系统 Download PDF

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张宝文
杨唯真
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Abstract

本发明提供了一种植物VOCs排放动态恒温式采样系统，涉及植物VOCs排放采集技术领域，包括真空泵(1)、质量流量计(2)、采样袋(3)、进气口(4)、出气口(5)、采样管(6)、吸附管(7)、空气采样泵(8)、温度传感器(9)、光量子传感器(10)、数字采集器(11)、干燥管(12)、VOCs过滤管(13)、颗粒物过滤器(14)、移动电源(15)。本发明将植株/树枝/叶片进行封闭，空气经去除颗粒物、臭氧、VOCs后，以恒定流量持续泵入采样袋，同时采样袋内气体以相同流量流出，利用吸附管采集封闭室内的气体。本发明克服了由于传统静态封闭式采样技术无气体循环，封闭室的“温室效应”、植物的光合作用和呼吸作用造成植物异常排放，测量误差较高的弊端，可以使封闭室内的环境更接近自然状态，极大地提高测量结果的准确性。本发明可用于野外和盆栽植物VOCs排放的采集，并实现VOCs排放规律的多小时观测，且结构简单，易携带、安装和使用。

Description

一种植物VOCs排放动态恒温式采样系统
技术领域
本发明涉及植物VOCs排放采集技术领域，具体涉及一种植物VOCs排放动态恒温式采 样系统。
背景技术
挥发性有机物(Volatile Organic Compounds，VOCs)是近地面大气细颗粒物(PM2.5)和 臭氧(O3)生成的关键前体物，同时会影响全球气候变化。植物源VOCs排放量大并且具有 较高的化学活性，主要包括异戊二烯、单萜烯、倍半萜烯和其他VOCs，准确的排放观测是 研究植物VOCs排放特征及其大气和气候效应的基础和关键。
目前，国内大多采用传统的静态封闭式采样技术进行植物VOCs排放的采集，静态法封 闭过程中，由于封闭系统无气体循环，短时间内封闭室内温度显著升高。同时，光合作用和 蒸腾作用造成封闭室内CO2浓度降低、H2O含量上升，导致植物VOCs异常排放。因此静态采样技术测试结果与植物自然状态下VOCs排放偏差较大，且无法实现对植物VOCs排放规律的多小时观测。
本发明恒定流量的气体循环，避免封闭室内“温室效应”的产生，封闭室内的环境更接近 自然状态，测量结果更接近自然排放，极大地提高测量结果的准确性。本发明也可用于植物 VOCs排放规律的多小时观测。
发明内容
针对传统静态封闭式采样系统存在的“温室效应”、测量误差高的问题，本发明提供一种 高效准确的便携式动态封闭式采样系统，可用于野外和盆栽植物VOCs排放的采集，并实现 VOCs排放规律的多小时观测，且结构简单，易携带、安装和使用。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
一种植物VOCs排放动态封闭式采样系统，包括真空泵(1)、质量流量计(2)、采样袋(3)、进气口(4)、出气口(5)、采样管(6)、吸附管(7)、空气采样泵(8)、温度传感器 (9)、光量子传感器(10)、数字采集器(11)、干燥管(12)、VOCs过滤管(13)、颗粒物 过滤器(14)、移动电源(15)。所述移动电源(15)为野外观测时上述所述装置供电；所述 颗粒物过滤器(14)与所述真空泵(1)的进气口连接；所述真空泵(1)的出气口通过采样 管(6)依次与所述干燥管(12)和VOCs过滤管(13)连接；所述VOCs过滤管(13)的另 一端通过采样管(6)与所述质量流量计(2)的进气口连接；所述质量流量计(2)的出气口 连接所述进气口(4)的一端；所述吸附管(7)的进气口连接所述出气口(5)的一端；所述 吸附管(7)的出气口通过采样管(6)与所述空气采样泵(8)连接；所述连接采用不锈钢和 聚四氟乙烯组件连接。
所述采样袋(3)为聚四氟乙烯材料制成，薄且透明，上端封闭下端开口；与所述质量流 量计(2)相连的进气口(4)、与所述吸附管(7)相连的出气口(5)、所述温度传感器(9)均沿植物的枝干经采样袋(3)开口处伸入所述采样袋(3)中；待采集植物(16)的枝条或 整株由采样袋(3)开口处伸入所述采样袋(3)中；所述采样袋(3)下端开口处由魔术贴扎 紧。
所述光量子传感器(10)置于相应位置的地面上；所述温度传感器(9)和光量子传感器 (10)连接至所述数字采集器(11)进行数据采集。
所述采样管(6)、采样袋(3)均为聚四氟乙烯材料制成；所述采样袋(3)有6加仑和30加仑两个尺寸；所述采样管(6)直径约为6mm。
所述吸附管(7)填充有2，6二苯呋喃多孔聚合物(Tenax)，所述吸附管(7)长约10.5cm，， 直径约为6mm。
所述干燥管(12)和VOCs过滤管(13)为有机玻璃制成，是包括进气口和出气口的圆形管体；所述干燥管(12)长约28cm，直径约8cm，管体内填充有无水硅胶，无水硅胶粒径 约3-5mm；所述VOCs过滤管(13)长约31cm，直径约10cm，管体内填充有活性炭颗粒， 活性碳颗粒约3-10mm。
以上所述装置可放置于地面或订制的铁架上。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
(1)本发明可以设置恒定流量的气体循环，避免封闭室内“温室效应”的产生，封闭室内 的环境更接近自然状态，测量结果更接近自然排放，极大地提高测量结果的准确性。
(2)本发明可用于植物VOCs排放规律的多小时观测，研究环境因子对植物VOCs排放 的影响机制。
(3)本发明提供的植物VOCs排放动态封闭式采样系统高效准确，结构简单，易携带、 安装和使用。
附图说明
图1为植物VOCs排放动态恒温式采样系统示意图。
图2为植物VOCs排放动态采样系统与静态采样系统封闭室内温度变化对比。
图3为枫香VOCs排放分别采用动态采样系统与静态采样系统测量误差对比。
图4为毛白杨VOCs排放分别采用动态采样系统与静态采样系统测量误差对比。
图中：真空泵(1)，质量流量计(2)，采样袋(3)，进气口(4)，出气口(5)，采样管(6)，吸附管(7)，空气采样泵(8)，温度传感器(9)，光量子传感器(10)，数字采集器(11)， 干燥管(12)，VOCs过滤管(13)，颗粒物过滤器(14)，移动电源(15)，待采集植物(16)。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要的 附图作详细地介绍，下面描述中的附图仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基 于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员得到的其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明包括真空泵(1)、质量流量计(2)、采样袋(3)、进气口(4)、出气口(5)、采 样管(6)、吸附管(7)、空气采样泵(8)、温度传感器(9)、光量子传感器(10)、数字采集 器(11)、干燥管(12)、VOCs过滤管(13)、颗粒物过滤器(14)、移动电源(15)、待采集 植物(16)。移动电源(15)为野外观测时真空泵(1)和质量流量计(2)供电；采样袋(3) 为聚四氟乙烯材料制成，薄且透明，光合辐射透过率为100％，上端封闭下端开口；待采集植 物(16)的枝条或整株由采样袋(3)下端开口处伸入采样袋(3)中。
颗粒物过滤器(14)与真空泵(1)的进气口连接，真空泵(1)的出气口通过采样管(6) 依次与干燥管(12)和VOCs过滤管(13)连接，VOCs过滤管(13)的另一端通过采样管 (6)与质量流量计(2)的进气口连接，质量流量计(2)的出气口连接进气口(4)的一端， 进气口(4)的另一端沿待采集植物(16)的枝干经采样袋(3)下端开口处伸入采样袋(3) 中。通过以上连接，将空气经颗粒物过滤器(14)去除颗粒物后，由真空泵(1)提供空气源， 经干燥管(12)去除水分、经VOCs过滤管(13)去除VOCs后，通过质量流量计(2)设定 并控制以恒定流量进入采样袋(3)中。
吸附管(7)的进气口连接出气口(5)的一端，吸附管(7)的出气口通过采样管(6)与空气采样泵(8)连接，出气口(5)的另一端沿待采集植物(16)的枝干经采样袋(3)下 端开口处伸入采样袋(3)中。以上连接实现了采样袋(3)内VOCs气体的采集，通过空气 采样泵(8)设定采样流速和采样体积，由吸附管(7)吸附VOCs。
温度传感器(9)沿植物的枝干经采样袋(3)开口处伸入所述采样袋(3)中，光量子传 感器(10)置于相应位置的地面上，温度传感器(9)和光量子传感器(10)连接至数字采集器(11)进行数据采集。VOCs采样过程中，同步实时监测采样袋(3)内的温度和光合有效 辐射，用于观测不同环境条件下的VOCs排放规律、获得标准条件下的VOCs排放速率。
干燥管(12)和VOCs过滤管(13)内分别填充有无水硅胶、活性炭颗粒，无水硅胶用于去除环境空气中的水分，活性炭颗粒用于去除环境空气中的VOCs。
连接于真空泵(1)、质量流量计(2)的阀门为不锈钢材料制成，其余连接采用聚四氟乙 烯组件连接，避免VOCs的吸附。
采样袋(3)下端开口处收口于待采集植物(16)的枝干，使用魔术贴扎紧。
本实施例中，真空泵(1)的型号为DOA-P504-BN，质量流量计(2)的型号为GE50A，空气采样泵(8)的型号为GilAir Plus STP，吸附管(7)内填充2，6-二苯呋喃多孔聚合物，温度传感器(9)的型号为109，光量子传感器(10)的型号为Li-190R，数字采集器(11) 的型号为CR300。
下面结合附图和实施例简单说明本发明的实施方案。
实施例一：对同一株马尾松植株分别采用动态系统和静态系统进行采样，并比较两者封 闭室内温度变化。
从实验开始，记录封闭室内10小时温度变化，以实时温度与初始温度的温度差表示，封 闭室外温度维持在20℃左右。植株封闭过程中，空气经去除颗粒物、臭氧、VOCs后，以恒 定流量(对于容积约为20L的封闭装置，零空气流量为10L min-1)持续泵入封闭室，同时封 闭室内气体以相同流量流出。静态系统封闭室无零空气泵入，其余实验操作条件均与动态系 统相同。
实验结果表明：动态封闭采样系统具有恒定流量的气体循环，温度变化小，处于较为平 稳状态，避免封闭室内“温室效应”的产生，封闭室内的环境更接近自然状态。测定结果见图2。
实施例二：对生长情况相近的三棵枫香植株(L1、L2、L3)和三棵毛白杨植株(P1、P2、 P3)进行了重复测量。每株毛白杨重复测量6-8次，每株枫香重复测量9-14次。毛白杨的个 体高度约为40cm，枫香的个体高度为88-08cm。光合有效辐射为1000μmol m-2s-1，相对湿度 保持在60％左右，温度为23℃。对于每种植物，在相同的实验室条件下，分别使用静态和动 态封闭技术收集三个个体的VOCS排放。
实验结果表明：对于VOCS排放的测量，静态封闭测量比动态测量具有更高的标准偏差。 静态系统内，由于封闭系统无气体循环，封闭室的“温室效应”、植物的光合作用和呼吸作用 在短时间内导致的封闭室内温度升高、CO2浓度降低、H2O含量上升，造成植物异常排放， 测量结果与自然排放偏差大，测量误差较高。测定结果见图3。
以上是本发明的具体实施例，便于该技术领域的技术人员能更好的理解和应用本发明， 本发明的实施不限于此，因此该技术领域的技术人员对本发明所做的简单改进或等同变换都 在本发明保护范围之内。

Claims (8)

1.一种植物VOCs排放动态恒温式采样系统，其特征在于：包括真空泵(1)、质量流量计(2)、采样袋(3)、进气口(4)、出气口(5)、采样管(6)、吸附管(7)、空气采样泵(8)、温度传感器(9)、光量子传感器(10)、数字采集器(11)、干燥管(12)、VOCs过滤管(13)、颗粒物过滤器(14)、移动电源(15)、待采集植物(16)，所述颗粒物过滤器(14)与所述真空泵(1)的进气口连接；所述真空泵(1)的出气口通过采样管(6)依次与所述干燥管(12)和VOCs过滤管(13)连接；所述VOCs过滤管(13)的另一端通过采样管(6)与所述质量流量计(2)的进气口连接；所述质量流量计(2)的出气口连接所述进气口(4)的一端；所述吸附管(7)的进气口连接所述出气口(5)的一端；所述吸附管(7)的出气口通过采样管(6)与所述空气采样泵(8)连接；所述光量子传感器(10)置于相应位置的地面上；与所述质量流量计(2)相连的进气口(4)、与所述吸附管(7)相连的出气口(5)。
2.根据权利要求1所述的一种植物VOCs排放动态恒温式采样系统，其特征在于：所述采样管(6)、采样袋(3)均为聚四氟乙烯材料制成。
3.根据权利要求1所述的一种植物VOCs排放动态恒温式采样系统，其特征在于：所述吸附管(7)填充有2，6二苯呋喃多孔聚合物(Tenax)。
4.根据权利要求1所述的一种植物VOCs排放动态恒温式采样系统，其特征在于：所述真空泵(1)与质量流量计(2)连接的阀门为不锈钢材料制成。
5.根据权利要求1所述的一种植物VOCs排放动态恒温式采样系统，其特征在于：所述采样袋(3)光合辐射透过率为100％，上端封闭下端开口。
6.根据权利要求1所述的一种植物VOCs排放动态恒温式采样系统，其特征在于：所述干燥管(12)和VOCs过滤管(13)为有机玻璃制成，是包括进气口和出气口的圆形管体；所述干燥管(12)管体内填充有无水硅胶；所述VOCs过滤管(13)管体内填充有活性炭颗粒。
7.根据权利要求1所述的一种植物VOCs排放动态恒温式采样系统，其特征在于：所述温度传感器(9)和光量子传感器(10)连接至所述数字采集器(11)进行数据采集。
8.根据权利要求1所述的一种植物VOCs排放动态恒温式采样系统，其特征在于：所述质量流量计(2)可以使上述所述装置有恒定流量的气体循环，避免封闭室内“温室效应”的产生，封闭室内的环境更接近自然状态，测量结果更接近自然排放，极大地提高测量结果的准确性。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117367899A (zh) * 2023-12-08 2024-01-09 河北科技大学 便携式活体植物VOCs释放采样装置

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