CN115856176B - 一种环境监测仪器中的VOCs预浓缩处理组件及处理方法 - Google Patents
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- CN115856176B CN115856176B CN202310067350.9A CN202310067350A CN115856176B CN 115856176 B CN115856176 B CN 115856176B CN 202310067350 A CN202310067350 A CN 202310067350A CN 115856176 B CN115856176 B CN 115856176B
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Abstract
本申请涉及一种环境监测仪器中的VOCs预浓缩处理组件及处理方法，涉及大气监测技术领域，本申请中的VOCs预浓缩组件包括机箱，机箱内设置有电制冷机、VOCs捕集装置和保温箱；VOCs捕集装置包括除水阱和捕集阱，捕集阱内设置有冷块，冷块上环绕有至少两组捕集管道，捕集阱内环绕捕集管道还设有加热装置；电制冷机上的冷头伸入捕集阱内并与冷块相贴靠；机箱内还分别设有第一多位多通阀和第二多位多通阀；机箱上分别设有外标接口、离线接口、内标接口和空气进样口。本申请还提供一种利用上述VOCs预浓缩处理组件进行VOCs预浓缩的处理方法。本申请中VOCs预浓缩处理组件及处理方法成本低，预浓缩效果好，VOCs的后续检测数据精度高。
Description
技术领域
本申请涉及大气监测技术领域，尤其是涉及一种环境监测仪器中的VOCs预浓缩处理组件及处理方法。
背景技术
VOCs(Volatile Organic Compounds，挥发性有机物)是指常温下饱和蒸汽压大于70Pa、常压下沸点在260℃以下的有机化合物，或在20℃条件下，蒸汽压大于或者等于10Pa且具有挥发性的全部有机化合物。VOCs参与大气环境中臭氧和二次气溶胶的形成，其对区域性大气臭氧污染、PM2.5污染具有重要的影响。大多数VOCs具有令人不适的特殊气味，并具有毒性、刺激性、致畸性和致癌作用，特别是苯、甲苯及甲醛等对人体健康会造成很大的伤害。VOCs是导致城市灰霾和光化学烟雾的重要前体物，主要来源于煤化工、石油化工、燃料涂料制造、溶剂制造与使用等过程。
VOCs对环境安全影响较大并危害人体健康，因此需要对工业活动以及日常生活中产生的VOCs进行检测并处理。现有的VOCs监测时采集的样品基体组成复杂，目标污染物的浓度普遍较低，且未经任何前处理就直接进行分析，导致分析结果误差较大。
目前，对VOCs的富集、解析主要是通过低温吸附-高温热解析过程实现的，这一过程包括两个步骤，第一步是将捕集阱温度降至-150℃以下，将捕集部件与冷块集成在一起，冷块的冷量可以充分快速地传递至捕集部件，达到制冷温度后，捕集部件中的VOCs由气态转化为固态被吸附收集；第二步是将捕集阱温度上升至100℃以上，VOCs被完全热解析并随即进入后续分析系统。
现有制冷技术中，对气态污染物（例如VOCs）的低温捕集方法主要有4种：半导体制冷、液氮制冷、大功率压缩机制冷机制冷、小功率热声制冷机制冷。（1）、半导体制冷使用特种半导体材料，通电后直接制冷，不用制冷剂，具有可连续工作，无回转效应，工作时没有震动、噪音，寿命长，安装容易的优点；但半导体制冷缺点是制冷所能达到的温度较高，最低一般只能达到-70℃，不能实现冷冻的物理方法对气体的完全捕集，因此半导体制冷的应用范围受到了限制。（2）、液氮作为一种常用的冷却剂，其原理就是液氮在气化过程中会吸收大量的热量，从而使周围环境的温度迅速降低，其最大的优势就是最低温度可达-196℃，气体可在这个温度下基本实现完全捕集；但由于这种方法是将液氮直接喷入冷阱外部的蒸发器中，因此液氮的消耗量较大，制冷的成本较高，且操作过程中需要频繁补充液氮，为使用和维护带来较大不便。（3）、大功率压缩机制冷机一般为使用制冷剂的复叠式制冷，其可连续工作，使用寿命长，只需用电即可工作，最低温度可达-150℃以下，满足环境监测中对气态污染物低温捕集的需要，但是大功率压缩机制冷机在使用过程中耗电量大，产生的热量多，对环境温度要求高；另外大功率压缩机制冷机一般体积较大、重量较重，虽可完成捕集工作，但在运输和搬运过程中非常困难，在极端情况下还需吊车进行搬运。（4）、小功率热声制冷机与大功率压缩机制冷机相比，体积小、重量轻，在外场观测中易于搬运，耗电量小，对放置的环境温度要求没有那么严苛；但目前小功率热声制冷机的问题在于功率小，制冷量有限，实际带动的负荷小，一台制冷机最多只能带一通道低温捕集，如需多通道低温捕集就需要多台制冷机，成本比较高。另外目前的小功率热声制冷机在制冷过程中，由于其功率较小，制冷机冷头温度可以达-150℃以下，但实际低温捕集部件达不到-150℃，容易造成捕集不完全的情况出现。
发明内容
为了实现低成本、小体型，且在有限制冷量的前提下能够多通道、超低温完全捕集VOCs，本申请提供一种环境监测仪器中的VOCs预浓缩处理组件及处理方法。
第一方面，本申请提供的一种环境监测仪器中的VOCs预浓缩处理组件采用如下的技术方案：
一种环境监测仪器中的VOCs预浓缩处理组件，包括机箱，所述机箱内设置有电制冷机、VOCs捕集装置和保温箱；
所述VOCs捕集装置包括除水阱和捕集阱，所述捕集阱内设置有冷块，所述冷块上环绕有至少两组捕集管道，所述捕集阱内环绕所述捕集管道还设有加热装置；所述电制冷机上的冷头伸入所述捕集阱内并与所述冷块相贴靠；
所述机箱内还分别设有第一多位多通阀和第二多位多通阀；
所述机箱上分别设有外标接口、离线接口、内标接口和空气进样口，所述外标接口、离线接口、内标接口和空气进样口分别与所述第一多位多通阀相连通；所述第一多位多通阀与所述捕集管道的一端之间通过连接管道相连通且该连接管道穿过所述除水阱；
所述捕集管道的另一端连接有采样泵和出气接头；
所述机箱上设有用于连接惰性气体气源的惰性气体连接接头，所述第二多位多通阀分别与所述惰性气体连接接头以及所述捕集阱内的捕集管道相连接；
第一多位多通阀和第二多位多通阀的阀头以及所述加热装置的加热接头均位于所述保温箱内。
本申请中的VOCs预浓缩处理组件主要对VOCs（挥发性有机物）进行预浓缩处理，整个系统采用超低温冷冻捕集方法，利用捕集管道空管冷冻捕集技术，可以连续自动测量一百多种挥发性有机物，测量对象涵盖了烃类、卤代烃和含氧挥发性有机物等，具有响应时间快，灵敏度高等特点，适用于光化学烟雾监测、城市空气复合污染成因研究等。本申请中的VOCs预浓缩处理组件运用于大气挥发性有机物连续监测仪器中，其全面满足制冷温度要求，结合气相色谱/质谱法检测大气挥发性有机化合物VOCs的参数，为雾霾和PM2.5的治理提供数据依据和解决方案，同时可以用于实验室离线检测VOCs。
本申请中使用小功率热声制冷机的原理进行制冷，同时对现有的小功率热声制冷机进行优化改进，在有限制冷量的前提下实现超低温完全捕集、多通道制冷等问题。相比压缩机制冷体型更小，更容易搬运。相比液氮制冷运维更方便，成本更低。相比半导体制冷，制冷温度更低。同时解决了使用吸附剂导致的热脱附不完善等干扰问题；本申请中采用电制冷机制冷，保证捕集管道的温度可达-150℃以下，实现对目标化合物的完全捕集，替代了一些预浓缩装置中的液氮制冷剂，使系统能够适应各种监测环境；加热装置可在10秒内快速加热至除水、解析样品等过程所需要的温度，保证干扰物去除，目标化合物被迅速解析、进样，达到良好的分离效果。
可选的，所述捕集管道为两组且分别为GC-FID管路和GC-MS管路，所述惰性气体连接接头为两组且分别用于连接氮气气源的第一连接接头和用于连接氦气气源的第二连接接头；所述第一连接接头与所述GC-FID管路相连接，所述第二连接接头与所述GC-MS管路相连接。
通过采用上述技术方案，本申请中采用GC-FID和GC-MS进行两路检测，GC-FID主要检测含碳的有机物，GC-MS是气相色谱和质谱的联用，定量能力和定性能力强，检测精准可靠。
可选的，所述连接管道在进入所述除水阱之前的位置分为两路并分别与所述GC-FID管路和GC-MS管路相连接，所述连接管道与所述GC-FID管路连接的支路上设有CO2去除管，所述CO2去除管位于所述除水阱和捕集阱之间。
通过采用上述技术方案，CO2去除管去除CO2等干扰气体，特别是用于去除待测样本中的碳元素，避免碳元素在后续检测中影响最终的检测结果。
可选的，所述空气进样口与所述第一多位多通阀之间的管路上设有颗粒物过滤器和引流泵，所述空气进样口与所述采样泵之间还通过润洗管路相连接，所述润洗管路上设有润洗路电磁阀，所述第一多位多通阀也与所述润洗路电磁阀相连通。
通过采用上述技术方案，可以在每次检测前，将空气/内标/外标/离线样品按照设定通过第一多位多通阀的切换，先通过VOCs预浓缩处理组件内部的管路，先不经过除水阱，切换润洗路电磁阀直接从采样泵排出，从而用于清洗第一多位多通阀之前的管路，让待测气体充满管路，为之后的样品采集做准备，进而提高了后续检测的精准可靠性。
可选的，所述机箱内固设有水平隔板和竖向隔板，所述竖向隔板设置在所述水平隔板的下方位置，所述机箱内位于水平隔板的上方空间为捕集区，所述机箱内位于水平隔板的下方且位于竖向隔板的一侧为电路区，所述机箱内位于水平隔板的下方且位于竖向隔板的另一侧为气路区；
所述电制冷机、VOCs捕集装置和保温箱均设置在所述捕集区内，所述采样泵、引流泵、第一多位多通阀和第二多位多通阀设置在所述气路区，所述第一多位多通阀和第二多位多通阀的阀头伸入到捕集区内的保温箱内；所述气路区内还设有若干个用于监测各个管路内气体流量的流量计和用于调节惰性气体进入量的调节阀；所述电路区内设置有主控板、变压器、测温板和多组开关电源。
通过采用上述技术方案，本申请中利用各个监测元件，可以实时监测及调整采样时的除水温度、捕集温度及解析温度等，通过与计算机相连达到自动控制的目的；测温元件具有抗氧性及耐腐蚀性好、强度高、无磁性、不易软化等特点，长期使用过程中，不变形。
可选的，所述保温箱采用双层铝板制成且双层铝板之间还设有聚氨酯泡沫保温层；所述保温箱的一侧固设有扰流风扇，所述扰流风扇朝向所述保温箱设置且能够扰动所述保温箱内的气流。
保温箱是一个方形箱体，设备开启时保温箱内会持续保持在80°C左右。通过采用上述技术方案，能够增强保温效果，扰流风扇设置在保温箱内，用于保温箱内的空气搅动。
可选的，所述机箱的一侧固设有电源开关；所述机箱的另一侧分别设有工作指示灯和加热开关，所述机箱的侧面还开设有通风口。
通过采用上述技术方案，电源开关用于整个设备总电源的通断，提高其安全性；加热开关用于控制加热装置的通断，不用时手动断开，以免误开烧坏VOCs捕集装置；工作指示灯用于实时指示各个部件的工作状态，方便监控，及时发现问题；通风口用于通风散热。
第二方面，本申请提供的一种环境监测仪器中的VOCs预浓缩处理方法采用如下的技术方案：
一种环境监测仪器中的VOCs预浓缩处理方法，采用上述的VOCs预浓缩组件对VOCs进行预浓缩处理，该处理方法包括以下步骤：
S1：样品采集：空气/内标/外标/离线样品通过第一多位多通阀的切换，待测气体会先通过除水阱进行低温除水处理，待测气体中的水汽利用除水阱的低温凝结在除水阱的管壁中；
S2：冷冻捕集：待测气体经过除水处理后进入捕集阱，捕集阱中温度会低至-150°C以下，待测气体经过时气体中包含的VOCs冻结在捕集阱管壁内，其余气体通过采样泵排出；
S3：加热解析：加热捕集阱至100℃以上，将待测样本气化；切换第二多位多通阀的换向挡位，使得氮气和氦气分别通过各自对应的捕集阱的捕集管道中，氮气和氦气作为载气将捕集阱内捕集到的预浓缩待测样本送入后端检测仪器内；
S4：GC-MS/FID分析：待测样本进入GC-MS对样本进行最终分析；
S5：加热反吹：加热除水阱和捕集阱，氮气反向吹入VOCs预浓缩组件的管路中，经过捕集阱、除水阱、第一多位多通阀，再通过采样泵吹出。
通过采用上述技术方案，能够精准高效的实现对VOCs的冷冻捕集；加热反吹的目的是在经过一次进样后用氮气对整体管路进行一遍加热吹扫，清理设备内残留的物质，以免影响下一次测试，从而提高检测数据的精准可靠性。
可选的，在上述步骤S1之前，还具有步骤S0：样品润洗：空气/内标/外标/离线样品按设定通过第一多位多通阀的切换先通过VOCs预浓缩组件内部的管路，不经过除水阱，切换润洗路电磁阀直接从采样泵排出，用于清洗第一多位多通阀之前的管路，使得待测气体充满管路，为之后的样品采集做准备。
通过采用上述技术方案，减少管路中残留气体对检测精度的影响，从而进一步的提高后续检测的精准可靠性。
可选的，捕集管道分为GC-FID管路和GC-MS管路，连接管道在进入除水阱之前的位置分为两路并分别与GC-FID管路和GC-MS管路相连接，连接管道与GC-FID管路连接的支路上设有CO2去除管，在上述步骤S1中，进入GC-FID管路中的待检测气体还需要经过CO2去除管去除CO2。
通过采用上述技术方案，CO2去除管去除CO2等干扰气体，特别是用于去除待测样本中的碳元素，避免碳元素在后续检测中影响最终的检测结果。
综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：
1.本申请中采用纯物理方法将待测气体完全富集到捕集管道中，和实验室环境空气VOCs监测方法一致，具有可比性。同时除水阱在线除水、CO2去除管去除CO2等干扰，并能实现快速热解析，检测数据精准可靠。
2.本申请中采用电制冷机进行制冷的方式，不使用液氮，维护成本低。且能够低于-150℃有效富集VOCs，实现116种组分的空管富集，数据准确率高，有效避免峰值偏移，重复性和精密度高。
3.本申请中采用双捕集管道输出方式，直接连接GC-MS，GC-MS使用双进样口，相比于其他产品需要使用切割器（D-SWITCH），本申请中的测量更稳定，准确度好。
4.本申请中设备具有标气自动进样功能，1小时一次内标，24小时一次外标，保证数据的准确度。
5.本申请中的设备能够连续自动进样，并在24小时可插入质控样，保证测量准确，同时针对大量样品可以无人值守或远程连接进行做样。
6.本申请中的采用硅烷化不锈钢管路，减少管壁对物种的吸附。
7.本申请中采用独立的温度控制技术，控制采样时的除水温度、捕集温度及解析温度，互不干扰，通过程序控制软件自动控制；其中，除水温度可低至-100℃及以下，除水效率高，除水效果好。
附图说明
图1是本实施例中VOCs预浓缩组件的第一立体结构示意图。
图2是本实施例中VOCs预浓缩组件的第二立体结构示意图。
图3是本实施例中VOCs预浓缩组件的第一内部结构示意图。
图4是本实施例中VOCs预浓缩组件的第二内部结构示意图。
图5是本实施例中VOCs预浓缩组件的第三内部结构示意图。
图6是本实施例中VOCs预浓缩组件的剖视结构示意图。
图7是本实施例中VOCs预浓缩组件的局部结构示意图。
图8是本实施例中VOCs预浓缩组件的内部管路示意图。
图中，1、机箱；11、水平隔板；12、竖向隔板；13、捕集区；14、气路区；15、电路区；16、工作指示灯；17、加热开关；18、电源开关；19、通风口；110、插接口；111、扣手；112、外标接口；113、离线接口；114、内标接口；115、空气进样口；116、出气接头；117、惰性气体连接接；1171、第一连接接头；1172、第二连接接头；
2、电制冷机；21、制冷机控制器；22、接水盘；
3、VOCs捕集装置；31、捕集阱；32、冷块；33、捕集管道；331、GC-FID管路；332、GC-MS管路；34、加热装置；35、除水阱；
4、保温箱；41、扰流风扇；
5、第一多位多通阀；6、第二多位多通阀；7、连接管道；8、CO2去除管；9、采样泵；
100、流量计；101、调节阀；102、主控板；103、变压器；104、测温板；105、开关电源；106、真空电磁阀；107、润洗路电磁阀；108、引流泵；109、真空硅；200、润洗管路。
具体实施方式
以下结合附图1至附图8对本申请作进一步详细说明。
参照图1和图2，本申请中的VOCs预浓缩处理组件包括机箱1，机箱1呈矩形箱体结构，机箱1的整体结构类似于台式电脑主机，定义其朝向使用者的一侧为前侧，相对的另一侧为后侧，机箱1的前侧设置有一列工作指示灯16和一个加热开关17，机箱1的前侧以及左右两侧均开设有通风口19。机箱1的后侧设置有220V交流电源线的插接口110和电源开关18，电源开关18用于整个设备总电源的通断，提高其安全性；加热开关17用于控制加热装置34的通断，不用时手动断开；工作指示灯16用于实时指示各个部件的工作状态，方便监控，及时发现问题；通风口19用于通风散热。机箱1的后侧还分别设有外标接口112、离线接口113、内标接口114、空气进样口115和出气接头116；机箱1的左右两侧均设置有扣手111，便于整个设备的搬运。
参照图3和图4，机箱1内设置有电制冷机2、VOCs捕集装置3和保温箱4；保温箱4是一个方形箱体，保温箱4采用双层铝板制成且双层铝板之间还设有聚氨酯泡沫保温层；保温箱4的一侧固设有扰流风扇41，扰流风扇41朝向保温箱4设置且能够扰动保温箱4内的气流，设备开启时保温箱4内会持续保持在80°C左右，扰流风扇41设置在保温箱4内，用于保温箱4内的空气搅动。电制冷机2的上侧固设有用于控制电制冷机2的制冷机控制器21，电制冷机2的下方设置有接水盘22。结合图5所示，机箱1内固设有水平隔板11和竖向隔板12，竖向隔板12设置在水平隔板11的下方位置，机箱1内位于水平隔板11的上方空间为捕集区13，机箱1内位于水平隔板11的下方且位于竖向隔板12的一侧为电路区15，机箱1内位于水平隔板11的下方且位于竖向隔板12的另一侧为气路区14；电制冷机2、VOCs捕集装置3和保温箱4均设置在捕集区13内，
参照图6和图7所示，VOCs捕集装置3包括捕集阱31，捕集阱31内设置有冷块32，冷块32上环绕有至少两组捕集管道33，捕集阱31内环绕捕集管道33还设有加热装置34；电制冷机2上的冷头伸入捕集阱31内并与冷块32相贴靠。
参照图2和图8，VOCs捕集装置3还包括除水阱35，捕集管道33可以为两组且分别为GC-FID管路331和GC-MS管路332，机箱1上设有用于连接惰性气体气源的惰性气体连接接117头，第二多位多通阀6分别与惰性气体连接接117头以及捕集阱31内的捕集管道33相连接；惰性气体连接接117头为两组且分别用于连接氮气气源的第一连接接头1171和用于连接氦气气源的第二连接接头1172；第一连接接头1171与GC-FID管路331相连接，第二连接接头1172与GC-MS管路332相连接。本申请中采用GC-FID和GC-MS进行两路检测，GC-FID主要检测含碳的有机物，GC-MS是气相色谱和质谱的联用，定量能力和定性能力强，检测精准可靠。连接管道7在进入除水阱35之前的位置分为两路并分别与GC-FID管路331和GC-MS管路332相连接，连接管道7与GC-FID管路331连接的支路上设有CO2去除管8，CO2去除管8位于除水阱35和捕集阱31之间CO2去除管8去除CO2等干扰气体，特别是用于去除待测样本中的碳元素，避免碳元素在后续检测中影响最终的检测结果。
参照图3和图4，机箱1内还分别设有第一多位多通阀5和第二多位多通阀6；第一多位多通阀5可以是六位阀，第二多位多通阀6可以是两位十二通阀；第一多位多通阀5和第二多位多通阀6的阀头以及加热装置34的加热接头均位于保温箱4内。外标接口112、离线接口113、内标接口114和空气进样口115分别与第一多位多通阀5相连通；结合图8所示，第一多位多通阀5与捕集管道33的一端之间通过连接管道7相连通且该连接管道7穿过除水阱35；捕集管道33的另一端连接出气接头116且捕集管道33的该端连接有采样泵9；结合图3和图4所示，采样泵9、引流泵108、第一多位多通阀5和第二多位多通阀6设置在气路区14，第一多位多通阀5和第二多位多通阀6的阀头伸入到捕集区13内的保温箱4内；气路区14内还设有若干个用于监测各个管路内气体流量的流量计100和用于调节惰性气体进入量的调节阀101；电路区15内设置有主控板102、变压器103、测温板104和多组开关电源105。
参照图3和图4，机箱1的电路区15设置有真空电磁阀106，用于控制真空泵对捕集阱31进行抽真空，机箱1的气路区14设置有用于检测捕集阱31内真空度的真空硅109。结合图8所示，空气进样口115与第一多位多通阀5之间的管路上设有颗粒物过滤器和引流泵108，空气进样口115与采样泵9之间还通过润洗管路200相连接，润洗管路200上设有润洗路电磁阀107，第一多位多通阀5也与润洗路电磁阀107相连通。
其实施原理如下：在每次检测前，将空气/内标/外标/离线样品按照设定通过第一多位多通阀5的切换，先通过VOCs预浓缩处理组件内部的管路，先不经过除水阱35，切换润洗路电磁阀107直接从采样泵9排出，从而用于清洗第一多位多通阀5之前的管路，让待测气体充满管路，为之后的样品采集做准备，进而提高了后续检测的精准可靠性。
本申请中利用各个监测元件，可以实时监测及调整采样时的除水温度、捕集温度及解析温度等，通过与计算机相连达到自动控制的目的；测温元件具有抗氧性及耐腐蚀性好、强度高、无磁性、不易软化等特点，长期使用过程中，不变形。
本实施例中还提供的一种环境监测仪器中的VOCs预浓缩处理方法，采用上述的VOCs预浓缩组件对VOCs进行预浓缩处理，捕集管道33分为GC-FID管路331和GC-MS管路332，连接管道7在进入除水阱35之前的位置分为两路并分别与GC-FID管路331和GC-MS管路332相连接，连接管道7与GC-FID管路331连接的支路上设有CO2去除管8，该处理方法包括以下步骤：
S0：样品润洗：空气/内标/外标/离线样品按设定通过第一多位多通阀5的切换先通过VOCs预浓缩组件内部的管路，不经过除水阱35，切换润洗路电磁阀107直接从采样泵9排出，用于清洗第一多位多通阀5之前的管路，使得待测气体充满管路，为之后的样品采集做准备；
S1：样品采集：空气/内标/外标/离线样品通过第一多位多通阀5的切换，待测气体会先通过除水阱35进行低温除水处理，待测气体中的水汽利用除水阱35的低温凝结在除水阱35的管壁中；进入GC-FID管路331中的待检测气体还需要经过CO2去除管8去除CO2；CO2去除管8去除CO2等干扰气体。从而有效去除待测样本中的碳元素，避免碳元素在后续检测中影响最终的检测结果；
S2：冷冻捕集：待测气体经过除水处理后进入捕集阱31，捕集阱31中温度会低至-150°C以下，待测气体经过时气体中包含的VOCs冻结在捕集阱31管壁内，其余气体通过采样泵9排出；
S3：加热解析：加热捕集阱31至100℃以上，将待测样本气化；切换第二多位多通阀6的换向挡位，使得氮气和氦气分别通过各自对应的捕集阱31的捕集管道33中，氮气和氦气作为载气将捕集阱31内捕集到的预浓缩待测样本送入后端检测仪器内；
S4：GC-MS/FID分析：待测样本进入GC-MS对样本进行最终分析；
S5：加热反吹：加热除水阱35和捕集阱31，氮气反向吹入VOCs预浓缩组件的管路中，经过捕集阱31、除水阱35、第一多位多通阀5，再通过采样泵9吹出；加热反吹的目的是在经过一次进样后用氮气对整体管路进行一遍加热吹扫，清理设备内残留的物质，以免影响下一次测试，从而提高检测数据的精准可靠性。
其实施原理如下：本申请中对VOCs（挥发性有机物）的富集、解析主要是通过低温吸附 高温热解析过程来实现，这一过程包括两个步骤，第一步是将捕集阱31温度降至 150℃以下，将捕集部件与冷块32集成在一起，冷块32的冷量充分快速地传递至捕集部件，达到制冷温度后，捕集部件中的VOCs由气态转化为固态被吸附收集；第二步是将捕集阱31温度上升至100℃以上，VOCs被完全热解析并随即进入后续分析系统。高温热解析的温度可以是120℃。
本申请中各个管路采用惰化不锈钢管路，满足国标HJ1010-2018的要求，减少管壁对物质的吸附。
本申请中的VOCs预浓缩处理组件主要对VOCs（挥发性有机物）进行预浓缩处理，整个系统采用超低温冷冻捕集方法，利用捕集管道33空管冷冻捕集技术，可以连续自动测量一百多种挥发性有机物，测量对象涵盖了烃类、卤代烃和含氧挥发性有机物等，具有响应时间快，灵敏度高等特点，适用于光化学烟雾监测、城市空气复合污染成因研究等。本申请中的VOCs预浓缩处理组件运用于大气挥发性有机物连续监测仪器中，其全面满足制冷温度要求，结合气相色谱/质谱法检测大气挥发性有机化合物VOCs的参数，为雾霾和PM2.5的治理提供数据依据和解决方案，同时可以用于实验室离线检测VOCs。
本申请中使用小功率热声制冷机的原理进行制冷，同时对现有的小功率热声制冷机进行优化改进，在有限制冷量的前提下实现超低温完全捕集、多通道制冷等问题。相比压缩机制冷体型更小，更容易搬运。相比液氮制冷运维更方便，成本更低。相比半导体制冷，制冷温度更低。同时解决了使用吸附剂导致的热脱附不完善等干扰问题；本申请中采用电制冷机2制冷，保证捕集管道33的温度可达-150℃以下，实现对目标化合物的完全捕集，替代了一些预浓缩装置中的液氮制冷剂，使系统能够适应各种监测环境；加热装置34可在10秒内快速加热至除水、解析样品等过程所需要的温度，保证干扰物去除，目标化合物被迅速解析、进样，达到良好的分离效果。
本具体实施方式的实施例均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，其中相同的零部件用相同的附图标记表示。故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种环境监测仪器中的VOCs预浓缩处理组件，包括机箱(1)，其特征在于，所述机箱(1)内设置有电制冷机(2)、VOCs捕集装置(3)和保温箱(4)；
所述VOCs捕集装置(3)包括除水阱(35)和捕集阱(31)，所述捕集阱(31)内设置有冷块(32)，所述冷块(32)上环绕有至少两组捕集管道(33)，所述捕集阱(31)内环绕所述捕集管道(33)还设有加热装置(34)；所述电制冷机(2)上的冷头伸入所述捕集阱(31)内并与所述冷块(32)相贴靠；
所述机箱(1)内还分别设有第一多位多通阀(5)和第二多位多通阀(6)；
所述机箱(1)上分别设有外标接口(112)、离线接口(113)、内标接口(114)和空气进样口(115)，所述外标接口(112)、离线接口(113)、内标接口(114)和空气进样口(115)分别与所述第一多位多通阀(5)相连通；所述第一多位多通阀(5)与所述捕集管道(33)的一端之间通过连接管道(7)相连通且该连接管道(7)穿过所述除水阱(35)；
所述捕集管道(33)的另一端连接有采样泵(9)和出气接头(116)；
所述机箱(1)上设有用于连接惰性气体气源的惰性气体连接接头(117)，所述第二多位多通阀(6)分别与所述惰性气体连接接头(117)以及所述捕集阱(31)内的捕集管道(33)相连接；
第一多位多通阀(5)和第二多位多通阀(6)的阀头以及所述加热装置(34)的加热接头均位于所述保温箱(4)内；
所述空气进样口(115)与所述第一多位多通阀(5)之间的管路上设有颗粒物过滤器和引流泵(108)，所述空气进样口(115)与所述采样泵(9)之间还通过润洗管路(200)相连接，所述润洗管路(200)上设有润洗路电磁阀(107)，所述第一多位多通阀(5)也与所述润洗路电磁阀(107)相连通；
所述捕集管道(33)为两组且分别为GC-FID管路(331)和GC-MS管路(332)，所述惰性气体连接接头(117)为两组且分别用于连接氮气气源的第一连接接头(1171)和用于连接氦气气源的第二连接接头(1172)；所述第一连接接头(1171)与所述GC-FID管路(331)相连接，所述第二连接接头(1172)与所述GC-MS管路(332)相连接；
所述连接管道(7)在进入所述除水阱(35)之前的位置分为两路并分别与所述GC-FID管路(331)和GC-MS管路(332)相连接，所述连接管道(7)与所述GC-FID管路(331)连接的支路上设有CO2去除管(8)，所述CO2去除管(8)位于所述除水阱(35)和捕集阱(31)之间。
2.根据权利要求1所述的一种环境监测仪器中的VOCs预浓缩处理组件，其特征在于，所述机箱(1)内固设有水平隔板(11)和竖向隔板(12)，所述竖向隔板(12)设置在所述水平隔板(11)的下方位置，所述机箱(1)内位于水平隔板(11)的上方空间为捕集区(13)，所述机箱(1)内位于水平隔板(11)的下方且位于竖向隔板(12)的一侧为电路区(15)，所述机箱(1)内位于水平隔板(11)的下方且位于竖向隔板(12)的另一侧为气路区(14)；
所述电制冷机(2)、VOCs捕集装置(3)和保温箱(4)均设置在所述捕集区(13)内，所述采样泵(9)、引流泵(108)、第一多位多通阀(5)和第二多位多通阀(6)设置在所述气路区(14)，所述第一多位多通阀(5)和第二多位多通阀(6)的阀头伸入到捕集区(13)内的保温箱(4)内；所述气路区(14)内还设有若干个用于监测各个管路内气体流量的流量计(100)和用于调节惰性气体进入量的调节阀(101)；所述电路区(15)内设置有主控板(102)、变压器(103)、测温板(104)和多组开关电源(105)。
3.根据权利要求1所述的一种环境监测仪器中的VOCs预浓缩处理组件，其特征在于，所述保温箱(4)采用双层铝板制成且双层铝板之间还设有聚氨酯泡沫保温层；所述保温箱(4)的一侧固设有扰流风扇(41)，所述扰流风扇(41)朝向所述保温箱(4)设置且能够扰动所述保温箱(4)内的气流。
4.根据权利要求1所述的一种环境监测仪器中的VOCs预浓缩处理组件，其特征在于，所述机箱(1)的一侧固设有电源开关(18)；所述机箱(1)的另一侧分别设有工作指示灯(16)和加热开关(17)，所述机箱(1)的侧面还开设有通风口(19)。
5.一种环境监测仪器中的VOCs预浓缩处理方法，采用上述权利要求1至4中任意一项的VOCs预浓缩处理组件对VOCs进行预浓缩处理，其特征在于，所述处理方法包括以下步骤：
S1：样品采集：空气/内标/外标/离线样品通过第一多位多通阀(5)的切换，待测气体会先通过除水阱(35)进行低温除水处理，待测气体中的水汽利用除水阱(35)的低温凝结在除水阱(35)的管壁中；
S2：冷冻捕集：待测气体经过除水处理后进入捕集阱(31)，捕集阱(31)中温度会低至-150°C以下，待测气体经过时气体中包含的VOCs冻结在捕集阱(31)管壁内，其余气体通过采样泵(9)排出；
S3：加热解析：加热捕集阱(31)至100℃以上，将待测样本气化；切换第二多位多通阀(6)的换向挡位，使得氮气和氦气分别通过各自对应的捕集阱(31)的捕集管道(33)中，氮气和氦气作为载气将捕集阱(31)内捕集到的预浓缩待测样本送入后端检测仪器内；
S4：GC-MS/FID分析：待测样本进入GC-MS对样本进行最终分析；
S5：加热反吹：加热除水阱(35)和捕集阱(31)，氮气反向吹入VOCs预浓缩组件的管路中，经过捕集阱(31)、除水阱(35)、第一多位多通阀(5)，再通过采样泵(9)吹出。
6.根据权利要求5所述的一种环境监测仪器中的VOCs预浓缩处理方法，其特征在于，在上述步骤S1之前，还具有步骤S0：样品润洗：空气/内标/外标/离线样品按设定通过第一多位多通阀(5)的切换先通过VOCs预浓缩组件内部的管路，不经过除水阱(35)，切换润洗路电磁阀(107)直接从采样泵(9)排出，用于清洗第一多位多通阀(5)之前的管路，使得待测气体充满管路，为之后的样品采集做准备。
7.根据权利要求6所述的一种环境监测仪器中的VOCs预浓缩处理方法，其特征在于，捕集管道(33)分为GC-FID管路(331)和GC-MS管路(332)，连接管道(7)在进入除水阱(35)之前的位置分为两路并分别与GC-FID管路(331)和GC-MS管路(332)相连接，连接管道(7)与GC-FID管路(331)连接的支路上设有CO2去除管(8)，在上述步骤S1中，进入GC-FID管路(331)中的待检测气体还需要经过CO2去除管(8)去除CO2。
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