CN1776405A - 一种在线大气汞分析仪 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种在线大气汞分析仪，其特征在于：它包括气路部件和电路部件；所述气路部件主要包括通过管路连接的采样泵、汞吸附管、汞去除管、检测器、电磁阀、限流管和过滤器；在第一、第二电磁阀之间连接所述汞吸附管，在第二、第三所述电磁阀之间连接第一限流管，在第三、第四电磁阀之间连接所述采样泵和汞去除管，在第四、第一电磁阀之间连接第二限流管；所述电路部件主要包括：电路控制部件及设置在所述汞吸附管外部的加热装置和冷却装置，所述电路控制部件为单片机，通过单片机控制的继电器，所述继电器分别控制所述加热装置、冷却装置和四个电磁阀。本发明不仅可用于科研院所进行科学研究，而且能用于环境检测机构、厂矿企业进行空气污染的检测，还可以应用于政府部门的常规监测。

Description

一种在线大气汞分析仪
技术领域
本发明涉及一种分析仪器，特别是关于一种在线大气汞分析仪。
背景技术
汞是大气中危害健康的主要污染物之一，自八十年代以来，人们对环境汞的测定方法进行了大量研究并取得了一些成果。大气中汞的浓度很低，且比潜在的干扰物质低好几个数量级，不能直接进行测定，因此要求在测定前对样品进行预分离和富集，并且要求分析方法具有很高的准确性和可靠性。
在现有的各种测汞分析方法中，最为常用且灵敏度较高的是冷原子吸收光谱法(CVAAS)和冷原子荧光光谱法(CVAFS)，相应的样品采集方法有“化学法”和“汞齐化法”两大类。化学法也分溶液吸收法和固体吸附法，溶液吸收法是用含强氧化剂的溶液(如H2SO4-KMnO4、HI-I2、KI-I2等吸收体系)吸收大气中的汞，经还原后进行测量，一般测的是总汞的浓度。固体吸附法则是用固体吸附剂(如巯基棉、碘化活性炭、硫化活性炭、浸渍氯化铜活性炭等)吸附大气中的汞，经消解还原后进行测量。
汞齐化法是用贵金属如金、银或者镀金、镀银的载体(如镀金细砂，镀金玻璃珠等)来吸附空气中的汞，汞与金或银形成汞齐而被收集下来，之后在一定温度下加热解吸，进行测量。该法对大气汞有很高的收集效率，且操作简便，吸附剂可重复使用，灵敏度高，是目前应用最广的分离富集大气中汞的方法。
以往对大气汞的测定多针对总汞进行，而汞在大气中可划分为两种形态：气态汞(以Hg0、CH3-Hg、C2H5-Hg为主)和颗粒汞(以HgS、尘埃吸附汞为主)。不同形态的大气汞对环境的危害性及其在环境中的迁移转化特性是不同的，因此，测定不同形态的大气汞具有重要意义。
国外在大气汞测量方法的研究中一直走在前列，目前也有商品化的仪器问世，专门用来测大气中不同形态汞的浓度。如加拿大Tekran(泰克伦)公司的产品，采用金汞齐化和冷原子荧光法，已经能比较好的在线测量环境大气中超低浓度的汞，并在很多领域得到了广泛应用。但国外的大气汞在线分析仪虽然已能较好的在线测量环境大气中超低浓度的汞，由于需要用钢瓶载气，且一般都是用价格昂贵的氩气，使得不仅仪器昂贵，且仪器附属部件多，不适用于野外长期观测或者灵活多变的现场分析。
我国对大气中汞污染的研究起步较晚，国内也没有任何在线分析仪器可用于大气中汞的监测分析，目前国内对大气汞的研究，通常是采用在野外手动采样，实验室后续分析的方式。采集气态汞需要经历很长的采样时间，通常从24小时到一周，采完的样品封存之后再带到实验室分析，耗时很长。这种方式会带来很大的误差，包括试剂空白、运输空白、野外空白、实验室空白等一系列误差，导致测得的数据很难有说服力，特别是在背景地区的测量可能导致完全错误的结果。并且无法获得长期连续的观测数据，从而造成对大气汞污染研究的滞后。
发明内容
针对上述问题，本发明的主要目的在于提供一种在线大气汞分析仪，其可在线连续监测，便于携带，且具有高灵敏度。
为达到上述目的，本发明采取以下技术方案：一种在线大气汞分析仪，其特征在于：它包括气路部件和电路部件；所述气路部件主要包括通过管路连接的采样泵、汞吸附管、汞去除管、检测器、电磁阀、限流管和过滤器；在第一、第二电磁阀之间连接所述汞吸附管，在第二、第三所述电磁阀之间连接第一限流管，在第三、第四电磁阀之间连接所述采样泵和汞去除管，在第四、第一电磁阀之间连接第二限流管；所述第二、第三电磁阀分别连接所述检测器和过滤器，所述第一电磁阀连接一采样管，所述第四电磁阀的第三个口排空；所述电路部件主要包括：电路控制部件及设置在所述汞吸附管外部的加热装置和冷却装置，所述电路控制部件为单片机，通过单片机控制的继电器，所述继电器分别控制所述加热装置、冷却装置和四个电磁阀。
所述检测器为紫外检测器，其包括光源、光源透镜、激发池、透镜、光电倍增管及荧光池，所述光源辐射的光线经所述光源透镜汇聚到所述激发池，使汞蒸气在所述激发池受激辐射产生的荧光，经所述透镜汇聚后被光电倍增管接收。
所述光源和光源透镜形成的入射光路与所述光电倍增管形成的接收光路呈垂直。
所述光源采用辐射波长为253.7nm的低压汞灯。
所述加热装置为缠绕在所述汞吸附管外周的电热炉丝。
所述冷却装置为风扇。
连接各部件的管路为聚四氟乙烯管和聚四氟乙烯接头。
所述管路为聚四氟乙烯管和聚四氟乙烯接头。
所述单片机通过RS-232串行接口连接一计算机。
本发明由于采用以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明装置采用目前最为认可且通用的纯金预富集分离大气中的气态汞，通过加热解吸之后，用冷原子荧光光谱分析汞含量，因此检测分析灵敏度高，不受正负误差的干扰，有效的保证了分析结果稳定可靠。2、本发明的气路循环系统只用一个空气泵就实现了采样和载气输送两大功能，且直接采用净化后的泵出气作为载气，不但节约了使用氩气作为载气的成本，无需钢瓶载气，而且使本发明装置便携性大为提高，特别适合野外观测使用。3、本发明采用镀金细砂汞吸附管来采集气态汞，由于吸附管收集效率高，且检测限低，因此采样时间与以前相比大大缩短，短时间的采样能获得高时间分辨率的数据，配合冷原子荧光分析法，实现了野外在线连续监测的要求，能连续在线分析环境空气中超低浓度的气态总汞，并可常年连续运行，适合于研究汞的区域传输规律以及用受体模型确定汞的污染源。4、本发明的气路部分全部采用聚四氟乙烯管和聚四氟乙烯接头，并最大程度地缩短样品气和解吸气流的输送管路，保证了样品在采样和分析过程中的损失降到最低。5、在本发明的检测器中使光电倍增管的接收光路与光源的发射光路保持垂直，因此可以避免紫外光源的光进入光电倍增管造成的干扰，保证检测结果的准确性。6、将计算机控制引入本发明，可以使采样分析程序自动进行数据传输和控制，并根据不同的环境条件选择合适的测量参数(如采样时间，加热时间，加热温度等)，且运行成本低，采样分析以及数据输出由计算机自动执行，操作方便，用户界面友好，具有广泛的市场前景。本发明不仅可用于科研院所进行科学研究，而且能用于环境检测机构、厂矿企业进行空气污染的检测，还可以应用于政府部门的常规监测。
附图说明
图1是本发明的气路结构示意图
图2是本发明加热解吸装置的电路控制示意图
图3是本发明紫外检测器的结构示意图
具体实施方式
下面根据本发明的较佳实施例并配合附图对本发明进行详细说明。
本发明包括一外壳，在外壳内设置有气路部件和电路部件。
如图1所示，气路部件主要包括一个采样泵6、一个汞吸附管2、一个汞去除管7、一个检测器11、四个三通电磁阀1、3、5、8、两个限流管4、9和一个过滤器12。汞吸附管2连接在第一电磁阀1的C端与第二电磁阀3的C端之间，第一电磁阀1的NO连接一采样管；第二电磁阀3的NC端与检测器11连接，NO端连接第一限流管4；第一限流管4的另一端连接第三电磁阀5的NO端，第三电磁阀5的C端与NC端则分别连接采样泵6与过滤器12，采样泵6的出气端通过汞去除管7连接第四电磁阀8的C端，第四电磁阀8的NC端又通过第二限流管9与第一电磁阀1的NC端连接，第四电磁阀8的NO端为排空口。
上述气路实施例中，连接各气路部件的管路全部采用聚四氟乙烯管和聚四氟乙烯接头，并最大程度地缩短样品气和解吸气流的输送管路，保证了样品在采样和分析过程中的损失降到最低。其中汞吸附管2和汞去除管7可以自己制作，其制作方法为现有技术，在此不再赘述。
如图2所示，电路部件主要包括电路控制部件和加热解吸装置，加热解吸装置包括设置在汞吸附管2外面的加热装置10和冷却装置21。电路控制部件包括单片机19，与单片机19连接的继电器24、25、26，继电器24控制四个电磁阀1、3、5、8，继电器25控制加热装置10，继电器26控制冷却装置21。变压器20在单片机19的控制下为加热、冷却装置10、21供电。变压器20输出交流24伏电压，由于风扇和电磁阀的工作电压都是直流24伏，所以采用二整流桥22、23把交流电转变为直流电。单片机19通过I/O接口输出高电平，相继触发三个固态继电器24、25、26，实现整个分析过程。
上述电路实施例中，加热装置10可以是缠绕在汞吸附管2外周的电加热炉丝，冷却装置21可以是一风扇，单片机19型号可以是78E5，单片机19还可经RS-232串行接口与一外部的计算机相连接(图中未示出)，通过计算机控制的采样分析程序进行数据传输和对仪器进行控制。采样分析程序可以根据不同的环境条件选择合适的测量参数(如采样时间，加热时间，加热温度等)，以便获得理想的数据结果。
上述各实施例中，如图3所示，检测器11可以采用紫外检测器，其包括光源13、光源透镜14、激发池15、透镜16、光电倍增管17及荧光池18。光源13采用低压汞灯，其辐射波长主要为253.7nm。荧光池18采用铝材加工成型，并将内外壁全部进行发黑处理，以消除光的散射，降低干扰。光源13辐射的光线经光源透镜14汇聚到激发池15，汞蒸气在激发池15受激辐射，汞原子辐射产生的荧光经由透镜16汇聚被光电倍增管17接收。光电倍增管17将其转换成电信号，经放大、A/D转换后由单片机19进行数据处理。荧光池整个光路最关键的地方是使光电倍增管17的接收光路与光源13的发射光路保持垂直，即不使紫外光源13的光进入光电倍增管17，以避免干扰，保证检测结果的准确性。
本发明操作时，包括以下过程(如图1、图2、图3所示)：
1、采样过程，首先启动采样泵6，采样泵6在整个采样分析过程中，始终保持运转状态。此时单片机不输出I/O信号，电磁阀处于不通电状态，即采样气体从第一电磁阀1进入汞吸附管2，气态汞被吸附到装有镀金细砂的汞吸附管2上，使汞与金形成汞齐而被吸附下来，采样气体再通过第二电磁阀3、第一限流管4与第三电磁阀5进入采样泵6，再由采样泵6送入汞去除管7，最终通过第四电磁阀8的NO端排空。
2、吹洗过程，在分析过程开始前需要用载气对管路进行吹洗1分钟左右，使整个气路充满载气，以除去空气中的干扰物质。操作时，由单片机19输出一路高电平，触发固态继电器24，使电磁阀1、3、5、8转换成通电状态，空气经过滤器12过滤之后通过第三电磁阀5进入采样泵6，再依次经汞去除管7、第四电磁阀8、第二限流管9、第一电磁阀1和汞吸附管2，达到检测器11后排空。
3、热解吸过程，使电磁阀1、3、5、8保持通电状态，单片机19输出一路5伏高电平，触发固态继电器25，使电加热装置10工作，先是快速加热(保持输出5伏高电平)15s，使温度迅速上升到800℃，再用脉冲加热(以1秒的时间间隔交替输出5伏和0伏)在800℃维持45s，将汞吸附管2中加热解吸出来的汞蒸气，用60ml/min流量的载气通过第二电磁阀3带入紫外检测器11进行检测，检测后的气体由检测器11排出。
4、分析过程，与上述热解吸过程同时进行，在检测器11中汞原子在辐射波长为253.7nm光的辐射下受激到激发态，并在同一波长辐射出荧光，紫外检测器11在垂直的角度测定产生的荧光，光源13的光不能被光电倍增管17检测到，但汞蒸气产生的荧光能被光电倍增管17观测接收，其强度直接与汞的量成正比。
5、冷却过程，此时电磁阀1、3、5、8仍保持通电状态。热解吸过程结束后，停止输出用于加热的5伏高电平，而另外输出一路5伏高电平，触发固态继电器26，使冷却装置21对着电加热装置10吹3min左右，冷却到室温。
上述过程结束后，单片机19便停止输出所有的I/O信号，准备进入下一个采样分析周期。

Claims (15)

1、一种在线大气汞分析仪，其特征在于：它包括外壳、气路部件和电路部件；
所述气路部件主要包括通过管路连接的采样泵、汞吸附管、汞去除管、检测器、电磁阀、限流管和过滤器；
在第一、第二电磁阀之间连接所述汞吸附管，在第二、第三所述电磁阀之间连接第一限流管，在第三、第四电磁阀之间连接所述采样泵和汞去除管，在第四、第一电磁阀之间连接第二限流管；
所述第二、第三电磁阀分别连接所述检测器和过滤器，所述第一电磁阀连接一采样管，所述第四电磁阀的第三个口排空；
所述电路部件主要包括：电路控制部件及设置在所述汞吸附管外部的加热装置和冷却装置，所述电路控制部件为单片机，通过单片机控制的继电器，所述继电器分别控制所述加热装置、冷却装置和四个电磁阀。
2、如权利要求1所述的一种在线大气汞分析仪，其特征在于：所述检测器为紫外检测器，其包括光源、光源透镜、激发池、透镜、光电倍增管及荧光池，所述光源辐射的光线经所述光源透镜汇聚到所述激发池，使汞蒸气在所述激发池受激辐射产生的荧光，经所述透镜汇聚后被光电倍增管接收。
3、如权利要求2所述的一种在线大气汞分析仪，其特征在于：所述光源和光源透镜形成的入射光路与所述光电倍增管形成的接收光路呈垂直。
4、如权利要求2所述的一种在线大气汞分析仪，其特征在于：所述光源采用辐射波长为253.7nm的低压汞灯。
5、如权利要求3所述的一种在线大气汞分析仪，其特征在于：所述光源采用辐射波长为253.7nm的低压汞灯。
6、如权利要求1或2或3或4或5所述的一种在线大气汞分析仪，其特征在于：所述加热装置为缠绕在所述汞吸附管外周的电热炉丝。
7、如权利要求1或2或3或4或5所述的一种在线大气汞分析仪，其特征在于：所述冷却装置为风扇。
8、如权利6所述的一种在线大气汞分析仪，其特征在于：所述冷却装置为风扇。
9、如权利要求1或2或3或4或5或8所述的一种在线大气汞分析仪，其特征在于：连接各部件的管路为聚四氟乙烯管和聚四氟乙烯接头。
10、如权利要求6所述的一种在线大气汞分析仪，其特征在于：所述管路为聚四氟乙烯管和聚四氟乙烯接头。
11、如权利要求7所述的一种在线大气汞分析仪，其特征在于：所述管路为聚四氟乙烯管和聚四氟乙烯接头。
12、如权利要求1或2或3或4或5或8或10或11所述的一种在线大气汞分析仪，其特征在于：所述单片机通过RS-232串行接口连接一计算机。
13、如权利要求6所述的一种在线大气汞分析仪，其特征在于：所述单片机通过RS-232串行接口连接一计算机。
14、如权利要求7所述的一种在线大气汞分析仪，其特征在于：所述单片机通过RS-232串行接口连接一计算机。
15、如权利要求9所述的一种在线大气汞分析仪，其特征在于：所述单片机通过RS-232串行接口连接一计算机。
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