CN201277963Y - 雪冰中有机碳及黑碳分析前处理装置 - Google Patents

Abstract

一种雪冰中有机碳及黑碳分析前处理装置，设置于一气相色谱仪之前，包括：一气体管线，其一端连接一玻璃套管，该玻璃套管的另一端插设连接在密封连接件的一端口内，该密封连接件的另一端口内插设连接一石英加热管，密封连接件侧面开设一进样口，该进样口与一密封螺栓螺合；一石英舟，该石英舟带有一石英棒，该石英棒插设在玻璃套管内，该石英舟可往返活动于密封连接件和石英加热管中；该石英棒的另一端固定一磁环，在玻璃套管上可移动地套设一磁环；石英加热管为一粗端和一细端，石英加热管的粗端置于两个管状炉内，其粗端的端口插设在密封连接件内，石英加热管的细端置于催化炉内；其细端的端口通过一组方向控制阀及分子筛柱与气相色谱仪连接。

Description

雪冰中有机碳及黑碳分析前处理装置

技术领域

本实用新型涉及一种雪冰中碳质气溶胶的分析装置，具体地涉及一种雪冰中有机碳(OC)及黑碳(BC)分析前处理装置。

背景技术

雪冰中碳质气溶胶的检测方法是由大气碳质气溶胶的检测方法发展而来的。目前，国际上尚无公认的标准测试方法，迄今为止，尽管有很多方法用来测试大气碳质气溶胶的含量，但归纳起来，常用的方法有三种：光学方法、热学方法和光热结合法。光学方法是指利用光学原理进行气溶胶含碳物质测定的方法；热学方法是利用有机碳与黑碳在不同温度下燃烧产生CO₂而达到分离和检测的目的；光热结合法是指将热分析测定法与光学测定法结合起来，更为准确地测定颗粒物中含碳物质的方法。

光学方法中最常见的是商品化的黑碳仪，是由美国玛基科技公司(Magee Scientific Co.，USA)生产的一种可以实时监测大气中黑碳气溶胶浓度的仪器。仪器观测采用透光均匀的石英纤维膜采集大气气溶胶样品，通过滤膜的光透射强度来判断黑碳的量(参阅Hansen A D A，Rosen H andNovakov T.The aethalometer-An instrument for the real-time measurementof optical absorption by aerosol particles.The Science of The TotalEnvironment，1984，36：191-196.)。作为一种能够实时监测的仪器，黑碳仪具有测定时间短、操作容易等特点。但黑碳仪也存在一些需要改进的方面，主要问题是黑碳浓度与光透射度之间的经验转换系数的取值，不同地区的气溶胶、不同的黑碳仪，经验转换系数可能相差很大。此外，该方法认为黑碳是唯一的吸光物质，有黑碳以外的吸光物质及其它光散射物质(如有机物、硫酸盐等)存在时，分析误差也较大(参阅Hansen A D A and Novakov T.Real-time measurement of aerosol black carbon during the carbonaceousspecies methods comparison study.Aerosol Science and Technology，1990，12(1)：194-199；Pakkanen T A，Kerminen V M，Ojanen C H，et al.Atmosphericblack carbon in Helsinki.Atmospheric Environment，2000，34(9)：1497-1506.)。另外，光学方法只能检测碳质气溶胶中的黑碳含量。

热学方法是基于碳燃烧生成CO₂或CH₄，通过检测CO₂或CH₄含量来分析样品中有机碳和黑碳的含量。尽管热学方法的具体分析手段不尽相同，但它们都是基于相同的原理，即，将已采样的石英滤膜置于反应器中，在惰性气体或有氧条件下程序加热，不同的含碳物质会在不同的温度、不同的气氛条件下发生挥发、氧化、热解及分解等过程。有机碳成分可在温度300℃-350℃时挥发，它可以被催化氧化成CO₂，或分解成CH₄，然后分别利用非散射红外分析仪或火焰离子化检测器可直接测定CO₂或CH₄的量；而黑碳成分只能在温度400℃-850℃范围内和有氧条件下被氧化成CO₂，同样利用上面所提到的检测方法检测CO₂的量，最终换算得到滤膜中不同类型含碳物质的量，从而获得有机碳和黑碳气溶胶的环境浓度(参阅Tanner R L.Gaffney J S and Phillips M F.Determination of organic andelemental carbon in atmospheric aerosol samples by thermal evolution.Analytical Chemistry，1982，54(9)：1627-1630；Cachier H，Bremond M-P，Buat-Ménard P.Determination of atmosphere soot carbon with a simplethermal method.Tellus，1989，41B(3)：379-390；Avino P，Brocco D and LeporeL.Determination of atmospheric organic and elemental carbon particle inRome with a thermal method.Analytical Letters，2001，34(6)：967-974)。热学方法可以同时测量样品中有机碳和黑碳成分以及它们在大气气溶胶中所占比例，但热学测量方法中最大的问题是在分离过程中会发生部分有机碳向黑碳的转化，造成较大的分析误差。

光热结合法是国际上使用最多、较为成熟的大气气溶胶含碳物质分析方法。根据所利用的光学原理不同，可分为热反射法(thermal/opticalreflection，简称TOR)及热透射法(thermal/optical transmission，简称TOT)。虽然TOR法和TOT法实验原理基本相同，所测得的总碳量也大致相当，但测得的黑碳量却相差很大(参阅Sharma S，Brook J R，Cachier H，et al.Light absorption and thermal measurements of black carbon in differentregions of Canada.Journal of Geophysical Research，2002，107(D24)：4771；Chow J C，Watson J G，Crow D，et al.Comparison of IMPROVE and NIOSHcarbon measurements.Aerosol Science and Technology，2001，34：23-34)，这是因为二者的光学校正不同和升温程序不同所造成的。

黑碳是大气气溶胶中常见的成分，是含碳物质不完全燃烧的产物，一般占大气中气溶胶质量浓度的20％左右。但是，黑碳却是大气气溶胶中重要的组成成分，因其特殊的性质，无论在大气辐射、气候学、云物理学、环境学，还是毒物学等领域中都具有重要的意义，因而黑碳气溶胶的研究引起了科学工作者的极大重视。

大气中黑碳气溶胶对地球能量平衡和气候变化有着重要的影响。一方面，黑碳颗粒可以强烈吸收包括红外和可见光波段的太阳辐射，对其周围空气加热从而对大气有增温效应；另一方面，黑碳颗粒沉降到雪冰表面，降低了雪面的反射能力，增强了对太阳辐射的吸收，从而加剧了全球冰川、海冰的退缩和积雪消融，并引起一系列的气候环境效应。

尽管黑碳为各种化学反应提供了一个合适的界面，但是它本身并不参与反应，可以保持数千年稳定，由于这一特殊优势，雪冰中的黑碳就可为古气候、古环境研究提供宝贵的信息。随着人们对气候变化的日益关注，寻找作用于环境的人类活动方面的因素就非常必要，储存于现代雪冰中的黑碳就是这样一个重要因子。欧美国家在20世纪80年代初就开始表层雪样中黑碳的提取分析研究，90年代开展冰芯中黑碳的研究，已取得一定的研究成果。实际上，雪冰中黑碳含量的分析测试存在很大的困难，如取样及样品处理过程中引起的污染、分析方法的不成熟等，为雪冰黑碳的研究造成了极大的障碍。目前已取得的数据非常零散，且不连续，还无法开展相关的气候变化对比研究。IPCC第四次评估报告指出，沉降在雪面上的黑碳引起的辐射强迫平均值为0.1±0.1W/m²，但报告也承认对该辐射强迫的科学认知水平还较低。

在现有技术中，还没有找到一种十分有效的、统一的方法来测试不同介质中碳质气溶胶的含量。对雪冰这一特殊介质而言，除黑碳以外雪冰中还含有其它较多的吸光物质和光散射物质，极易干扰以光的透射率和反射率的变化来判断有机碳和黑碳的分界点，因此不适合用光学方法和光热结合法测定雪冰中碳质气溶胶含量。而以往的热学方法采用程序升温，在氦气的非氧化环境下逐级升温过程中，会有部分有机碳被碳化，同时，对于升温程序还存在较大争议。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种雪冰中有机碳(OC)及黑碳(BC)分析前处理装置，以提高有机碳及黑碳的分析准确度。

为实现上述目的，本实用新型提供的雪冰中有机碳及黑碳分析前处理装置，设置于一气相色谱仪之前，其包括：

一气体管线，其一端连接一玻璃套管，该玻璃套管的另一端插设连接在密封连接件的一端口内，该密封连接件的另一端口内插设连接一石英加热管；

一石英舟，该石英舟带有一石英棒，该石英棒插设在玻璃套管内，该石英舟可活动于密封连接件和石英加热管中；该石英棒的另一端固定一磁环，在玻璃套管上可移动地套设一磁环；

石英加热管为一粗端和一细端，石英加热管的粗端置于两个管状炉内，其粗端的端口插设在密封连接件内，石英加热管的细端置于催化炉内；其细端的端口连接一四通阀；

密封连接件侧面开设一进样口，该进样口与一密封螺栓螺合；

该四通阀连接有两个六通阀，并通过该两个六通阀分别与两个分子筛柱连接，再通过两个六通阀与气相色谱仪连接；

在两个分子筛柱的下方各设置一加热装置。

所述的雪冰中有机碳及黑碳分析前处理装置，其中，密封连接件为不锈钢密封连接件。

所述的雪冰中有机碳及黑碳分析前处理装置，其中，密封连接件与玻璃套管和石英加热管的插设连接处设有铟丝，通过中空螺栓固定。

所述的雪冰中有机碳及黑碳分析前处理装置，其中，中空螺栓与铟丝之间设有不锈钢环。

所述的雪冰中有机碳及黑碳分析前处理装置，其中，密封连接件侧面的进样口与密封螺栓之间设有一硅橡胶环。

所述的雪冰中有机碳及黑碳分析前处理装置，其中，气体管线连接一质量流量计。

所述的雪冰中有机碳及黑碳分析前处理装置，其特征在于，加热装置为可移动竖井炉。

本实用新型的效果是：

1、随着人们对因人类活动引起气候变化的关注程度的加强，需要确定人与环境相互作用的相关示踪物的自然背景及其自然变化过程，以及人类活动的影响历史，冰芯及表层雪中黑碳浓度的对比分析可以为人类提供一个适合追踪人类活动排放历史的示踪物。由于山地冰川的雪冰中含有较多的粉尘物质，不适合用光学分析方法。利用本实用新型分离和提取雪冰中有机碳和黑碳的含量，从最基础的层面上解决因观测数据不足而阻碍学科发展的问题，也为深入研究黑碳与气候变化的关系奠定了基础。

2、整个热解氧化过程在恒定流速的纯氧环境下进行，使得有机碳和黑碳能够快速有效的氧化成CO₂；可以尽可能减少升温过程中有机碳的碳化。在这种最佳组合条件下进行的热分析可以尽可能的避免两种现象的发生，即有机物的碳化和黑碳的丢失。不仅适用于雨水和雪冰样品中黑碳浓度的测试，同样也适合于各种环境条件下大气样品中有机碳和黑碳浓度的测试。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是图1中不锈钢密封连接件的正剖视图。

图3是图1中不锈钢密封连接件的正视图，显示了进样口所在位置。

图4是石英加热管的示意图，显示了其具有的粗端和细端。

图5a显示了石英舟置于石英加热管中的情况；图5b是石英棒连接石英舟的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型再作进一步的说明。需要说明的是，以下的描述只是作为例子，而不是用于限制本实用新型的范围

本实用新型的雪冰中有机碳及黑碳分析的前处理装置，是由质量流量计1，管状炉2，3、CuO催化炉4、带有石英棒的石英舟5、玻璃套管6、石英加热管7、带进样口的不锈钢密封连接件8、密封件9，10，11、不锈钢环12，13、螺栓14，15，16、磁环17，18、四通阀19、六通阀20，21，22，23、5A分子筛柱24，25、加热装置26，27(该加热装置可采用可移动竖井炉)组成。装有质量流量计1的气体管线的一端连接内径为10mm的玻璃套管6，该玻璃套管6的另一端插设固定在一不锈钢材料的密封连接件8的一端口内，该密封连接件8的一侧面开设有一进样口，该进样口为带螺纹的阶梯状凹槽，外圈

为32mm，内圈

为20mm，以粗细为3mm的硅橡胶环10作为密封件(因视图角度的关系而未显示出)，用螺栓15拧紧密封。该密封连接件8的另一端口内插设固定有石英加热管7；密封连接件8的尺寸为100×45×45mm，材料为316L不锈钢。该密封连接件8的两个端口内设有内螺纹，分别以中空螺栓14，16，不锈钢环12，13，密封件9，11进行密封固定，密封件是

为2mm的铟丝。

该石英加热管7的长为1600mm，壁厚2mm，其一端为粗端，另一端为细端；粗端插设固定在密封连接件8内，该粗端的长度为1100mm，内径为18mm，纵向贯穿两管状炉2，3的炉膛。两管状炉2，3间隔200mm；石英加热管的细端长500mm，内径为8mm，纵向贯穿催化炉4的炉膛；石英加热管7的细端通过气体管线与四通阀19相连，再通过六通阀20、21分别与分子筛柱24、25相连接；最后经过六通阀23及气体管线与气相色谱仪连接。

石英舟5连接的石英棒置于玻璃套管6内，石英舟5则置于该不锈钢密封连接件8的进样口处并可活动于密封连接件8和石英加热管7中。

置于玻璃套管6内的石英棒的端头处固定一磁环17，在玻璃套管6上可移动地套有一磁环18。在实际操作时，移动玻璃套管6上的磁环18，玻璃套管6内的石英棒上的磁环17受该磁环18的作用而进行移动，使石英舟5在密封连接件8和石英加热管7中作往返动作。

具体操作程序是，在-20℃的低温室中，将冰芯自塑料包装袋中取出，用带剧将外径为95mm冰芯沿纵向切开，选取其中一份作为样品。将样品最外层约10mm厚用洁净手术刀削去，以确保表面任何污染物被清除。将切削好的冰芯样品精确称重，样品的重量一般为0.6-1.0kg。冰芯样品在室温下自然融化后，立即过滤。采用直径为10mm的石英滤膜来过滤样品。石英滤膜事先在800℃高温的马弗炉中加热两个小时，最大可能减少滤膜上的污染。过滤好的滤膜，用0.5μL浓度为0.1M的稀HCl分3次浸润，以清除滤膜上碳酸盐颗粒物。滤膜放置于玻璃真空干燥器内晾干，然后装入洗好的小玻璃容器中密封储存。

首先从密封连接件8的进样口处将滤膜放置在石英舟上，以密封件10和紧螺栓15密封进样口。接通高纯氧气流a，向玻璃套管6通入高纯氧气，将玻璃套管6、石英管7、密封连接件8、四通阀19、六通阀20、分子筛柱24及管线中空气吹扫放空，氧气流速控制在200ml/min；同时接通高纯氦气流b和c，流速为30ml/min，吹扫六通阀21，23、分子筛柱25及气体管线中的空气。

待空气全部吹扫完毕，接通两个管状炉2，3及催化炉4电源，炉温分别设置为340℃、650℃和850℃，当所有的炉温达到设定值后，滑动磁环18以拉动石英舟5，将石英舟5推入管状炉3中，闪烧1min，随后拉到管状炉2中燃烧40min，此时产生的CO₂为有机碳的燃烧产物，剩下的是黑碳。CO₂和O₂混合气体流经四通阀19(①→④)、六通阀20(④→⑤)、分子筛柱24、六通阀20(②→③)后排空，CO₂富集在分子筛柱24中。有机碳完全燃烧后，切换四通阀19

六通阀21 然后将石英舟推到管状炉3燃烧30min，此时，黑碳被完全氧化成CO₂，CO₂和O₂混合气体流经四通阀19(①→②)、六通阀21(④→⑤)、分子筛柱25、六通阀21(②→③)后排空，CO₂富集在分子筛柱25中。与此同时，氦气流b流经四通阀19(③→④)、六通阀20(④→⑤)、分子筛柱24、六通阀20(②→③)后排空，目的是吹扫分子筛柱24及管线中O₂；持续吹扫5min后，切换六通阀20

氦气流c流经六通阀23(①→⑥)、六通阀20(⑥→⑤)、分子筛柱24、六通阀20(②→①)、六通阀21(⑥→①)、六通阀23(⑤→④)，分子筛柱24在加热装置26上快速加热至200℃的条件下，所富集的CO₂进行脱附，随氦气流进入气相色谱仪进行后续分析得出样品中有机碳含量。

滤膜中的黑碳被完全氧化为CO₂后，切换四通阀19六通阀20

氦气流b流经四通阀19(③→②)、六通阀21(④→⑤)、分子筛柱25、六通阀21(②→③)后排空，目的是吹扫分子筛柱25及管线中O₂；吹扫持续5min后，切换六通阀21

氦气流c流经六通阀23(①→⑥)、六通阀20(⑥→①)、六通阀21(⑥→⑤)、分子筛柱25、六通阀21(②→①)、六通阀23(⑤→④)，分子筛柱25在加热装置27上快速加热至200℃的条件下，所富集的CO₂进行脱附，随氦气流进入气相色谱仪进行后续分析得出样品中黑碳含量。

Claims (7)

1、一种雪冰中有机碳及黑碳分析前处理装置，设置于一气相色谱仪之前，其特征在于，包括：

一气体管线，其一端连接一玻璃套管，该玻璃套管的另一端插设连接在密封连接件的一端口内，该密封连接件的另一端口内插设连接一石英加热管；

一石英舟，该石英舟带有一石英棒，该石英棒插设在玻璃套管内，该石英舟可往返活动于密封连接件和石英加热管中；该石英棒的另一端固定一磁环，在玻璃套管上可移动地套设一磁环；

石英加热管为一粗端和一细端，石英加热管的粗端置于两个管状炉内，其粗端的端口插设在密封连接件内，石英加热管的细端置于催化炉内；其细端的端口连接一四通阀；

密封连接件侧面开设一进样口，该进样口与一密封螺栓螺合；

该四通阀连接有两个六通阀，并通过该两个六通阀分别与两个分子筛柱连接，再通过两个六通阀与气相色谱仪连接；

在两个分子筛柱的下方各设置一加热装置。

2、如权利要求1所述的雪冰中有机碳及黑碳分析前处理装置，其特征在于，密封连接件为不锈钢密封连接件。

3、如权利要求1所述的雪冰中有机碳及黑碳分析前处理装置，其特征在于，密封连接件与玻璃套管和石英加热管的插设连接处设有铟丝，通过中空螺栓固定。

4、如权利要求3所述的雪冰中有机碳及黑碳分析前处理装置，其特征在于，中空螺栓与铟丝之间设有不锈钢环。

5、如权利要求1所述的雪冰中有机碳及黑碳分析前处理装置，其特征在于，密封连接件侧面的进样口与密封螺栓之间设有一硅橡胶环。

6、如权利要求1所述的雪冰中有机碳及黑碳分析前处理装置，其特征在于，气体管线连接一质量流量计。

7、如权利要求1所述的雪冰中有机碳及黑碳分析前处理装置，其特征在于，加热装置为可移动竖井炉。

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