CN219399540U - 吸附部件、高低温构件及前处理装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种吸附部件、高低温构件及前处理装置，包括：吸附部件，以及在所述吸附部件内填充的用于吸附C2‑C30气相有机物的多种吸附剂，所述吸附剂从所述吸附部件的采样进气口到出气口依次为弱吸附剂、中等吸附剂、强吸附剂。本实用新型开发了一种适用于吸附部件采样的便携式高低温温度装置模块，可提供‑40℃低温捕集温度和320℃高温解析温度，并以气动驱动装置实现高低温模式的快速切换，既满足对大气低沸点有机物的‑40℃恒温富集也可保证高沸点粘性物质的高效率解析。

Description

吸附部件、高低温构件及前处理装置

技术领域

本实用新型属于环境监测技术领域，涉及一种吸附部件、高低温构件及前处理装置。

背景技术

大气有机物十分复杂，可同时存在于气相和颗粒相中，其中气相有机物主要包括挥发性有机物(Volatile Organic Compounds，VOCs)和半挥发性有机物(Semi VolatileOrganic Compounds，SVOCs)。气相有机物是大气环境的重要物质，参与着大气物质循环与动态转化，不仅对近地面臭氧的形成具有重要作用，也是二次有机气溶胶(SecondaryOrganic Aerosol，SOA)等二次污染物形成的重要前体物质。目前对大气气相有机物的测量一般只对C2-C20挥发性范围内进行测量研究，极少对C20以上的气相有机物进行测量。研究表明，C20以上的有机物由于挥发性较低，虽然浓度较低但其极易生成SOA，对大气颗粒相有机物贡献较大，是对大气复合污染机理研究的另一个突破点。针对气相有机物环境浓度低、沸点跨度范围大、物种复杂、许多物种寿命极端等的特点，一方面增加了对气相有机物全面测量的难度，另一方面也对其如何在保证全物质捕集时提高其富集精密度提出了较大的挑战，因此建立一套稳定可靠的用于大气气相有机物富集解析的前处理装置具有重要意义。

目前对大气有机物的采样分析方法主要分为离线分析法和在线连续分析法。相较于在线连续分析法，离线分析法采样捕集手段更多(包括气袋、采样罐和吸附部件等采样手段)。其中，吸附部件采样分析手段因携带保存方便、既可实现在线采集还可同时进行富集预浓缩。然而现如今没有一种吸附剂或萃取技术适用于整个环境范围内的气相有机物的富集，并未提供一种可针对大气痕量C2-C30多沸点范围有机物的特定吸附部件。此外现有的在线采集系统一般是针对小分子的挥发性有机物(VOCs)化合物，缺乏针对高沸点高粘性特别是C20-C30半挥发性有机物的采样方法。

目前市面上与吸附部件配套的热解吸仪器均为体积较大的热脱附仪，热脱附仪存在进样量小、分析周期长、低通量的缺点，且一般只能进行离线分析使用；且部分仪器的冷阱系统采用液氮，体积庞大，无法与现场在线检测仪器联用。此外正己烷、苯等低沸点检测目标物吸附需要较低的温度，其吸附率随温度大幅度变化，严重影响方法的准确度，为其提供一个恒定的低温吸附是精准富集的关键。

发明内容

针对现有技术的不足，本实用新型根据目前大气气相有机物多跨度挥发性物质特征进行研究，开发了一个可针对大气C2-C30沸点范围内气相有机物全物质高效富集的多床吸附富集热解析捕集模块系统。该模块系统不仅可以与在线检测仪器联用，应用于在线监测系统中，有效提高在线仪器的整体性能；且与目前商品化的热脱附仪相比，本实用新型采用的基于半导体制冷电阻丝加热的温度模块具有恒定-40℃低温富集、±0.1℃精准控温、体积小、功耗低、安装方便等优点。此外该模块也可与常规离线设备连用，实现仪器大流量持续在线采集或离线样品进样。该设备模块为实现大气挥发/半挥发有机物尤其是低浓度高碳有机物的准确测量提供新的检测技术。

本实用新型技术方案如下：

一种用于对C2-C30气相有机物的富集捕集的吸附部件，包括：

吸附管，

以及在所述吸附管内填充的用于吸附C2-C30气相有机物的多种吸附剂，所述吸附剂从所述吸附管的采样进气口到出气口依次为弱吸附剂、中等吸附剂、强吸附剂。

进一步，所述弱吸附剂为用于吸附C7-C30气相有机物，优选为用于吸附C12-C30气相有机物的吸附剂；

所述中等吸附剂为用于吸附C5-C12气相有机物的吸附剂；

所述强吸附剂为用于吸附C2-C5气相有机物的吸附剂。

进一步，所述弱吸附剂为具有多孔结构的疏水性高分子聚合物吸附剂，优选地，所述疏水性高分子聚合物吸附剂为炭黑和/或进一步优选地，选自Tenax TA、TenaxGC、Tenax GR中的一种或两种以上，更优选为Tenax TA；

所述中等吸附剂为石墨吸附剂和/或中等强度的炭黑吸附剂，优选地，所述中等吸附剂选自Carbopack B、Carbopack F、Carbopack C、Carbopack Y、Carbograph 1TD中的一种或两种以上，进一步优选为Carbopack B；

所述强吸附剂为碳分子筛吸附剂，优选地，所述碳分子筛吸附剂选自Carboxen1000、Carboxen 1016、Carboxen 1003、UniCarb和Carbosieve S III中的一种或两种以上，进一步优选为Carboxen 1000。

进一步，以1重量份的所述强吸附剂计，所述中等吸附剂为1-3重量份，所述弱吸附剂为3.5-8重量份。

进一步，所述吸附管为不锈钢，优选为316不锈钢。

进一步，所述弱吸附剂与所述中等吸附剂之间，以及所述中等吸附剂与所述强吸附剂之间填充有隔离物；优选地，所述隔离物为玻璃纤维棉。

进一步，在强吸附剂靠近出气口的位置上设置有石英管。

进一步，所述吸附部件还包括加热单元，所述加热单元为缠绕于所述吸附管外部的电阻丝；

优选地，所述电阻丝为镍铬电阻丝，所述电阻丝能使所述吸附管加热至50～350℃；

进一步，在所述吸附管与所述加热单元之间还包括一层绝缘套管，所述绝缘套管包裹于所述吸附管的外围；

优选地，所述绝缘套管的材质选自无碱玻璃纤维、石英纤维、高硅氧中的一种或两种以上。

进一步，所述吸附部件还包括保护单元，所述保护单元为包裹于所述加热单元的外围；

优选地，所述保护单元为玻璃纤维棉。

进一步，所述吸附部件还包括温度传感器，所述温度传感器设于吸附管外部，且位于绝缘套管与吸附管之间，用于显示吸附剂的温度。

一种用于气相有机物监测设备中的高低温构件，上述吸附部件。

进一步，高低温构件，包括高温模块、低温模块及高低温切换模块；

优选地，

所述高温模块为所述吸附部件中的加热单元；

所述低温模块包括制冷片、金属块，所述制冷片包括冷端；

所述金属块由中心位置设有半圆槽且能够开合的两个对称子金属块构成，所述吸附管能够贴合设置在两个对称子金属块形成的槽中；

优选地，

所述制冷片冷端紧贴于金属块。

进一步，所述制冷片为能够使吸附管温度降至-40℃的三级半导体制冷元件；

优选地，

所述金属块为铜块；

进一步优选地，

所述加热单元能够使所述吸附管升温至320℃。

进一步，所述高低温切换模块包括气动驱动装置，所述气动驱动装置通过将低温金属块分开与闭合实现所述吸附管在高温模式和低温模式之间的切换；

优选地，

当所述气动驱动装置通入载气时，所述两个对称子金属块相对运动，使得所述两个对称子金属块与所述吸附管之间存在间隔，控制加热单元工作，处于高温模式；

当所述气动装置不通载气时，所述两个对称子金属块相向运动，使得所述两个对称子金属块贴合所述吸附管，控制加热单元停止工作，处于低温模式。

一种大气有机物富集脱附前处理装置，其中，上述吸附部件或项上述高低温构件。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

为实现对大气中C2-C30沸点范围内有机物(包括C2-C30烃类物质、部分含氧物化合物以及2-3环的PAH等气相有机物)的有效捕集，本实用新型通过对不同组合式吸附剂的富集脱附性能进行测试，确定一种对大气气相有机物有效富集的多级串联式广谱吸附剂:Carbopack B+Carboxen1000+Tenax TA。并选用一种薄壁耐腐蚀316不锈钢作为吸附剂载体，为减少活性点位对有机物的吸附损失，吸附管内壁均经过钝化处理(钝化处理，Restek)。将三种吸附剂进行压力降控制顺序填充，最终形成一种可对大气以气相形式存在的全范围高效吸附的组合式规范吸附阱。本实用新型确定的吸附阱对大气气相C2-C30沸点范围内气相有机物均可实现有效捕集，用于采集热不稳定化合物和活性分子。

为使得吸附部件更适于对大气不同沸点有机物的高效捕集，本实用新型开发了一种基于吸附部件采样的高低温温度装置模块，可提供-40℃低温捕集温度和320℃高温解析温度，并以气动装置实现高温低温模式的快速切换，满足对大气低沸点有机物的快速低温富集和高沸点粘性物质的高温解析。该装置模块小巧低能耗，可满足对不同沸点范围有机物的吸附、脱附要求，除与本实用新型中的吸附部件配套使用外，也可应用于其他不同温度要求的场景中。

本实用新型所选吸附部件体积小、重量轻、便于携带、可实现在线采样，吸附剂有较大范围的富集选择性，通过组合多种吸附剂形成多床吸附剂，可实现C2-C30沸点范围内气相有机物组分的有效富集；利用吸附部件采样的同时也对目标物进行了富集，当选用合适的吸附剂捕集阱并配备性能良好吸附热解吸装置时可省略二次聚焦过程简化了气相有机物的测量步骤提高了测量结果的准确性与时间分辨率。

附图说明

图1示出了多床串联式吸附部件示意图；

图2示出了高低温构件示意图；

图3示出了气相有机物在线监测系统；

图4(a)示出了离线采样系统示意图；

图4(b)示出了离线分析测量系统示意图；

图5示出了2020年北京冬季环境大气采样结果图。

附图标记说明：

1:铝制保护壳；2：保温棉；3：铜块；4：制冷片；5：电阻丝；6：吸附管；7：玻璃纤维棉；8：石英管；9：连接螺丝；10：低温温度传感器；11：手指平台气缸；12：不锈钢衔接柱；13：支撑柱；14：隔热垫；15：保护单元；16：吸附剂；42：温度传感器；43：不锈钢螺钉；44:过滤头；45：第一电动三通阀；46：高低温构件；47：第二电动三通阀；48：第一质量流量控制器；49：第一抽气泵；50：检测器；51:供气及压力控制系统；52：计算机交互控制系统，53绝缘套管,54：质控系统，55：供电系统，56：检测器，57:供气及压力控制系统，58：计算机交互控制系统

具体实施方式

挥发性有机物(VOCs)：根据世界卫生组织WHO定义，VOCs是指在常压下，沸点在50℃—260℃的各种有机化合物(WHO,1989)

半挥发性有机物(SVOCs)：SVOC定义为沸点在240℃—400℃间的有机化合物(WHO,1997)。

本实用新型提供了一种对C2-C30挥发性范围内的气相有机物富集捕集的吸附部件，包括：吸附管，以及在所述吸附管体内填充的用于吸附C2-C30气相有机物的多种吸附剂，所述吸附剂从所述吸附管的采样进气口到出气口依次为弱吸附剂、中等吸附剂、强吸附剂。为保证对气相有机物的多物质富集，吸附剂采用弱吸附剂、中等吸附剂、强吸附剂三种类型和依次顺序填充方式对大气C2-C30沸点范围内气相有机物进行特异性捕集。采样时，大气C2-C30沸点范围内气相有机物依次接触弱吸附剂，中等吸附剂、强吸附剂，即大分子C13-C30气相有机物先被吸附到捕集阱采样进气口的弱吸附剂上，而小分子C2-C12气相有机物被吸附到捕集阱中的中等吸附剂和强吸附剂上，这种设计防止C13-C30大分子气相有机物被吸附到中等吸附剂和强吸附剂上，而较难解吸出来。弱吸附剂可以有效保护强吸附剂不受不可逆吸附，并在解吸循环后可保持捕集阱清洁。

在本实用新型中，C2-C30气相有机物是指C2-C30挥发性范围内的气相有机物，C7-C30气相有机物是指C7-C30挥发性范围内的气相有机物，C12-C30气相有机物是指C12-C30挥发性范围内的气相有机物，C5-C12气相有机物是指C5-C12挥发性范围内的气相有机物，C2-C5气相有机物是指C2-C5挥发性范围内的气相有机物。

在本实用新型中，所述吸附部件通过内部依次填充弱吸附剂、中等吸附剂、强吸附剂，构成了多床串联式吸附部件。

本实用新型的吸附管选用薄壁耐腐蚀316不锈钢为吸附剂载体，也可以使用德国Schott-Duran高精度石英玻璃。为最大限度减少活性点位对有机物的吸附损失，吸附管内壁均进行钝化处理(钝化处理，Restek)，该薄壁吸附管导热能力强，可快速实现不同高低温的温度传递。

本实用新型的一些实施方式中，所述吸附管体的尺寸与大气浓度或采集的气相有机物的体积相适应，所述吸附剂的用量与所述吸附管的尺寸相适应。

本实用新型的一些实施方式中，所述吸附管的尺寸如下：内径：2.2mm、外径：2.5mm、长度：600mm。

本实用新型的一些实施方式中，所述弱吸附剂为用于吸附C7-C30气相有机物，优选为用于吸附C12-C30气相有机物的吸附剂；所述中等吸附剂为用于吸附C5-C12气相有机物的吸附剂；所述强吸附剂为用于吸附C2-C5气相有机物的吸附剂。

本实用新型的一些实施方式中，所述弱吸附剂为具有多孔结构的疏水性高分子聚合物吸附剂，优选地，所述疏水性高分子聚合物吸附剂为炭黑和/或进一步优选地，选自Tenax TA、Tenax GC、Tenax GR中的一种或两种以上，更优选为Tenax TA，用于吸附C7-C30范围内气相有机物。

本实用新型的一些实施方式中，所述中等吸附剂为石墨吸附剂和/或炭黑吸附剂，优选地，所述中等吸附剂选自Carbopack B、Carbopack F、Carbopack C、Carbopack Y、Carbograph 1TD中的一种或两种以上，进一步优选为Carbopack B，用于吸附C5-C12范围内气相有机物。

本实用新型的一些实施方式中，所述强吸附剂为碳分子筛吸附剂，优选地，所述碳分子筛吸附剂选自Carboxen 1000、Carboxen 1016、Carboxen 1003、UniCarb和CarbosieveS III中的一种或两种以上，进一步优选为Carboxen1000，用于吸附C2-C5范围内气相有机物。本实用新型旨在提供一种高效的多床吸附剂捕集阱，实现对C2-C30挥发性范围内气相有机物组分的高效捕集和高效解吸。基于吸附热解吸原理的大气有机物在线测量方法中有很多种吸附剂可供选择，针对不同的待测目标物也有很多不同的吸附剂组合方式，选择合适的吸附剂，并通过条件实验确定良好的组合方式是吸附部件设计中的重要内容。本实用新型的吸附剂一方面要求对待测组分能有效吸附，另一方面也要求在热解吸时能将捕集到的待测组分完全释放出来。

在本实用新型中，“+”在吸附管6中，是指弱吸附剂、中等吸附剂、强吸附剂三种吸附剂同时存在。

本实用新型的一些实施方式中，针对尺寸为内径：2.2mm、外径：2.5mm、长度：600mm的吸附管，设计了多种不同的多床吸附剂捕集阱，分别是Carbopack B+Carboxen 1 000+Carbosieve S III+Tanax TA、Carbopack B+

Carboxen 1000+Tanax TA、Carbopack B+Carboxen 1000+Tanax TA、Carbopack B+Carboxen 1000+Tanax TA、Carbopack B+Carboxen 1000+

Tanax TA、Carbopack B+Carboxen 1000+Tanax TA、Carbopack B+Carboxen1000+Tanax TA、Carbopack B+Carboxen 1000+Tanax TA、Carbopack B+Carboxen 1000+TanaxTA和Carbopack B+Carboxen 1000+Tanax TA的多床吸附剂捕集阱。分别通入56VOCs标准气体、C7-30标准液体以及5PAH标准液体对多床吸附剂捕集阱的富集性能进行测试。最终发现Carbopack B+Carboxen 1000+Tanax TA组合吸附剂对待测组分表现出最佳的捕集效果，其中Tenax TA用于吸附C7-C30范围内挥发性气相有机物，Carbopack B，用于吸附C5-C12范围内挥发性气相有机物，Carboxen 1000，用于吸附C2-C5范围内挥发性气相有机物。

本实用新型的一些实施方式中以1重量份的所述强吸附剂计，所述中等吸附剂为1-3重量份，所述弱吸附剂为3.5-8重量份；例如，以1重量份的所述强吸附剂计，所述中等吸附剂可以为1重量份、1.5重量份、2重量份、2.5重量份、3重量份或其之间的任意范围；所述弱吸附剂可以为3.5重量份、4重量份、4.5重量份、5重量份、5.5重量份、6重量份、6.5重量份、7重量份、7.5重量份、8重量份或其之间的任意范围。

本实用新型的一些实施方式中，针对尺寸为内径：2.2mm、外径：2.5mm、长度：600mm的吸附管，设计了多种不同的多床吸附剂捕集阱，分别是20mg Carbopack B+30mgCarboxen1 000+30mgCarbosieve S III+100mg Tanax TA、20mg Carbopack B+50mg Carboxen 1000+100mg Tanax TA、20mg Carbopack B+50mg Carboxen 1000+110mg Tanax TA、20mgCarbopack B+50mg Carboxen 1000+110mg Tanax TA、20mg Carbopack B+50mg Carboxen1000+120mg Tanax TA、40mgCarbopack B+5 0mg Carboxen1000+110mg Tanax TA、20mgCarbopack B+60mg Carboxen 1000+120mg Tanax TA、20mg Carbopack B+60mg Carboxen1000+130mg Tanax TA、20mg Carbopack B+60mg Carboxen 1000+110mg Tanax TA和20mgCarbopack B+80mg Carboxen 1000+120mg Tanax TA的多床吸附剂捕集阱。然后分别通入56VOCs标准气体、C7-C30标准液体以及5PAH标准液体对多床吸附剂捕集阱的富集性能进行测试，最终发现20mg Carbopack B+60mg Carboxen 1000+120mg Tanax TA组合吸附剂对待测组分表现出最佳的捕集效果。因此本实用新型针对尺寸为内径：2.2mm、外径：2.5mm、长度：600mm的吸附管，采用20mg Carbopack B+60mg Carboxen 1000+120mg Tanax TA三种吸附剂并填充成多床吸附剂捕集阱以实现对大气气相多物质的富集。

在本实用新型中，根据吸附剂吸附能力的大小，从弱到强填充组成多床吸附管，填充捕集柱时，首先在捕集柱内插入一厚壁不锈钢吸附管，以确定捕集柱中吸附剂的填充位置，连接处用胶皮软管密封。不锈钢吸附管与一三通接头连接，三通接头另外两端分别连接质量流量控制器和数字式压力传感器，用于测定填充吸附剂时压力降Δt，以保证每次的填充密度在合适范围内。该吸附管气体流速范围为0.05-2L/min,可满足对大气C2-C30沸点范围内气相有机物的采样体积要求。采用阻力仪对吸附管测定阻力，采样流量为0.5L/min时，该吸附管的压降为20KPa左右。在低流速采样(50mL/min)和高流速采样(2L/min)时，均未发现穿透现象。空气采样中，该吸附管的穿透性试验和阻力试验均满足工程测试的需要。

如图1所示，吸附管的管体材质为316不锈钢，或德国Schott-Duran高精度石英玻璃，选用该吸附管，气体流速范围可控制在0.05-2L/min。

如图1所示，所述弱吸附剂与所述中等吸附剂之间，以及所述中等吸附剂与所述强吸附剂之间填充有隔离物；优选地，所述隔离物为玻璃纤维棉。为避免不同吸附剂之间的混杂干扰，各个吸附剂中间使用玻璃纤维棉7进行阻隔。

如图1所示，在强吸附剂靠近出气口的位置上设置有厚壁石英管8，厚壁石英管8用于保护吸附剂，以避免长时间采样导致吸附剂的流失。

如图1所示，所述吸附部件还包括加热单元5，所述加热单元5为缠绕于所述吸附管外部的电阻丝，该电阻丝缠绕于吸附管的管体外壁；优选地，所述电阻丝为镍铬电阻丝，所述电阻丝能使所述吸附管加热至50～350℃，用于提供解析高温。

如图1所示，所述吸附管与所述加热单元5之间还包括一层绝缘套管53，所述绝缘套管53包裹于所述吸附管的管体的外围；优选地，所述保护套管的材质选自无碱玻璃纤维、石英纤维、高硅氧中的一种或两种以上，该绝缘套管用于避免电阻丝由于长时间使用发生老化从而导致与不锈钢吸附管之间发生短路现象。

如图1所示，所述吸附部件还包括保护单元15，所述保护单元为包裹于所述加热单元的外围；优选地，所述保护单元材质为玻璃纤维棉。保护单元15作为保护套管，包裹在电阻丝5的外围，可以避免电阻丝5与制冷金属块撞击夹紧动作导致的电阻丝5磨损现象，用于保护加热单元5。

如图1所示，所述吸附部件还包括温度传感器42，所述温度传感器42设于吸附管体外部，且位于绝缘套管53与吸附管6之间，用于显示吸附剂的温度，温度传感器42紧贴吸附管的外壁，可较为真实显示吸附剂处的实时温度，以减少温度歧视导致的有机物富集解析不充分，使用外部PID控制系统将吸附剂处温度控制在±0.1℃，保证吸附剂本身的温度精度。

本实用新型提供一种用于气相有机物监测设备中的高低温构件，包括上述吸附部件。

如图2所示，所述高低温构件包括高温模块、低温模块及高低温切换模块；所述高温模块为所述吸附部件中的加热单元；所述低温模块包括制冷片和和金属块；所述金属块由中心位置设有半圆槽且互为对称结构的两个子金属块构成，所述吸附管能够贴合设置在两个子金属块形成的槽中。其中，所述高温模块还包括保护单元15；所述低温模块还包括制冷塑料螺丝、温度传感器以及散热单元。

所述加热单元能够使所述吸附管升温至320℃。

所述高低温构件中的低温模块包括两个低温温度模块和高低温切换模块，所述两个低温温度模块为互相对称相对设置的，其通过不锈钢衔接柱12与手指平台气缸11连接固定，为吸附管提供恒定富集低温；所述气动驱动装置与两个低温度模块相连接设置，且该气动驱动装置能够带动两个低温度模块沿纵向作相向或相反运动，当两个低温度模块相向运动并接触设置时，能够紧密夹紧吸附管，当两个低温度模块相反运动并分离设置时，能够释放吸附管。

低温度模块包括制冷片4、金属块3、塑料螺丝、温度传感器以及散热单元；制冷片为能够使吸附管温度降至-40℃的三级半导体制冷元件，可以持续提供低温。金属块选用使用比热容较低的金属块3作为导热介质，例如，金属块3为铜块，所述金属块由中心位置设有半圆槽且能够开合的两个对称子金属块构成，所述吸附管能够贴合设置在两个子金属块形成的槽中，两个子金属块互相对称相对设置构成了低温度模块。

所述制冷片4冷端紧贴于金属块3，金属块3通过导热硅脂层与制冷片的冷端紧密设置，该制冷片4的热端能够通过另一导热硅脂层与铜管散热器以及散热风扇相连接设置；铜管散热器用于制冷片的散热，是利用铜管优良的导热性和铜管内液体的冷凝转化，将热量输出到散热风扇中。铜管散热器一侧通过导热硅脂层与制冷片4的热端相连接；另一侧通过自带的纽扣螺钉与散热风扇连接。在金属块3外层，放置一个薄壁铝制保护外壳，所述金属块3与铝保护外壳之间紧密设置隔热棉，该金属块通过塑料螺丝与铝保护外壳相连接设置。

在本实用新型的一个具体实施方式中，如图2所示，低温模块为互相对称的两个子低温度模块构成，通过气动驱动装置控制子模块进行分开或者闭合动作从而实现多级吸附剂串联的吸附管的高低温的快速切换功能。子温度模块使用比热容较低的铜块3作为导热介质，铜块3的尺寸为130mm*30mm，在铜块3的中心位置开与吸附管外径相对应的半圆槽，多级吸附管6放置于该圆形槽内，可在子温度模块闭合时无缝隙的包裹住吸附管，从而实现温度的传递。为减少铜块3的温度损失，在其外部增加了一个铝制保护壳1，铝制保护壳1尺寸为140*33mm，铝制保护壳1与铜块3使用M4*12的四氟螺丝9进行连接，其在两者之间的空隙填充保温棉2，以降低子温度模块的温度与空气的传递损失。同时使用一个支撑杆13用以固定与衔接多级6，该支撑杆的下端通过绝缘垫14与工作台相连接，以减少温度的传递损失，支撑杆13的上端通过M4*16的不锈钢螺钉43与吸附管6相连接，从而对吸附管6起到支撑与固定作用。低温模块的温度传感器10放置在铜块3的侧开口处，即将铜块3与铝制保护壳1的侧边进行开口，其尺寸与低温温度传感器10的外径(4mm)相适应，将低温温度传感器10放置在铝块3的内部，以实时显示铝块3的真实温度，一般情况下会控制低温模块处的温度保持-40℃不变。

本实用新型的高温模块，即吸附部件的加热单元主要是通过电阻丝5通过直流电压进行加热，电阻丝均匀紧密缠绕在吸附管管体外壁上，为避免在低温传递时低温温度模块夹紧吸附管导致电阻丝由于机械撞击造成的漏电短路等现象，在缠绕好电阻丝的吸附管管体外壁包裹上一层绝缘保护套管，该保护套管材质为玻璃纤维棉，既可以防止电阻丝短路也不会对低温传递产生干扰，该加热温度可在5s内从-40℃升高至320℃；电阻丝只有在吸附管需要高温时才进行加热工作，其余时间均不进行加热。

本实用新型的低温模块，即制冷是通过三级半导体制冷元件4实现-40℃低温，由于该温度模块尺寸较小，使用三级制冷片即可使得温控模块整体处于-40℃恒定低温。制冷片4的冷端安装在半圆槽端相对另一侧的铜块3上，两者通过导热硅脂紧密衔接，该制冷片4的热端能够通过另一导热硅脂层与铜管散热器相连接，保证制冷片的高效工作。制冷片在开机后一直处于制冷工作状态，由温度传感器10实时显示低温温度，即保证子温度模块始终处于-40℃恒定温度，以随时对吸附管进行快速低温传递。

所述高低温切换模块包括气动驱动装置，所述气动驱动装置通过控制载气的通入与否，进而控制低温子金属块的张开或者闭合，最终实现所述吸附管在高温模式和低温模式之间的切换；

当向所述气动驱动装置通入载气时，两个对称子金属块沿纵向作相对运动分开，此时两个对称子金属块张开，使得所述两个对称子金属块与所述吸附管之间存在间隔，控制加热单元工作，所述吸附管处于高温模式；当所述气动装置无载气通入时，所述两个对称子金属块沿纵向作相向运动，此时两个对称子金属块闭合，使得两个对称子金属夹紧所述吸附管，控制加热单元停止工作，所述吸附管处于低温模式。

高温模式和低温模式之间的切换主要是通过控制气动驱动装置使得吸附管处于高温和低温状态，具体如下：

如图2所示，所述气动装置包括一个微型手指平台气缸、二位五通阀、PU气动高压管和高压气源，所述微型手指平台气缸通过不锈钢衔接柱与两个子金属块的底部相连接，该微型手指平台气缸的进气口与出气口分别与一个二位五通阀的工作口相连接，该二位五通阀的进气口与高压气源相连接，该二位五通阀的两个排气口与消音器相连接，该微型手指平台气缸能够通过二位五通阀、高压气源的驱动带动两个半金属块沿纵向作相向或相反运动，进而控制温度模块整体的张开或闭合，以实现吸附部件从低温转换到高温的需求；

通过气动驱动装置控制微型手指平台气缸11的轴向开闭运动从而实现吸附部件高低温的切换，具体主要是：当吸附管6需要在高温状态下工作时，气动装置控制微型手指平台气缸11轴向张开，带动两个子金属块分开，从而释放出多级吸附剂串联的吸附管6，即此时吸附管6与两个金属块之间存在间隔不贴合，并控制缠绕在吸附管6外壁的电阻丝进行工作，将吸附管加热至所需高温，吸附管6即处于高温模式；当多级吸附剂串联的吸附管6需要在低温状态下工作时，控制电阻丝停止加热，气动装置控制微型手指平台气缸11轴向闭合，从而带动两个子金属块闭合并夹紧吸附管，两个子金属块的低温向吸附管进行温度传递，从而实现高温向低温的转换，吸附管6即处于低温模式。

本实用新型还提供了一种上述吸附部件或上述高低温构件在气相有机物在线监测系统或在气相有机物离线监测系统中的应用。

本实用新型中的高低温构件46为气相有机物富集脱附模块。

如图3所示，将上述吸附部件6或上述高低温构件46与电动三通阀、流量采集与控制系统、检测器和交互扩展系统等进行集成，可形成一套应用于各种场景的大气有机物富集脱附装置系统。

该大气有机物在线富集脱附装置系统具体实施方法为：

该系统经过一次老化模式、采样模式、吹扫模式和解析进样模式，对C2-C30挥发性范围内气相有机物实现在线同步采样测量，从而实时得到有机物的大气浓度及污染特征。具体包括以下步骤：

老化模式：为了将管路中的残留物质清除，载气经过供气及压力控制系统51后对系统管路及部分部件进行老化吹扫，具体为：计算机交互控制系统52控制有机物气相有机物富集脱附模块46中的微型手指平台气缸11气动驱动打开，带动两个低温模块张开，控制电阻丝工作，使得多级吸附剂串联的吸附管处于320℃高温状态，计算机交互控制系统52控制第一电动三通阀45、第二电动三通阀47处于300℃高温状态。载气从供气及气路压力控制系统51出来后经第一电动三通阀45的CB口，气相有机物富集脱附模块46中的多级吸附剂串联的吸附管6，第二电动三通阀47AB口，第一质量流量控制器48，第一抽气泵49后排出，对吸附剂富集管路和零件进行载气清洗；

采样模式：停止给微型手指平台气缸11进行载气输入，气相有机物富集脱附模块46的两个低温模块闭合，使得多级吸附剂串联的吸附管6处于-40℃低温状态，通过抽气泵49的抽吸作用，大气样品依次经过过滤头44、第一电动三通阀45的CB口、多级吸附剂串联的吸附管6，第二电动三通阀46的AB口、质量流量控制器48后经由抽气泵49排出，从而将大气中高沸点有机物富集在多级吸附剂串联的吸附管6(-40℃)中的Tenax TA弱吸附剂孔位中，高挥发性有机物则穿过Tenax TA吸附剂从而被Carbopack B和Carboxen 1000捕获下来；

吹扫模式：保持多级吸附剂串联的吸附管6仍处于-40℃低温状态，在此模式下，载气经过供气及压力控制系统51、第一电动三通阀45的AB口、多级吸附剂串联的吸附管6、第二电动三通阀47的AB口，质量流量控制器48后经由抽气泵49排出，对气相有机物采样管路和部件进行吹扫，以除去在多级吸附剂串联的吸附管6以及气路中残留的氧气等多余干扰性气体；

有机物进样模式：利用从供气及压力控制系统51出来的载气驱动微型手指平台气缸11打开，带动两个低温模块张开，通过计算机交互控制系统52控制电阻丝工作，多级吸附剂串联的吸附管6快速由低温-40℃升温至解吸高温320℃，载气经由供气及压力控制系统51、第一电动三通阀45的AB口、多级吸附剂串联的吸附管6、第二电动三通阀47的AC口后，将多级吸附剂串联的吸附管6高温释放出来的待测有机物带入检测器50中进行分析测量；至此完成一轮完整的大气有机物在线测量循环程序。

通过计算机交互控制系统52实现对整个系统和部件的时间序列控制，四种模式可以进行自动循环运行。为减少有机物特别是高沸点C10-C30物质在管路中的损失，在各个部件和连输管路均设置了250-350℃可调节全程高温伴热装置，且尽量缩短内部管路的连接长度。此外为使得整体系统构件简单化，计算机交互控制系统52可使用树莓派、单片机或者可编程逻辑控制器(PLC)进行系统控制。

该大气有机物离线富集脱附装置系统具体实施方法为：

该有机物多床吸附富集热解析捕集模块应用于离线采样时，可与大流量采样装置进行连用，如图4(a)所示，即在吸附管后连接流量控制系统54，通过过滤头44后抽取一定量的大气样品，使目标化合物通过有机物多床吸附富集热解析捕集模块46，此时，不需要向温度模块中通入载气，即低温子金属块处于夹紧吸附管的自然状态，从而使得吸附管处于-40℃低温状态。大气有机物经过吸附管时被串联吸附剂吸附，其余气体则被质量控制系统54排到大气。在该采样模式下，供电系统55只需要提供电源模块控制低温模块与质量控制系统54正常工作即可。该离线采样装置不同以以往的只能在大气环境温度条件下的采样方式，本系统采用的多级吸附管不仅可以实现对大气中C2-C30沸点范围内有机物的多组分采集，附加的温度模块可提供-40℃恒定低温的富集温度。因此该低温采集既可以捕集到大气中挥发性较强的C2-C4有机物，同时在很大程度上提高了吸附效率、减小了吸附剂用量，保证对大气有机物精准有效采集；

离线采集后的有机物多床吸附富集热解析捕集模块可直接拿到实验室进行直接进样测量，具体如图4(b)所示。载气通过供气及压力控制系统57进入气动驱动装置，驱动微型手指平台气缸11做纵向反向运动，从而带动两个低温子金属块张开，释放出吸附管6。计算机交互控制系统52控制电阻丝5工作，使得吸附管6瞬间升温到320℃，载气将热脱附出来的气体带入后续的检测器56中进行测量。

该装置模块整体应用到离线采样以及后续的进样监测系统中，吸附装置提供了可以对大气C2-C30挥发性范围内气相有机物的多物质捕集的吸附填料，附加的温度模块装置不仅保证在恒定-40℃温度下的低温富集条件，提高低沸点物质的有效捕集，也提供了不需要使用庞大复杂的热脱附仪等外部设备，可以直接高温热脱附进样的方式。整个装置系统体积小巧，结构紧凑，功耗低，在保证富集与脱附效率的同时，作为离线采集装置应用在外场观测中具有一定的市场价值。

该气相有机物监测系统相较于目前市面上的在线监测装置，不仅可以满足对大气多范围大跨度有机物的实时富集监测，以研究大气分子形态有机物的转换分配变化，而且整个装置系统气路简单、成本低、体积小、功耗低，可在外场观测中进行不同监测场景中进行有机物测量。

由于大气中气相有机物成分复杂繁多，包括已知的VOCs和SVOCs以及更低浓度的高碳气相有机物，且其含量大多为ppt级或者更低，对于多跨度的痕量有机物，一般单独使用仪器难以实现直接有效测量。目前市场上吸附管种类较多，吸附管中填充的吸附剂具有吸附选择性，并直接决定吸附效果，影响最终检测结果的准确性。不同吸附材料对不同挥发性有机物的吸附捕集效果存在吸附选择性，目前对大气多跨度沸点有机物的吸附管种类较少，特别是对大气中C20-C30痕量有机物测量研究较少，一般只是提供几种可选的吸附剂填料，并未通过测试等确定一种可对的大气C2-C30气相有机物的高效富集吸附部件，或者为扩展富集物种类，市面上也有采用串联多根采样管的方法，吸附范围提高显著，但工作量也相应增加。为实现对大气中C2-C30挥发性范围内气相有机物的有效捕集，本实用新型通过对不同组合式吸附剂的富集脱附性能进行测试，最终确定一款可实现对大气以气相形式存在的全范围高效吸附的多级串联式广谱吸附剂。本研究确定的吸附剂组合对大气C2-C30范围内均实现有效捕集，保证一定的富集效率，用于采集热不稳定化合物和活性分子。

目前市面上与吸附部件配套的热解吸仪器均为体积较大的热脱附仪，热脱附仪存在进样量小、分析周期长、低通量的缺点，且一般只能进行离线分析使用；且部分仪器的冷阱系统采用液氮，体积庞大，无法与现场在线检测仪器联用。此外正己烷、苯等低沸点检测目标物吸附需要较低的温度，其吸附率随温度大幅度变化，严重影响方法的准确度，为其提供一个恒定的低温吸附是精准富集的关键。因此，本实用新型基于气动驱动控制，开发了一种小型化低能耗的高低温构件，该构件可以提供-40℃恒定低温和320℃高温，通过微型气缸等驱动装置使得吸附部件在高低温之间切换。该温控模块不仅可以满足对低沸点有机物的恒定低温富集，使用低电阻电阻丝紧密缠绕加热也可提供吸附剂处快速均匀高温，避免高沸点有机物的黏附损失。

本实用新型将开发的多级串联组合式吸附部件与小型化低能耗的高低温构件相结合，形成一种大气有机物多床吸附富集热解析捕集模块，该模块不仅可以作为离线采样设备，也可以与检测器连用进行大气在线实时监测。鉴于该系统的体积小、重量轻、低能耗，该装置与检测器结合形成的大气气相有机物在线监测系统可进行随走随测。相对于市面上的小型监测仪器，不仅可以实时捕捉包括挥发、半挥发等C2-C30挥发性范围内沸点跨度大多物质的演变规律，也可提供恒定低温保证低沸点有机物的精准富集。

本实用新型根据不同物质种类的物化特性，将C2-C30挥发性范围内有机物的富集解析方法进行特异性集成设计，开发了一种有机物多床串联式吸附管，该特定多级吸附剂串联的吸附管经过测试，对大气C2-C30挥发性范围内气相有机物可进行全物质高效富集，减少了以往多个吸附管、较多管路造成的有机物粘性损失。

本实用新型提供了基于半导体制冷-功率加热的有机物富集脱附模块(即高低温模块)；该温度模块体积小巧，可实现对吸附部件高低温变化的快速切换，温度精度在±0.1℃，可满足对有机物富集解析的温度精准控制要求。

本实用新型将吸附管与高低温模块进行集成，即形成一个大气气相有机物富集脱附模块。该模块体积小、重量轻、能耗低，不仅可以满足对大气C2-C30多物质大跨度有机物的高效富集的吸附性能，还可提供对低沸点有机物-40度恒定低温模块，减少低沸点有机物因较高富集温度或者低温温度漂移导致的吸附误差。

本实用新型将开发的气相有机物富集脱附模块与检测器等进行集成，形成气路简单的一种对大气多物质有机物在线富集监测系统与方法，可直接对大气环境条件下低浓度的气相有机物进行同步在线监测，时间分辨率为5-60min不等，采样时间可根据测量需要进行自由调整。该方法避免了传统的不同吸附管以及解析系统独自捕集方法的误差。

本实用新型所述的对大气C2-C30挥发性范围内气相有机物的在线测量系统结构紧凑，装置小型化，操作简单。可进行外场观测，随走随测。

实施例

实施例1

如图1所示的吸附部件，吸附管管体为经过钝化处理的薄壁耐腐蚀316不锈钢，附管管体的尺寸如下：内径：2.2mm、外径：2.5mm、长度：600mm。在所述吸附管体内填充的用于吸附C2-C30挥发性范围内气相有机物的多种吸附剂，所述吸附剂从所述吸附管的进气口到出气口依次为弱吸附剂(Tenax TA)、中等吸附剂(Carbopack B)、强吸附剂(Carboxen1000)，其中三种吸附剂按如下进行组合：20mg Carbopack B+60mg Carboxen 1000+120mgTanax TA。为避免不同吸附剂之间的混杂干扰，所述弱吸附剂与所述中等吸附剂之间，以及所述中等吸附剂与所述强吸附剂之间填充玻璃纤维棉7进行阻隔。在强吸附剂靠近出气口的位置上设置有石英管。所述吸附管与所述加热单元之间还包括一层绝缘套管53，所述绝缘套管包裹于所述吸附管体的外围，绝缘套管的材质为玻璃纤维棉。吸附管管体外壁紧密缠绕绝缘电阻丝，作为加热单元用于提供解析高温。为避免电阻丝撞击破损，在其外层包裹一层玻璃纤维材质的保护套管15，保护套管15作为保护单元用于保护电阻丝；为实时监测吸附管处的温度，在吸附管6与绝缘套管53的中间位置放置温度传感器42，温度传感器42紧贴吸附管外壁，可较为真实显示吸附剂处的实时温度，以减少温度歧视导致的有机物富集解析不充分，使用外部PID控制系统将吸附剂处温度控制在±0.1℃，保证吸附剂本身的温度精度。

实施例2

如图2所示，一种高低温构件，包括实施例1中的吸附部件，其中吸附管管体外壁紧密缠绕的电阻丝高温构件，能够使吸附管温度升至320℃，高低温构件还包括低温模块，低温模块包括制冷片、金属块、塑料螺丝、温度传感器以及散热单元，金属块由中心位置设有半圆槽且能够开合的两个对称子铜块构成，吸附管能够贴合设置在两个子铜块形成的槽中。制冷片为三级半导体制冷元件，能够使吸附管温度降至-40℃，可以持续提供低温；两个子铜块的尺寸均为130mm*30mm。在铜块外部增加了一个铝制保护壳，铝制保护壳尺寸为140*33mm，铝制保护壳与两个半铜块使用M4*12的四氟螺丝进行连接，其在两者之间的空隙填充保温棉，以降低子温度模块的温度与空气的传递损失。同时使用一个支撑杆用以固定与衔接多级，该支撑杆的下端通过绝缘垫与工作台相连接，以减少温度的传递损失，支撑杆的上端通过M4*16的不锈钢螺钉与多级相连接，从而对吸附管起到支撑与固定作用。低温模块的温度传感器放置在铜块的侧开口处，即将铜块与铝制保护壳的侧边进行开口，其尺寸与低温温度传感器的外径(4mm)相适应，将低温温度传感器放置在铜块的内部。高低温切换模块包括气动装置，气动装置包括一个微型手指平台气缸、二位五通阀、PU气动高压管和高压气源，所述微型手指平台气缸通过不锈钢衔接柱与两个子金属块的底部相连接，该微型手指平台气缸的进气口与出气口分别与一个二位五通阀的工作口相连接，该二位五通阀的进气口与高压气源相连接，该二位五通阀的两个排气口与消音器相连接。

当多级需要在高温状态下工作时，气动装置控制微型手指平台气缸轴向张开，带动两个子金属块分开，从而释放出多级，即此时吸附管与两个金属块之间存在间隔不贴合，并控制缠绕在吸附管外壁的电阻丝进行工作，将吸附管加热至所需高温，吸附管即处于高温模式；当多级需要在低温状态下工作时，控制电阻丝停止加热，气动装置控制微型手指平台气缸轴向闭合，从而带动两个子金属块闭合并夹紧吸附管，两个处于恒定-40℃的子金属块的低温向吸附管进行温度快速传递，从而实现低温的转换，吸附管即处于低温模式。图5为探究2020年北京冬季大气气相有机物的环境浓度，采用实施例2所述的高低温构件与商业化检测单元进行集成连用，形成一套对大气C2-C30挥发性范围内的气相有机物实时在线监测设备与系统，测量得到的2020年北京冬季环境大气采样结果图，时间分辨率为45min。

由图5的监测图可得，利用本实用新型研发的高低温富集解析构件可实现对大气气相有机物多跨度多物质的在线监测，既可监测到低碳有机物也可得到处于半挥发有机物的物质浓度水平。将环境大气中的不同特性的气相有机物放置在同一个监测系统条件下进行实时测量，可对其大气浓度变化特征进行实时跟踪与比对分析，特别是对大气二次生成物质(O₃以及SOA)贡献较大的活性前体物(比如处于挥发性范围的苯系物以及处于半挥发性范围的高碳物质)进行深入测量研究，为大气复合污染的控制提供基础数据。

虽然本案已以实施例揭露如上然其并非用以限定本案，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本案的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本案的保护范围当视后附的专利申请范围所界定者为准。

Claims (20)

1.一种吸附部件，其特征在于，包括：

吸附管，

以及在所述吸附管内填充的用于吸附C2-C30气相有机物的多种吸附剂，所述吸附剂从所述吸附管的采样进气口到出气口依次为弱吸附剂、中等吸附剂、强吸附剂，

所述弱吸附剂为用于吸附C7-C30气相有机物；

所述中等吸附剂为用于吸附C5-C12气相有机物的吸附剂；

所述强吸附剂为用于吸附C2-C5气相有机物的吸附剂。

2.根据权利要求1所述的吸附部件，其特征在于，

所述吸附管为不锈钢。

3.根据权利要求1所述的吸附部件，其特征在于，

所述弱吸附剂与所述中等吸附剂之间，以及所述中等吸附剂与所述强吸附剂之间填充有隔离物。

4.根据权利要求1所述的吸附部件，其特征在于，

在强吸附剂靠近出气口的位置上设置有石英管。

5.根据权利要求1所述的吸附部件，其特征在于，

所述吸附部件还包括加热单元，所述加热单元为缠绕于所述吸附管外部的电阻丝。

6.根据权利要求5所述的吸附部件，其特征在于，

在所述吸附管与所述加热单元之间还包括一层绝缘套管，所述绝缘套管包裹于所述吸附管的外围。

7.根据权利要求5所述的吸附部件，其特征在于，

所述吸附部件还包括保护单元，所述保护单元为包裹于所述加热单元的外围。

8.根据权利要求5所述的吸附部件，其特征在于，

所述吸附部件还包括温度传感器，所述温度传感器设于吸附管外部，且位于绝缘套管与吸附管之间，用于显示吸附剂的温度。

9.根据权利要求1所述的吸附部件，其特征在于，

所述弱吸附剂为用于吸附C12-C30气相有机物的吸附剂。

10.根据权利要求2所述的吸附部件，其特征在于，

所述吸附管为316不锈钢。

11.根据权利要求3所述的吸附部件，其特征在于，

所述隔离物为玻璃纤维棉。

12.一种高低温构件，其特征在于，

包括权利要求1-11任一项所述的吸附部件。

13.根据权利要求12所述的高低温构件，其特征在于，

包括高温模块、低温模块及高低温切换模块；

所述高温模块为所述吸附部件中的加热单元；

所述低温模块包括制冷片、金属块，所述制冷片包括冷端；

所述金属块由中心位置设有半圆槽且能够开合的两个对称子金属块构成，所述吸附管能够贴合设置在两个对称子金属块形成的槽中。

14.根据权利要求13所述的高低温构件，其特征在于，

所述制冷片冷端紧贴于金属块。

15.根据权利要求14所述的高低温构件，其特征在于，

所述制冷片为能够使吸附管温度降至-40℃的三级半导体制冷元件。

16.根据权利要求15所述的高低温构件，其特征在于，

所述金属块为铜块。

17.根据权利要求16所述的高低温构件，其特征在于，

所述加热单元能够使所述吸附管升温至320℃。

18.根据权利要求13所述的高低温构件，其特征在于，

所述高低温切换模块包括气动驱动装置，所述气动驱动装置通过将低温金属块分开与闭合实现所述吸附管在高温模式和低温模式之间的切换。

19.根据权利要求18所述的高低温构件，其特征在于，

当所述气动驱动装置通入载气时，所述两个对称子金属块相对运动，使得所述两个对称子金属块与所述吸附管之间存在间隔，控制加热单元工作，处于高温模式；

当所述气动驱动装置不通载气时，所述两个对称子金属块相向运动，使得所述两个对称子金属块贴合所述吸附管，控制加热单元停止工作，处于低温模式。

20.一种前处理装置，其中，包括权利要求1-11任一项所述的吸附部件或权利要求12-19任一项所述的高低温构件。