CN220819823U - 一种气固两相水溶性有机物和颗粒物吸光性的高时间分辨在线观测装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种气固两相水溶性有机物和颗粒物吸光性的高时间分辨在线观测装置，包括气相和颗粒相采样系统，样品收集系统，水溶性无机离子分析系统，WSOC分析系统，吸光度分析系统；所述气相和颗粒相采样系统包含粒径筛选器、湿式同心圆管扩散溶蚀器、WAD加热加湿装置和凝结微粒采样器；所述样品收集系统包括气态注射泵、颗粒态注射泵、逆止阀、0.22μm过滤头、除泡器和WAD/CPC收集蠕动泵；所述水溶性无机离子分析系统包括阳离子分析装置和阴离子分析装置；所述WSOC分析系统包括总有机碳/氮分析仪；所述吸光度分析系统包括液芯波导毛细流通池LWCC。本实用新型公开的在线观测装置能够对大气状态进行实时观测，自动采集和分析，使用方便。
Description
技术领域
本实用新型属于大气自动检测设备技术领域，涉及一种气固两相水溶性有机物和颗粒物吸光性的高时间分辨在线观测装置，能够以高时间分辨率采集气固两相水溶性有机物和颗粒物吸光性并进行在线观测。
背景技术
近些年，随着大气O3浓度的升高，大气氧化能力也随之增强，这导致高氧化程度的小分子有机物大量增加，这些有机物绝大多数都溶于水，并且具有较强的吸光能力，对改变大气辐射强迫和能见度有较大贡献。因此很有必要加强对水溶性有机物和吸光性的高频监测，以满足现有的科研需求。
在国外，仅有美国马里兰大学的Hennigan教授课题组实现了WSOC的气固两相在线观测，但其气相和固相是分开采集的，由两套独立系统构成，且两套结构系统差异较大，使得同时采集的成本很高。在国内，有个别课题组利用PILS系统仅实现了颗粒相WSOC的在线观测，无法做到气固两相兼顾。
鉴于WSOC和吸光度等数据对大气观测的重要性，因此亟需可以同时测量气固两相WSOC和颗粒物吸光性的低成本系统来克服上述缺陷。
实用新型内容
为了解决现有技术存在的不足，本实用新型的目的是提供一种气固两相水溶性有机物和颗粒物吸光性的高时间分辨在线观测装置。
本实用新型为了克服目前气固两相WSOC采集的缺陷，提出的一种兼顾两方面的集成式高分辨率采样分析系统，具有高分辨，多功能，稳定性高等优点。
本实用新型采用以下技术方案：
本实用新型提出了一种气固两相水溶性有机物和颗粒物吸光性的高时间分辨在线观测装置，包括：气相和颗粒相采样系统，样品收集系统，水溶性无机离子分析系统，WSOC分析系统，吸光度分析系统。
其中，所述气相和颗粒相采样系统将气相和颗粒相/固相的水溶性物质分别采集。气相和颗粒相采样系统包含粒径筛选器(PM2.5)、湿式同心圆管扩散溶蚀器(WetAnnularDenuder,WAD)、WAD加热加湿装置和凝结微粒采样器(CondensationParticle Collector,CPC)四部分；
所述粒径筛选器(PM2.5)包括：PM10采样头和PM2.5筛选器，用于分离空气动力学直径小于2.5mm的颗粒态和气态物质；
所述湿式同心圆管扩散溶蚀器中用于利用润湿吸收液的内外管间隙吸收可溶性气体；
所述WAD加热加湿装置用于提供过饱和的蒸汽环境。
所述凝结微粒采样器用于冷凝获得气溶胶凝结样品；
所述粒径筛选器(PM2.5)和所述湿式同心圆管扩散溶蚀器分别与所述WAD加热加湿装置的一端连接，所述WAD加热加湿装置的另一端连接所述凝结微粒采样器。
所述样品收集系统包括：气态注射泵、颗粒态注射泵、逆止阀、0.22μm过滤头、除泡器和WAD/CPC收集蠕动泵；
所述气态注射泵用于将采集的气相样品注射到离子色谱中进行分析；
所述颗粒态注射泵用于将采集的气溶胶样品泵入到离子色谱中进行分析；
所述逆止阀防止液体回流；
所述0.22μm过滤头用于过滤样品中的非水溶性颗粒物；
所述除泡器用于清除管路内留存的气泡；
所述WAD/CPC收集蠕动泵用于将收集的气相和颗粒相样品泵入到液芯波导毛细流通池LWCC中；
所述WAD加热加湿装置通过管道与第一除泡器相连，并经由第一除泡器分别通过管道连接气态注射泵和第二除泡器，经过第二除泡器后会对样品进行收集，进入自动收样装置中；
所述凝结微粒采样器通过管道与第一除泡器相连，并经由第一除泡器分别通过管道连接颗粒态注射泵和第二除泡器，经过第二除泡器后会对气凝胶样品进行收集，进入自动收样装置中。
所述水溶性无机离子分析系统包括：阳离子色谱分析装置和阴离子色谱分析装置，所述阳离子色谱分析装置和所述阴离子色谱分析装置分别同时与所述气态注射泵与所述颗粒态注射泵通过管道相连；所述水溶性无机离子分析系统生成的数据会通过有线或无线方式传输给控制与显示设备。
所述WSOC分析系统包括：总有机碳/氮分析仪，检测样品经蠕动泵和液芯波导毛细流通池LWCC通过连接管道输入，用于分析收集的气相和颗粒相样品中的水溶性有机碳/氮总量，并将相关的数据会通过有线或无线方式传输给控制与显示设备。
所述吸光度分析系统包括液芯波导毛细流通池LWCC，检测样品经蠕动泵通过连接管道输入，用于测量气相和颗粒相样品在230-800nm波长范围内的吸光度，并将相关的数据会通过有线或无线方式传输给控制与显示设备。
本实用新型在线观测系统，①可以实现气态和颗粒态水溶性物质的分别采集；②可以给出包含水溶性离子、有机胺、有机酸、吸光度、水溶性有机碳/氮等多种物质的分析；③可以给出逐小时的观测数据，相较于滤膜采集，时间分辨率大大提高。
本实用新型的有益效果包括：①该设备可以提供逐小时的样品分析数据，有利于实现大气环境的实时动态观测。②该设备可以较为全面分析各类水溶性化合物的相关参数，有利于大气反应机理的探讨和污染物源解析。③该设备属于模块化组成，用户可根据自身需要添加或删除相关分析模块。④该设备可以进行长时间在线分析，无需人员值守，维护方便，适合野外观测站的全年观测。
与现有的装置相比，本实验新型可以实现同步多组分分析，在保证数据质量的同时，给出了诸如有机酸、有机胺、棕碳和吸光度等大气观测重要参数的相关数据，可以从多角度，多层次对大气污染现状进行动态分析，并进行污染物源解析判定，提高了观测部门对大气污染突发事件响应的效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型结构示意图。
图2为本实用新型粒径筛选器结构示意图。
图3a为本实用新型湿式同心圆管扩散溶蚀器内部结构示意图。
图3b为图3a的局部放大图。
图4为逆止阀、0.22μm过滤头和WAD收样蠕动泵。
图5为水溶性无机离子系统和WSOC系统改进后数据与其他设备对比图。
图6为吸光度系统与滤膜采集的对比图。
图1-图6中，1-粒径筛选器、2-湿式同心圆管扩散溶蚀器、3-WAD加热加湿装置、4-凝结微粒采样器；5-气态注射泵、6-颗粒态注射泵、7-逆止阀、8-0.22μm过滤头、91-第一除泡器、92-第二除泡器、10-WAD/CPC收集蠕动泵；11-阳离子分析装置、12-阴离子分析装置；13-总有机碳/氮分析仪；14-液芯波导毛细流通池LWCC；15-PM10采样头；16-PM2.5筛选器；17-控制与显示设备。
具体实施方式
结合以下具体实施例和附图，对实用新型作进一步的详细说明。实施本实用新型的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本实用新型没有特别限制内容。
本实用新型公开了一种可以高时间分辨在线观测气固两相水溶性有机物和颗粒物吸光性的装置，属于大气化学外场观测领域。该装置是在原有中国台湾章嘉公司生产的In-situ Gas and Aerosol Compositions monitor,IGAC仪器的基础上对其进行了改进，使其能够实现气固两相水溶性有机物的高时间分辨在线观测，同时在线观测其吸光特性。改进点如下：1.改造吸收液的管路系统，使其再满足原气固两相酸碱物种观测的基础上，同步实现高时间分辨率气固两相水溶性有机物(WSOC)及气溶胶相光吸收特性的观测；2.改进仪器管路，降低仪器管路有机物的背景浓度；3.调整仪器采样体积，流速等，降低仪器检出限。可广泛用于超级站的长期观测。
本实用新型公开的在线观测装置能够对大气状态进行实时观测，自动采集和分析，使用方便。
本实用新型提出了一种气固两相水溶性有机物和颗粒物吸光性的高时间分辨在线观测装置，包括气相和颗粒相采样系统，样品收集系统，水溶性无机离子分析系统，WSOC分析系统，吸光度分析系统；
所述气相和颗粒相采样系统包含粒径筛选器(PM2.5)、湿式同心圆管扩散溶蚀器(Wet Annular Denuder,WAD)、WAD加热加湿装置和凝结微粒采样器(CondensationParticle Collector,CPC)；
所述样品收集系统包括气态注射泵、颗粒态注射泵、逆止阀、0.22μm过滤头、除泡器和WAD/CPC收集蠕动泵；
所述水溶性无机离子分析系统包括阳离子分析装置和阴离子分析装置，所述阳离子分析装置和所述阴离子分析装置分别同时与所述气态注射泵与所述颗粒态注射泵通过管道相连；所述水溶性无机离子分析系统生成的数据会通过有线或无线方式传输给控制与显示设备。
所述WSOC分析系统包括总有机碳/氮分析仪，检测样品经蠕动泵和液芯波导毛细流通池LWCC通过连接管道输入，用于分析收集的气相和颗粒相样品中的水溶性有机碳/氮总量，并将相关的数据会通过有线或无线方式传输给控制与显示设备。
所述吸光度分析系统包括液芯波导毛细流通池LWCC，检测样品经蠕动泵通过连接管道输入，用于测量气相和颗粒相样品在230-800nm波长范围内的吸光度，并将相关的数据会通过有线或无线方式传输给控制与显示设备。
实施例
本实用新型中提出了一种气固两相水溶性有机物和颗粒物吸光性的高时间分辨在线观测装置，具体如下：
本实用新型装置中的气相和颗粒相采样系统包含粒径筛选器(PM2.5)、湿式同心圆管扩散溶蚀器(WetAnnular Denuder,WAD)、WAD加热加湿装置和凝结微粒采样器(Condensation Particle Collector,CPC)；
所述粒径筛选器(PM2.5)包括PM10采样头和PM2.5筛选器，用于分离空气动力学直径小于2.5mm的颗粒态和气态物质；所述PM10采样头和PM2.5筛选器直接相连。
所述湿式同心圆管扩散溶蚀器中用于利用润湿吸收液的内外管间隙吸收可溶性气体；
所述WAD加热加湿装置通过对超纯水(电阻率>18.2MΩ·cm)加热来提供过饱和的蒸汽环境，提高颗粒态物质的采集效率。
所述凝结微粒采样器用于冷凝获得气溶胶凝结样品；
所述粒径筛选器(PM2.5)和所述湿式同心圆管扩散溶蚀器分别与所述WAD加热加湿装置的一端连接，所述WAD加热加湿装置的另一端连接所述凝结微粒采样器。
在采样过程中，由WAD收样蠕动泵提供采样动力(泵流速为16.67L/min)，通过PM2.5粒径切割器，将气态物质和小于2.5μm的颗粒态物质抽取进来，气态物质和颗粒态物质分别由WAD和CPC进行采集；在WAD中，吸收液从上方注入，流过WAD之内外管气体和颗粒物通过湿润内外管间隙，因扩散原理致使NH4 +、SO4 2-、NO2 -等气体中易溶水的离子和小分子水溶性有机物吸收在内外管壁的吸收液中并被冲提携出，最后将所收集水样经除泡过滤后再导入离子层析仪分析溶于水中的气体离子成分。经过WAD后未溶于吸收液的气态物质被单独收集，另一部分颗粒态物质经过加热加湿装置后形成高温蒸汽，蒸汽到达CPC后因温度剧减达成过饱和的潮湿环境，颗粒物因大量环境水蒸气凝结而导致气溶胶质量与体积的增加，后端由惯性冲击而将增大的欲收集气溶胶自采样气流分离并收集。最后将所收集水样经除泡过滤后再导入离子层析仪分析溶解的气溶胶离子成分。
本实用新型中蒸汽定量泵(位于WAD加热加湿旁，用于控制加入蒸汽的流速)流速采用1.2mL/min。
样品收集系统主要包括气态注射泵、颗粒态注射泵、逆止阀、0.22μm过滤头、除泡器和WAD/CPC收集蠕动泵。
所述气态注射泵用于将采集的气相样品注射到离子色谱中进行分析；
所述颗粒态注射泵用于将采集的气溶胶样品泵入到离子色谱中进行分析；
所述逆止阀防止液体回流；
所述0.22μm过滤头用于过滤样品中的非水溶性颗粒物；
所述除泡器用于清除管路内留存的气泡；
所述WAD/CPC收集蠕动泵用于将收集的气相和颗粒相样品泵入到液芯波导毛细流通池LWCC中；
所述样品收集系统分别由WAD/CPC的注射泵和蠕动泵提供动力，采集到的气态和颗粒态水溶液经由0.22μm聚醚砜材质的水相过滤头过滤，滤液经过除泡器排出管路中的气泡后进入分析系统。
本实用新型的装置在采集到的液体样品在进入水溶性无机离子分析系统开始离子色谱分析前将样品分流，一部分进入离子色谱中分析，进行后续的水溶性有机碳/氮(WSOC/N)和紫外可见吸光度的分析。
此外，液体收集量采用50mL；将蠕动泵的流速设为0.25mL/min.
本实用新型中，气态和颗粒态中水溶性的无机离子、小分子有机酸、有机胺物质由美国Thermo公司生产的IC-5000离子色谱进行分析，WSOC/N由日本岛津公司生产的TOC-LCPH进行分析，紫外可见吸光度由由美国海洋光学生产的LWCC进行分析。
本实用新型中的离子色谱分析系统，可以同时测量小分子有机胺(甲胺、二甲胺、三甲胺、二乙胺)。
本实用新型还拓展了分析系统：除仪器原本连接的离子色谱外，还增加了WSOC/N。
本实用新型中的主要结构如图1所示，
颗粒物筛选系统(PM2.5)用于采集空气动力学直径小于2.5μm的颗粒态和气态物质。
PM2.5颗粒物筛选系统包含PM10采样头和PM2.5筛选器组成，可以有效的将空气动力学直径小于2.5μm的颗粒态物质采集下来。
湿式同心圆管扩散溶蚀器，当吸收液从上方注入，流过湿式同心圆管扩散溶蚀器之内外管，气体及颗粒物以16.67L/min的流量通过湿润内外管间隙，因扩散原理致使NH4 +、SO4 2-、NO2 -等气体中易溶水之离子吸收在内外管壁的吸收液中并被冲提携出，最后将所收集水样经除泡过滤后再导入离子层析仪分析溶于水中的气体离子成分。
为凝结微粒采样器，欲收集气溶胶与饱和蒸气均匀混合后经冷凝增大区(condensation growth chamber)因温度剧减达成过饱和的潮湿环境，气溶胶因大量环境水蒸气凝结而导致气胶质量与体积的增加，后端由于惯性冲击而将增大的欲收集气溶胶自采样气流分离并收集。最后将所收集水样经除泡过滤后再导入离子层析仪分析溶解的气溶胶离子成分，可同时分析的气溶胶水溶性离子包含F-、Cl-、NO2 -、Br-、NO3 -、PO4 3-、SO4 2-、Li+、Na+、NH4 +、K+、Mg2+、Ca2+等，有机酸，有机胺及水溶性有机碳。
第一除泡器和第二除泡器，用于收集清除管路内留存的气泡，以保证WSOC和吸光度分析系统测量的稳定性。
气态注射泵，用于将采集的气相样品注射到离子色谱中进行分析。
颗粒态注射泵，用于将采集的气溶胶样品泵入到离子色谱中进行分析。
阳离子色谱分析装置，用于分析样品中的Li+、Na+、NH4 +、K+、Mg2+、Ca2+和有机胺类化合物。
阴离子色谱分析装置，用于分析样品中的F-、Cl-、NO2 -、Br-、NO3 -、PO4 3-、SO4 2-和有机酸类化合物。
本实用新型中使用的阳离子色谱分析和阴离子色谱分析使用的装置为Anion IC-5000/Cation IC-5000阴阳离子色谱仪，除了用于分析除常规所需的无机离子外，可以同时测量有机酸和有机胺类物质。
自动收样装置，用于收集气相和颗粒相剩余的样品，保证样品分析所需的高分辨率。
WAD/CPC收集蠕动泵，用于将收集的气相和颗粒相样品泵入到LWCC中。
液芯波导毛细流通池LWCC，用于测量气相和颗粒相样品在230-800nm波长范围内的吸光度。
总有机碳/氮分析仪，用于分析收集的气相和颗粒相样品中的水溶性有机碳/氮总量。
本实用新型各部件之间的实体连接均用低溶出的特氟龙透明管相连接，以降低系统背景浓度。
本实用新型还可以通过在线观测技术进行在线定时观测：气态/颗粒态采样和收样系统均为24小时自动采集，离子色谱、LWCC和TOC/N将收集到的样品进行实时分析。
1.本设备每小时收集一个样品，大大提高了气固两相多组分的分辨率。从采集到分析均为自动进行，无需人工值守。
2.分析结果可以实时上传终端，操作人员可以远程监测仪器状态，检查数据质量。
3.拥有淋洗液发生装置(美国Thermo公司生产，位于仪器后方，阳离子为甲磺酸，阴离子为氢氧化钾)，只需定期补充纯水即可，维护简便。
本实用新型在使用时，与现有的相关技术进行了对比，如图5所示，气相数据(有机酸)与PTR-MS进行对比，其相关性系数达到了0.8，说明改进后的设备对气相物质的采集效率较高；如图6所示，颗粒相/固相数据(WSOC)与采集的滤膜进行对比，其相关性系数达到了0.89。说明改进后的设备对颗粒相物质的采集效率较高。
本实用新型的保护内容不局限于以上实施例。在不背离实用新型构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本实用新型中，并且以所附的权利要求书为保护范围。
Claims (4)
1.一种气固两相水溶性有机物和颗粒物吸光性的高时间分辨在线观测装置，其特征在于，包括：气相和颗粒相采样系统，样品收集系统，水溶性无机离子分析系统，WSOC分析系统，吸光度分析系统；其中，
所述气相和颗粒相采样系统包括：粒径筛选器、湿式同心圆管扩散溶蚀器、WAD加热加湿装置和凝结微粒采样器；所述湿式同心圆管扩散溶蚀器中用于利用润湿吸收液的内外管间隙吸收可溶性气体；所述WAD加热加湿装置用于提供过饱和的蒸汽环境；所述凝结微粒采样器用于冷凝获得气溶胶凝结样品；所述粒径筛选器和所述湿式同心圆管扩散溶蚀器分别与所述WAD加热加湿装置的一端连接，所述WAD加热加湿装置的另一端连接所述凝结微粒采样器；
所述样品收集系统包括：气态注射泵、颗粒态注射泵、逆止阀、0.22μm过滤头、除泡器和WAD/CPC收集蠕动泵；所述气态注射泵用于将采集的气相样品注射到离子色谱中进行分析；所述颗粒态注射泵用于将采集的气溶胶样品泵入到离子色谱中进行分析；所述逆止阀防止液体回流；所述0.22μm过滤头用于过滤样品中的非水溶性颗粒物；所述除泡器用于清除管路内留存的气泡；所述WAD/CPC收集蠕动泵用于将收集的气相和颗粒相样品泵入到液芯波导毛细流通池LWCC中；
所述水溶性无机离子分析系统包括：阳离子分析装置和阴离子分析装置；所述阳离子分析装置和所述阴离子分析装置分别同时与所述气态注射泵与所述颗粒态注射泵通过管道相连；所述水溶性无机离子分析系统生成的数据会通过有线或无线方式传输给控制与显示设备；
所述WSOC分析系统包括：总有机碳/氮分析仪；所述总有机碳/氮分析仪，检测样品经蠕动泵和液芯波导毛细流通池LWCC通过连接管道输入，用于分析收集的气相和颗粒相样品中的水溶性有机碳/氮总量，并将水溶性有机碳/氮总量数据会通过有线或无线方式传输给控制与显示设备；
所述吸光度分析系统包括：液芯波导毛细流通池LWCC；所述吸光度分析系统包括液芯波导毛细流通池LWCC，检测样品经蠕动泵通过连接管道输入，用于测量气相和颗粒相样品的吸光度，并将吸光度数据会通过有线或无线方式传输给控制与显示设备。
2.如权利要求1所述的在线观测装置，其特征在于，在气相和颗粒相采样系统中，所述粒径筛选器包括：PM10采样头和PM2.5筛选器，用于分离空气动力学直径小于2.5μm的颗粒态和气态物质。
3.如权利要求1所述的在线观测装置，其特征在于，所述除泡器包括：第一除泡器和第二除泡器；所述WAD加热加湿装置通过管道与第一除泡器相连，并经由第一除泡器分别通过管道连接气态注射泵和第二除泡器，经过第二除泡器后会对样品进行收集，进入自动收样装置中；
所述凝结微粒采样器通过管道与第一除泡器相连，并经由第一除泡器分别通过管道连接颗粒态注射泵和第二除泡器，经过第二除泡器后会对气凝胶样品进行收集，进入自动收样装置中。
4.如权利要求1所述的在线观测装置，其特征在于，所述液芯波导毛细流通池LWCC测量气相和颗粒相样品在230-800nm波长范围内的吸光度。
Priority Applications (1)
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| CN202321865622.1U CN220819823U (zh) | 2023-07-17 | 2023-07-17 | 一种气固两相水溶性有机物和颗粒物吸光性的高时间分辨在线观测装置 |
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