本发明涉及一种用于大气挥发性有机物测量的恒温吸附热解析装置,它包括一高温罐、一低温罐、一捕集阱,以及多个电磁阀和循环管路,高温罐、低温罐均由中间隔板分隔才成上腔室和下腔室,上、下腔室之间都设置有可打开和关闭的单向阀,下腔室中都装有一种比热容大、导热系数高的硅油,因此气源可以驱动硅油在下腔室、捕集阱和上腔室之间循环,为捕集阱提供了恒定低温和恒定高温,控制精准。本发明设置了多个电磁阀,通过各个单向阀的调节能够使气源与高温罐/低温罐的上、下腔体之间形成不同的通路,因此通过同一气源既能够驱动硅油从下腔室一次进入捕集阱和上腔室,也能够驱动捕集阱中的残余硅油回到下腔室;此外,上腔室中的硅油也能回流至下腔室,使得硅油可以反复利用以制备高温/低温环境。
1.一种用于大气挥发性有机物测量的恒温吸附热解析装置,其特征在于,它包括一高温罐、一低温罐和一捕集阱;所述高温罐包括一密闭的第一罐本体,所述第一罐本体的中部设置有一第一中间隔板,所述第一中间隔板将所述第一罐本体的内部分隔成第一上腔室和第一下腔室,在所述第一下腔室内装有硅油,在所述第一中间隔板的中心开设有一通孔,在所述第一罐本体的顶部中心紧固连接一第一气缸,所述第一气缸的输出轴伸入所述第一上腔室并紧固连接一第一单向阀,所述第一单向阀包括一与所述第一气缸的输出轴紧固连接的第一杆件,所述第一杆件的下端穿过所述第一中间隔板后紧固连接一第一堵头;在所述第一下腔室所在的所述第一罐本体外壁上包覆一层电加热圈;所述低温罐包括一密闭的第二罐本体,所述第二罐本体的中部设置有一第二中间隔板,所述第二中间隔板将所述第二罐本体的内部分隔成第二上腔室和第二下腔室,在所述第二下腔室内装有硅油,在所述第二中间隔板的中心开设有一通孔,在所述第二罐本体的顶部中心紧固连接一第二气缸,所述第二气缸的输出轴伸入所述第二上腔室并紧固连接一第二单向阀,所述第二单向阀包括一与所述第二气缸的输出轴紧固连接的第二杆件,所述第二杆件的下端穿过所述第二中间隔板后紧固连接一第二堵头;在所述第二下腔室所在的所述第二罐本体外壁上套置一制冷模块;所述捕集阱包括一套管和一内管,所述内管中装有吸附剂,在所述套管上分别设置有一进口和一出口,所述进口和所述出口均连通所述套管与所述内管之间的空隙;所述第一下腔室的上部通过管路连接一第一三通电磁阀的一个接头,所述第一三通电磁阀的另一个接头通过管路连接所述第二下腔室的上部,所述第一三通电磁阀的第三个接头通过管路连接一第二三通电磁阀的一个接头,所述第二三通电磁阀的另一个接头连通大气,所述第二三通电磁阀的第三个接头连接一第三三通电磁阀的一个接头,所述第三三通电磁阀的另一个接头通过管路连接一高压气源;所述第一下腔室的下部通过管路连接一第四三通电磁阀的一个接头,所述第四三通电磁阀的另一个接头通过管路连接所述第二下腔室的下部,所述第四三通电磁阀的第三个接头通过管路连接所述捕集阱的所述进口,所述捕集阱的所述出口通过管路连接一第五三通电磁阀的一个接头,所述第五三通电磁阀的另一个接头通过管路连接所述第三三通电磁阀的第三个接头,所述第五三通电磁阀的第三个接头通过管路连接一第六三通电磁阀的一个接头,所述第六三通电磁阀的另一个接头通过管路连接所述第一上腔室,所述第六三通电磁阀的第三个接头通过管路连接所述第二上腔室。
2.如权利要求1所述的一种用于大气挥发性有机物测量的恒温吸附热解析装置,其特征在于,在所述第一杆件上紧固套接一第一挡板,在位于所述第一挡板与所述第一中间隔板之间的所述第一杆件上套置一第一弹簧,所述第一弹簧的一端抵在所述第一挡板的底面,另一端抵在所述第一中间隔板的顶面;在所述第二杆件上紧固套接一第二挡板,在位于所述第二挡板与所述第二中间隔板之间的所述第二杆件上套置一第二弹簧,所述第二弹簧的一端抵在所述第二挡板的底面,另一端抵在所述第二中间隔板的顶面。
3.如权利要求1所述的一种用于大气挥发性有机物测量的恒温吸附热解析装置,其特征在于,所述第一气缸的两个输入端分别连接一第七三通电磁阀常闭端和常开端,所述第二气缸的两个输入端分别连接一第八三通电磁阀常闭端和常开端,所述第七三通电磁阀和所述第八三通电磁阀的第三个接头通过管路连接高压气源。
4.如权利要求2所述的一种用于大气挥发性有机物测量的恒温吸附热解析装置,其特征在于,所述第一气缸的两个输入端分别连接一第七三通电磁阀常闭端和常开端,所述第二气缸的两个输入端分别连接一第八三通电磁阀常闭端和常开端,所述第七三通电磁阀和所述第八三通电磁阀的第三个接头通过管路连接高压气源。
5.如权利要求1或2或3或4所述的一种用于大气挥发性有机物测量的恒温吸附热解析装置,其特征在于,所述制冷模块包括一套置在所述第二罐本体外壁上的导冷铝块,在所述导冷铝块的一侧粘贴一制冷片,所述制冷片的热端紧贴一固定在所述导冷铝块上的超频铜管散热器。
6.如权利要求1或2或3或4所述的一种用于大气挥发性有机物测量的恒温吸附热解析装置,其特征在于,在所述第一下腔室和所述第二下腔室中分别设置一磁子搅拌器;在所述第一下腔室和所述第二下腔室中分别设置一温度传感器。
7.如权利要求5所述的一种用于大气挥发性有机物测量的恒温吸附热解析装置,其特征在于,在所述第一下腔室和所述第二下腔室中分别设置一磁子搅拌器;在所述第一下腔室和所述第二下腔室中分别设置一温度传感器。
8.如权利要求1或2或3或4或7所述的一种用于大气挥发性有机物测量的恒温吸附热解析装置,其特征在于,在所述第一三通电磁阀与所述第二下腔室的上部的连接管路上设置一调压阀。
9.如权利要求5所述的一种用于大气挥发性有机物测量的恒温吸附热解析装置,其特征在于,在所述第一三通电磁阀与所述第二下腔室的上部的连接管路上设置一调压阀。
10.如权利要求6所述的一种用于大气挥发性有机物测量的恒温吸附热解析装置,其特征在于,在所述第一三通电磁阀与所述第二下腔室的上部的连接管路上设置一调压阀。技术领域
本发明涉及一种用于大气挥发性有机物测量系统的前处理装置,特别是关于一种用于大气挥发性有机物测量的恒温吸附热解析装置。
背景技术
挥发性有机物(Volatilexa0Organicxa0Compounds,VOCs)除了对人类健康及其大气环境的污染有影响以外,它还是对流层臭氧(O3)和二次有机气溶胶((SOA)等二次污染物的重要前体物,VOCs已经成为大气复合污染研究的关键物种。VOCs由于环境浓度变化范围大(典型物种如甲醛的环境浓度可到几十个ppb,戊醛、己醛等高碳醛酮类物质的环境浓度则低于0.1ppb)、反应活性高、许多物种寿命极端等特点一方面增加了对VOCs准确和全面测量的难度,另一方面对VOCs分析测量提出了前处理要求,因此建立一套稳定可靠的用于大气VOCs测量系统的前处理装置具有重要意义。目前国际标准组织推荐的VOCs检测方法是基于热解析原理的气相色谱法,美国国家环保局EPA环境空气标准TO-17、我国环境标准《环境空气-挥发性有机物的测定》(HJ644-2013)也明确规定采用吸附管采样-热脱附/气相色谱-质谱法测定大气中挥发性有机物。国内外与气相色谱联用测定VOCs的热解析仪,多采用液氮或者干冰作为冷冻剂,大量冷冻剂的使用不仅增加了实验费用,而且操作繁杂,不适用于野外观测和现场分析。基于半导体制冷,国外开发了一些小型低温捕集阱以实现对VOCs的富集浓缩,这些捕集阱一般是直接利用制冷片将低温传输至吸附剂,通过电热丝实现高温热解析,存在以下问题:第一,制冷片直接贴合捕集阱提供捕集低温,当气流通过时存在控温不稳的问题,捕集效率也受到很大影响;第二,电热丝作为热源进行高温热解析,存在加热不均匀,解析效率不稳等问题。因此建立一套控温精准的用于大气VOCs测量的吸附热解析装置成为大气VOCs精确测量的一个关键问题。
发明内容
针对上述问题,本发明的目的是提供一种捕集效率稳定、热解析充分的用于大气挥发性有机物测量的恒温吸附热解析装置。为实现上述目的,本发明采用以下技术方案:一种用于大气挥发性有机物测量的恒温吸附热解析装置,其特征在于,它包括一高温罐、一低温罐和一捕集阱;所述高温罐包括一密闭的第一罐本体,所述第一罐本体的中部设置有一第一中间隔板,所述第一中间隔板将所述第一罐本体的内部分隔成第一上腔室和第一下腔室,在所述第一下腔室内装有硅油,在所述第一中间隔板的中心开设有一通孔,在所述第一罐本体的顶部中心紧固连接一第一气缸,所述第一气缸的输出轴伸入所述第一上腔室并紧固连接一第一单向阀,所述第一单向阀包括一与所述第一气缸的输出轴紧固连接的第一杆件,所述第一杆件的下端穿过所述第一中间隔板后紧固连接一第一堵头;在所述第一下腔室所在的所述第一罐本体外壁上包覆一层电加热圈;所述低温罐包括一密闭的第二罐本体,所述第二罐本体的中部设置有一第二中间隔板,所述第二中间隔板将所述第二罐本体的内部分隔成第二上腔室和第二下腔室,在所述第二下腔室内装有硅油,在所述第二中间隔板的中心开设有一通孔,在所述第二罐本体的顶部中心紧固连接一第二气缸,所述第二气缸的输出轴伸入所述第二上腔室并紧固连接一第二单向阀,所述第二单向阀包括一与所述第二气缸的输出轴紧固连接的第二杆件,所述第二杆件的下端穿过所述第二中间隔板后紧固连接一第二堵头;在所述第二下腔室所在的所述第二罐本体外壁上套置一制冷模块;所述捕集阱包括一套管和一内管,所述内管中装有吸附剂,在所述套管上分别设置有一进口和一出口,所述进口和所述出口均连通所述套管与所述内管之间的空隙;所述第一下腔室的上部通过管路连接一第一三通电磁阀的一个接头,所述第一三通电磁阀的另一个接头通过管路连接所述第二下腔室的上部,所述第一三通电磁阀的第三个接头通过管路连接一第二三通电磁阀的一个接头,所述第二三通电磁阀的另一个接头连通大气,所述第二三通电磁阀的第三个接头连接一第三三通电磁阀的一个接头,所述第三三通电磁阀的另一个接头通过管路连接一高压气源;所述第一下腔室的下部通过管路连接一第四三通电磁阀的一个接头,所述第四三通电磁阀的另一个接头通过管路连接所述第二下腔室的下部,所述第四三通电磁阀的第三个接头通过管路连接所述捕集阱的所述进口,所述捕集阱的所述出口通过管路连接一第五三通电磁阀的一个接头,所述第五三通电磁阀的另一个接头通过管路连接所述第三三通电磁阀的第三个接头,所述第五三通电磁阀的第三个接头通过管路连接一第六三通电磁阀的一个接头,所述第六三通电磁阀的另一个接头通过管路连接所述第一上腔室,所述第六三通电磁阀的第三个接头通过管路连接所述第二上腔室。在所述第一杆件上紧固套接一第一挡板,在位于所述第一挡板与所述第一中间隔板之间的所述第一杆件上套置一第一弹簧,所述第一弹簧的一端抵在所述第一挡板的底面,另一端抵在所述第一中间隔板的顶面;在所述第二杆件上紧固套接一第二挡板,在位于所述第二挡板与所述第二中间隔板之间的所述第二杆件上套置一第二弹簧,所述第二弹簧的一端抵在所述第二挡板的底面,另一端抵在所述第二中间隔板的顶面。所述第一气缸的两个输入端分别连接一第七三通电磁阀常闭端和常开端,所述第二气缸的两个输入端分别连接一第八三通电磁阀常闭端和常开端,所述第七三通电磁阀和所述第八三通电磁阀的第三个接头通过管路连接高压气源。所述制冷模块包括一套置在所述第二罐本体外壁上的导冷铝块,在所述导冷铝块的一侧粘贴一制冷片,所述制冷片的热端紧贴一固定在所述导冷铝块上的超频铜管散热器。在所述第二下腔室和所述第二下腔室中分别设置一磁子搅拌器;在所述第一下腔室和所述第二下腔室中分别设置一温度传感器。在所述第一三通电磁阀与所述第二下腔室的上部的连接管路上设置一调压阀。本发明由于采取以上技术方案,其具有以下优点:1、本发明设计了一种套管式石英捕集阱,利用比热容大,导热系数高并可同时满足高低温导热要求的硅油作为导热介质在套管内循环,当气流通过时,捕集阱内温度波动≤0.1°C吸附剂在接近恒温条件下进行低温吸附和高温热解析,保证了对大气VOCs的定量捕集和定量热解析,提高了对大气VOCs测量的准确度和精确度。2、本发明研发了一种新阀体(单向阀)、设置了多个电磁阀,通过各个电磁阀的调节能够使气源与高温罐/低温罐的上、下腔体之间形成不同的通路,因此通过同一气源既能够驱动硅油从下腔室一次进入捕集阱和上腔室,也能驱动套管和管路中残存的硅油回到各自下腔体内,既减少了热量交换、提高了控温准确性,又降低了能耗,实现了高低温硅油的无泵循环。3、本发明在高温罐的下腔室和低温罐的下腔室中分别设置一磁子搅拌器,磁子搅拌器有利于下腔室内温度分布均匀。4、本发明单向阀中的杆件上设置有一挡板,在位于挡板与中间隔板之间的杆件上套置有弹簧,弹簧压缩时对挡板具有反作用力,当气缸输出轴带动杆件上移时,弹簧也能够提供给挡板一个额外的向上的力,有利于增强单向阀堵头对中间隔板通孔的密封效果。5、本发明所用电器设备额定电压均为24V,最大运行功率为160W、便于实现对大气VOCs的车载或机载测量。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图;图2是本发明捕集器的结构示意图;图3是本发明制冷模块的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。如图1所示,本发明包括一高温罐1、一低温罐2和一捕集阱3。高温罐1包括一密闭的罐本体11,罐本体11的中部设置有一中间隔板12,中间隔板12将罐本体11的内部空间分隔成上、下两个腔室13、14,在下腔室14中装有硅油。在中间隔板12的中心处开设有一通孔。在罐本体11的顶部中心处紧固连接一气缸15,气缸15的输出轴伸入罐本体11的上腔室13并紧固连接一单向阀16。单向阀16包括一与气缸15的输出轴紧固连接的杆件161,杆件161的下端穿过中间隔板12的通孔后紧固连接一堵头162,堵头162可以采用圆形堵头,其直径大于中间隔板12上的通孔的直径,使得堵头162能够堵住通孔从而实现上、下两腔室13、14的密封隔离。在杆件161上紧固套接一挡板163,在位于挡板163与中间隔板12之间的杆件161上套置一弹簧164,弹簧164的一端抵在挡板163的底面,另一端抵在中间隔板12的顶面。堵头162可以采用圆形堵头,其直径大于中间隔板12上的通孔的直径,使得堵头162能够堵住通孔从而实现上、下两腔室13、14的密封隔离。为增强单向阀16的隔离效果,还可以在堵头163与中间隔板12的接触处设置一密封圈。在下腔室14所在的管本体11外壁上包覆一层电加热圈17。低温罐2包括一密闭的罐本体21,罐本体21的中部设置有一中间隔板22,中间隔板22将罐本体21的内部空间分隔成上、下两个腔室23、24,在下腔室24中装有硅油。在中间隔板22的中心处开设有一通孔。在罐本体11的顶部中心处紧固连接一气缸25,气缸25的输出轴伸入罐本体的上腔室23并紧固连接一单向阀26。单向阀26包括一与气缸25的输出轴紧固连接的杆件261,杆件261的下端穿过中间隔板22的通孔后紧固连接一堵头262,堵头262可以采用圆形堵头,其直径大于中间隔板22上的通孔的直径,使得堵头262能够堵住通孔从而实现上、下两腔室23、24的密封隔离。在杆件261上紧固套接一挡板263,在位于挡板263与中间隔板22之间的杆件261上套置一弹簧264,弹簧264的一端抵在挡板263的底面,另一端抵在中间隔板22的顶面。堵头262可以采用圆形堵头,其直径大于中间隔板22上的通孔的直径,使得堵头262能够堵住通孔从而实现上、下两腔室23、24的密封隔离。为增强单向阀26的隔离效果,还可以在堵头263与中间隔板22的接触处设置一密封圈。在下腔室24所在的管本体21外壁上套置一制冷模块27。如图1、图2所示,捕集阱3包括一套管31和一内管32,套管31和内管32均为石英材质,内管32中装有吸附剂,在套管31上分别设置有一进口33和一出口34,进口33和出口34均连通套管31与内管32之间的空隙。高温罐1下腔室14的上部通过管路连接一三通电磁阀4的一个接头,三通电磁阀4的另一个接头通过管路连接低温罐2下腔室24的上部,在三通电磁阀4与下腔室24的上部的连接管路上设置有一调压阀20,调压阀20的作用是通过调节罐本体11、21的气压来实现对硅油流动速度的控制。三通电磁阀4的第三个接头通过管路连接一三通电磁阀5的一个接头,三通电磁阀5的另一个接头连通大气,三通电磁阀5的第三个接头连接一三通电磁阀6的一个接头,三通电磁阀6的另一个接头通过管路连接一高压气源(图中未示出)。高温罐1下腔室14的下部通过管路连接一三通电磁阀7的一个接头,三通电磁阀7的另一个接头通过管路连接低温罐2下腔室24的下部,三通电磁阀7的第三个接头通过管路连接捕集阱3的进口,捕集阱3的出口通过管路连接一三通电磁阀8的一个接头,三通电磁阀8的另一个接头通过管路连接三通电磁阀6的第三个接头,三通电磁阀8的第三个接头通过管路连接一三通电磁阀9的一个接头,三通电磁阀9的另一个接头通过管路连接高温罐1的上腔室,三通电磁阀9的第三个接头通过管路连接低温罐2的上腔室。上述实施例中,气缸15的两个输入端分别连接一三通电磁阀18的NC端(常闭端)和NO端(常开端),气缸25的两个输入端分别连接一三通电磁阀19的NC(常闭端)和NO端(常开端),三通电磁阀18和三通电磁阀19的第三个接头(公共端)通过管路连接高压气源(可以是上述高压气源,也可以是一个独立的高压气源)。上述实施例中,可以在高压气源与三通电磁阀6之间的管路上设置一两通阀10,两通阀10用于控制整个传输管路的输入。上述实施例中,如图3所示,制冷模块27包括一套置在罐本体21外壁上的导冷铝块271,在导冷铝块271的一侧粘贴一制冷片272,制冷片272的热端紧贴一固定在导冷铝块271上的超频铜管散热器。上述实施例中,在高温罐1的下腔室14和低温罐2的下腔室24中分别设置一温度传感器19、29,温度传感器19用以测量高温罐1下腔室14中的温度,以此为参照来控制电加热圈17的加热状态;温度传感器29用以测量低温罐2下腔室24中的温度,以此为参照来控制制冷模块27的制冷状态。上述实施例中,在高温罐1的下腔室14和低温罐2的下腔室24中分别设置一磁子搅拌器20、30,磁子搅拌器20、30有利于下腔室14、24内温度分布均匀。利用本发明进行一次完整的恒温吸附解析工作过程如下:1、调节三通电磁阀4和三通电磁阀5,使高温罐1下腔室14、低温罐2下腔室24与大气接通,保证下腔室14、24内压力与大气压相等,开启电加热圈17和制冷模块27,控制高温罐1内硅油温度稳定在260°C、低温罐2内硅油温度稳定在-8°C。2、调节三通电磁阀6、5、4、7、8、9,使三通电磁阀5的接大气接口关闭、高压气源至低温罐2下腔室24的管路导通、低温罐2下腔室24至捕集阱3进口33的管路导通、捕集阱3出口34至低温罐2上腔室23的管路导通,开启高压气源,控制其输入气压恒定在0.18Mpa,气压驱动低温罐2内的低温(-8°C)硅油进入到捕集阱3套管31与内管32之间的空隙,再回到低温罐2上腔室23中;在低温硅油流过捕集阱3的过程中,利用捕集阱3在低温环境中进行捕集。3、当捕集完成后,调节三通电磁阀6、8、5,使三通电磁阀6至三通电磁阀5之间的管路关闭、高压气源至捕集阱3出口34的管路导通、捕集阱3进口33至低温罐2下腔室24的管路导通、低温罐2下腔室24与大气连通,利用高压气体驱动残存在管路以及捕集阱3中的硅油回到低温罐2下腔室24中。4、开启气缸25所连接的气源并调节三通电磁阀19,气缸25的输出轴带动单向阀26的杆件261向下移动,从而堵头262离开中间隔板22上的通孔,低温罐2上腔室23中的硅油在重力的驱动下流到下腔室24,重新进行制备恒定低温。5、调节三通电磁阀6、5、4、7、8、9,使三通电磁阀5的接大气接口关闭、高压气源至高温罐1下腔室14的管路导通、高温罐1下腔室14至捕集阱3进口33的管路导通、捕集阱3出口34至高温罐1上腔室13的管路导通,控制高压气源的输入气压恒定在0.3Mpa,气压驱动高温罐1内的高温(260°C)硅油进入到捕集阱3套管31与内管32之间的空隙,再回到高温罐1上腔室13中;在高温硅油流过捕集阱3的过程中,利用捕集阱3在高温环境中进行解析。6、当解析完成后,调节三通电磁阀6、8、5,使三通电磁阀6至三通电磁阀5之间的管路关闭、高压气源至捕集阱3出口34的管路导通、捕集阱3进口33至高温罐1下腔室14的管路导通、高温罐1下腔室14与大气连通,利用高压气体驱动残存在管路以及捕集阱3中的硅油回到高温罐1下腔室14中。7、开启气缸15所连接的气源并调节三通电磁阀18,气缸15的输出轴带动单向阀16的杆件161向下移动,从而堵头162离开中间隔板12上的通孔,高温罐1上腔室13中的硅油在重力的驱动下流到下腔室14,重新进行制备恒定高温(300°C)。8、调节三通电磁阀6、5、8,使三通电磁阀5的接大气接口关闭、三通电磁阀6至三通电磁阀8的管路关闭、高压气源至高温罐1下腔室14的管路导通、高温罐1下腔室14至捕集阱3进口33的管路导通、捕集阱3出口34至高温罐1上腔室13的管路导通,控制高压气源的输入气压恒定在0.3Mpa,气压驱动高温罐1内的高温(300°C)硅油进入到捕集阱3套管31与内管32之间的空隙,再回到高温罐1上腔室13中;在高温硅油流过捕集阱3的过程中,对捕集阱3内管32中的吸附剂进行再生。9、当再生完成后,调节三通电磁阀6、8、5,使三通电磁阀6至三通电磁阀5之间的管路关闭、高压气源至捕集阱3出口34的管路导通、捕集阱3进口33至高温罐1下腔室14的管路导通、高温罐1下腔室14与大气连通,利用高压气体驱动残存在管路以及捕集阱3中的硅油回到高温罐1下腔室14中,重新进行制备恒定高温(260°C)。本发明仅以上述实施例进行说明,各部件的结构、设置位置及其连接都是可以有所变化的,在本发明技术方案的基础上,凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换,均不应排除在本发明的保护范围之外。