專利名稱：自動(dòng)測量大氣氣溶膠中有機(jī)碳/元素碳質(zhì)量濃度的設(shè)備及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及環(huán)保檢測領(lǐng)域，是一種自動(dòng)測量大氣氣溶膠中有機(jī)碳/元素碳質(zhì) 量濃度的設(shè)備及方法。
背景技術(shù)：
有機(jī)碳和元素碳作為氣溶膠的重要組成部分，危害人類健康、降低城市能見 度、破壞地球輻射平衡影響全球氣候，從而成為氣溶膠領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向。目 前有機(jī)碳和元素碳的分析方法主要分為熱學(xué)法和光學(xué)法兩大類。
熱學(xué)分析法基本原理是根據(jù)有機(jī)碳、元素碳的揮發(fā)性不同，在不同的溫度下 逸出率不同而對兩者加以區(qū)分，揮發(fā)、熱解和氧化的碳經(jīng)過催化劑的作用轉(zhuǎn)化為 C02，再用NDIR儀器檢測C02。熱學(xué)法設(shè)備簡單，容易操作，但是熱學(xué)分析法 一直無法解決熱分析過程中有機(jī)碳向元素碳的炭化的問題，同時(shí)也不能保證在分 析元素碳之前有機(jī)碳已經(jīng)完全氧化。這些都給測量帶來極大的不準(zhǔn)確性。
光學(xué)測定法較熱學(xué)法先進(jìn)之處在于可以做到實(shí)時(shí)在線檢測，光學(xué)法的測量原 理是單位面積膜上的元素碳的沉積量MEC與光學(xué)衰減量A呈線性關(guān)系
A=In(I0/I)= o MEC
式中IQ—一為透過濾膜前的光強(qiáng)； I一一為透過濾膜后的光強(qiáng)；
MEC—一是單位面積采樣膜上的EC質(zhì)量，單位g'nT2 o —一EC質(zhì)量衰減系數(shù)，即單位面積的濾膜上沉積有單位質(zhì)量EC時(shí)的衰 減，單位m2g—1。
所以可以通過測量透過濾膜前后的光強(qiáng)來推算濾膜上元素碳的沉積量。光學(xué) 測定法的缺點(diǎn)在于只能測量對光吸收較強(qiáng)的元素碳，而對光吸收較弱的有機(jī)碳成 分就無法測定了。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種自動(dòng)測量大氣氣溶膠中有機(jī)碳/元素碳質(zhì)量濃度的 設(shè)備及方法，以解決傳統(tǒng)技術(shù)中熱學(xué)分析法不準(zhǔn)確性大，以及光學(xué)測定法無法測
4定有機(jī)碳的問題。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為
自動(dòng)測量大氣氣溶膠中有機(jī)碳/元素碳質(zhì)量濃度的設(shè)備，其特征在于包括 有石英爐，所述石英爐包括一體化的相互聯(lián)通呈直線排列的燃燒爐、氧化爐，燃 燒爐內(nèi)固定有一石英濾膜，燃燒爐前端有一進(jìn)光口，所述的進(jìn)光口上安裝有透光 窗片，所述的透光窗片前方安裝有激光器，所述燃燒爐前端分別聯(lián)通有氦氣進(jìn)氣 管道與氦、氧混合氣進(jìn)氣管道，氦氣進(jìn)氣管道與氦、氧氣混合氣進(jìn)氣管道中分別 安裝有電磁闊門，氦氣和氦、氧混合氣的混合氣體通過電磁閥門及管道由燃燒爐 進(jìn)入氧化爐；氧化爐后端安裝有透光視窗，透光視窗后端光路中安裝有激光探測 器，所述的氧化爐后端聯(lián)通C02溢出管通向NDIR檢測模塊，所述C02溢出管 中也安裝有電磁闊門。
所述的自動(dòng)測量大氣氣溶膠中有機(jī)碳/元素碳質(zhì)量濃度的設(shè)備，其特征在于 燃燒爐和氧化爐內(nèi)都安裝有熱電偶，用于測量爐內(nèi)溫度。
自動(dòng)測量大氣氣溶膠中有機(jī)碳/元素碳質(zhì)量濃度的方法，其特征在于
(1) 、設(shè)置石英爐，石英爐包括一體化的燃燒爐和氧化爐，燃燒爐和氧化爐 內(nèi)分別安裝熱電偶測量爐內(nèi)溫度；待測石英濾膜置于燃燒爐內(nèi)；在透明的燃燒爐 外，濾膜的兩側(cè)，分別安裝激光器和激光探測器；He/02、 He、 He/CH4等分析 氣通過閥控網(wǎng)絡(luò)由燃燒爐進(jìn)入石英爐；氧化爐的出氣端通往基于NDIR原理的 C02檢測模塊。
(2) 、第一階段閥控網(wǎng)絡(luò)往石英爐內(nèi)注入He，程序控制燃燒爐升溫到850度， 在這個(gè)過程中， 一部分有機(jī)碳揮發(fā)并逸出，沒有逸出的有機(jī)碳被高溫碳化為元素 碳；逸出的有機(jī)碳通過管道進(jìn)入填充Mn02催化劑的氧化爐，被轉(zhuǎn)化為C02， C02通過閥控網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入NDIR檢測模塊，被量化檢測；檢測完畢后，燃燒爐溫度 降到600度，該階段氧化爐始終保持850'C;
(3) 、第二階段閥控網(wǎng)絡(luò)往石英爐內(nèi)注入He/02混和氣，第二次升溫開始，將 燃燒爐加熱到850度，在這個(gè)過程中，在02的氧化作用下，元素碳和步驟(2) 中被碳化的有機(jī)碳被氧化為C02并逸出，逸出的C02通過管道入NDIR檢測模 塊，被量化檢測，該階段氧化爐始終保持85(TC;
(4) 、為了區(qū)分有機(jī)碳和元素碳的濃度，在整個(gè)加熱過程中，激光器發(fā)出的激光打在石英濾膜上，并由激光探測器接收透過石英膜的激光信號(hào)；在步驟(2)中， 由于有機(jī)碳被碳化為元素碳，所以接收到的透射激光會(huì)逐漸減弱；在步驟(3)中， 隨著氧化爐內(nèi)充He/02混和氣，石英濾膜上的元素碳被氧化逸出，接收到的透 射激光逐漸變強(qiáng)，透射光強(qiáng)恢復(fù)到最初水平的時(shí)刻是有機(jī)碳、元素碳的分割點(diǎn)， 即此刻之前NDIR檢測模塊量化的C02被認(rèn)為是有機(jī)碳的貢獻(xiàn)，而此刻之后量 化的C02被認(rèn)為是元素碳的貢獻(xiàn)。
承載氣溶膠樣品的石英濾膜首先在氦氣(He)的非氧化環(huán)境中逐級升溫，致使 有機(jī)碳被加熱揮發(fā)(該過程中也有部分有機(jī)碳被炭化，即熱解碳)；此后樣品又 在氦氣/氧氣混和氣(He/02)環(huán)境中逐級升溫，該過程中元素碳被氧化分解為氣 態(tài)氧化物。這兩個(gè)步驟中所產(chǎn)生的分解產(chǎn)物都隨著通過分析室的載氣(同時(shí)也是 環(huán)境氣及反應(yīng)氣，亦即He或He/02)經(jīng)過二氧化錳(Mn02)氧化爐被轉(zhuǎn)化為C02后 由NDIR方法定量檢測。整個(gè)過程中都有一束激光照在石英膜上，這樣在有機(jī)碳 炭化時(shí)該激光的透射光的強(qiáng)度會(huì)逐漸減弱，而在He切換成He/02并加溫時(shí)、隨 著熱解碳和元素碳的氧化分解該激光之透射光會(huì)逐漸增強(qiáng)。當(dāng)透射光的強(qiáng)度恢復(fù) 到起始強(qiáng)度時(shí)，這一時(shí)刻就定義為有機(jī)碳/元素碳的分割點(diǎn)、亦即該時(shí)刻之前檢 測到的碳量就定義為起始時(shí)的有機(jī)碳，而其后檢測到的碳量則定義為起始元素 碳。
本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，方法易于實(shí)現(xiàn)，有效地解決了傳統(tǒng)技術(shù)中熱學(xué)分析法不準(zhǔn) 確性大，以及光學(xué)測定法無法測定有機(jī)碳的問題，大大提高了測量大氣氣溶膠中 有機(jī)碳/元素碳質(zhì)量濃度的速率，并且具有較高的準(zhǔn)確度。


圖l為本發(fā)明設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
自動(dòng)測量大氣氣溶膠中有機(jī)碳/元素碳質(zhì)量濃度的設(shè)備，包括有石英爐，所 述石英爐包括一體化的相互聯(lián)通呈直線排列的的燃燒爐8、氧化爐9，燃燒爐8 內(nèi)固定有一石英濾膜6，石英濾膜6旁邊安裝有熱電偶7，燃燒爐8前端有一進(jìn) 光口，所述的進(jìn)光口安裝有透光窗片，所述的透光窗片前方安裝有激光器4，所 述燃燒爐8前端分別聯(lián)通有氦氣進(jìn)氣管道與氦氣、氧氣混合進(jìn)氣管道，氦氣進(jìn)氣 管道與氦氣、氧氣混合進(jìn)氣管道中分別安裝有電磁閥門l和2，氦氣和氦氧混合氣的混合氣體通過電磁閥門及管道由燃燒爐進(jìn)入氧化爐；氧化爐9后端安裝有透 光視窗，透光視窗后端光路中安裝有激光探測器5，接收從激光器4發(fā)出的光， 所述的氧化爐9后端聯(lián)通C02溢出管通向NDIR檢測模塊10，所述C02溢出管 中也安裝有電磁閥門3。
自動(dòng)測量大氣氣溶膠中有機(jī)碳/元素碳質(zhì)量濃度的方法，其步驟如下
(1) 、設(shè)置石英爐，石英爐分為一體化的燃燒爐和氧化爐，燃燒爐和氧化爐 內(nèi)分別安裝熱電偶測量爐內(nèi)溫度；待測石英濾膜置于燃燒爐內(nèi)；在透明的燃燒爐 夕卜，濾膜的兩側(cè)，分別安裝激光器和激光探測器；可將He/02、 He、 He/CH4等 分析氣通過閥控網(wǎng)絡(luò)由燃燒爐進(jìn)入石英爐；氧化爐的出氣端通往基于NDIR原理 的C02檢測模塊。
(2) 、第一階段閥控網(wǎng)絡(luò)往石英爐內(nèi)注入He，程序控制燃燒爐升溫到850度， 在這個(gè)過程中， 一部分有機(jī)碳揮發(fā)并逸出，沒有逸出的有機(jī)碳被高溫碳化為元素 碳；逸出的有機(jī)碳通過管道進(jìn)入氧化爐，氧化爐內(nèi)填充Mn02催化劑，逸出的 有機(jī)碳通過氧化爐被轉(zhuǎn)化為C02， C02通過閥控網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入NDIR檢測模塊，被 量化檢測；檢測完畢后，燃燒爐溫度降到600度；
(3) 、第二階段閥控網(wǎng)絡(luò)想石英爐內(nèi)注入He/02混和氣，第二次升溫開始，將 燃燒爐加熱到850度，在這個(gè)過程中，在02的氧化作用下，元素碳和步驟(2) 中被碳化的有機(jī)碳被氧化為C02并逸出，逸出的C02通過管道入NDIR檢測模 塊，被量化檢測；步驟(2)及步驟(3)中，氧化爐溫度維持在850度。
(4) 、為了區(qū)分有機(jī)碳和元素碳的濃度，在整個(gè)加熱過程中，激光器發(fā)出的激 光打在石英濾膜上，并由激光探測器接收透過石英膜的激光信號(hào)；在步驟(2)中， 由于有機(jī)碳被碳化為元素碳，所以接收到的透射激光會(huì)逐漸減弱；在步驟(3)中， 隨著氧化爐內(nèi)充He/02混和氣，石英濾膜上的元素碳被氧化逸出，接收到的透是 有機(jī)碳、元素碳的分割點(diǎn)，即此刻之前NDIR檢測模塊量化的C02被認(rèn)為是有 機(jī)碳的貢獻(xiàn)，而此刻之后量化的C02被認(rèn)為是元素碳的貢獻(xiàn)。
權(quán)利要求
1、自動(dòng)測量大氣氣溶膠中有機(jī)碳/元素碳質(zhì)量濃度的設(shè)備，其特征在于包括有石英爐，所述石英爐包括一體化的相互聯(lián)通呈直線排列的燃燒爐、氧化爐，燃燒爐內(nèi)固定有一石英濾膜，燃燒爐前端有一進(jìn)光口，所述的進(jìn)光口上安裝有透光窗片，所述的透光窗片前方安裝有激光器，所述燃燒爐前端分別聯(lián)通有氦氣進(jìn)氣管道與氦、氧混合氣進(jìn)氣管道，氦氣進(jìn)氣管道與氦、氧混合氣進(jìn)氣管道中分別安裝有電磁閥門，氦氣和氦氧混合氣的混合氣體通過電磁閥門及管道由燃燒爐進(jìn)入氧化爐；氧化爐后端安裝有透光視窗，透光視窗后端光路中安裝有激光探測器，所述的氧化爐后端聯(lián)通CO2溢出管通向NDIR檢測模塊，所述CO2溢出管中也安裝有電磁閥門。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動(dòng)測量大氣氣溶膠中有機(jī)碳/元素碳質(zhì)量濃度的 設(shè)備，其特征在于燃燒爐和氧化爐內(nèi)都安裝有熱電偶，用于測量爐內(nèi)溫度。
3、 自動(dòng)測量大氣氣溶膠中有機(jī)碳/元素碳質(zhì)量濃度的方法，其特征在于(1) 、設(shè)置石英爐，石英爐包括一體化的燃燒爐和氧化爐，燃燒爐和氧化爐 內(nèi)分別安裝熱電偶測量爐內(nèi)溫度；待測石英濾膜置于燃燒爐內(nèi)；在透明的燃燒爐 外，濾膜的兩側(cè)，分別安裝激光器和激光探測器；He/02、 He、 He/CH4等分析 氣通過閥控網(wǎng)絡(luò)由燃燒爐進(jìn)入石英爐；氧化爐的出氣端通往基于NDIR原理的 C02檢測模塊。(2) 、第一階段閥控網(wǎng)絡(luò)往石英爐內(nèi)注入He，程序控制燃燒爐升溫到850度， 在這個(gè)過程中， 一部分有機(jī)碳揮發(fā)并逸出，沒有逸出的有機(jī)碳被高溫碳化為元素 碳；逸出的有機(jī)碳通過管道進(jìn)入填充Mn02催化劑的氧化爐，被轉(zhuǎn)化為C02， C02通過閥控網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入NDIR檢測模塊，被量化檢測；檢測完畢后，燃燒爐溫度 降到600度，該階段氧化爐始終保持850'C;(3) 、第二階段閥控網(wǎng)絡(luò)想石英爐內(nèi)注入He/02混和氣，第二次升溫開始，將 燃燒爐加熱到850度，在這個(gè)過程中，在02的氧化作用下，元素碳和步驟(2) 中被碳化的有機(jī)碳被氧化為C02并逸出，逸出的C02通過管道入NDIR檢測模 塊，被量化檢測，該階段氧化爐始終保持85(TC;(4) 、為了區(qū)分有機(jī)碳和元素碳的濃度，在整個(gè)加熱過程中，激光器發(fā)出的激 光打在石英濾膜上，并由激光探測器接收透過石英膜的激光信號(hào)；在步驟(2)中，由于有機(jī)碳被碳化為元素碳，所以接收到的透射激光會(huì)逐漸減弱；在步驟(3)中， 隨著氧化爐內(nèi)充He/02混和氣，石英濾膜上的元素碳被氧化逸出，接收到的透 射激光逐漸變強(qiáng)，透射光強(qiáng)恢復(fù)到最初水平的時(shí)刻是有機(jī)碳、元素碳的分割點(diǎn)， 即此刻之前NDIR檢測模塊量化的C02被認(rèn)為是有機(jī)碳的貢獻(xiàn)，而此刻之后量 化的C02被認(rèn)為是元素碳的貢獻(xiàn)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種自動(dòng)測量大氣氣溶膠中有機(jī)碳/元素碳質(zhì)量濃度的設(shè)備及方法。該方法首先將待測顆粒物采集到石英濾膜上；承載顆粒物的石英濾膜首先在He氣環(huán)境下升溫，其間揮發(fā)出的碳被認(rèn)為是有機(jī)碳，然后再在He/O₂載氣的環(huán)境下升溫，其間元素碳被氧化分解并逸出。整個(gè)過程都有一束激光打在石英膜上，其透射光在有機(jī)碳炭化時(shí)減弱，在元素碳被氧化分解時(shí)增強(qiáng)。當(dāng)它恢復(fù)到最初的透射光強(qiáng)的時(shí)刻，被認(rèn)為是有機(jī)碳和元素碳的分割點(diǎn)，即此刻之前檢測出的碳被認(rèn)為是有機(jī)碳，之后檢測出的碳被認(rèn)為是元素碳。裝置由石英濾膜、燃燒爐、氧化爐、CO₂檢測器、激光探測單元組成。本方法實(shí)現(xiàn)了對大氣氣溶膠中有機(jī)碳/元素碳質(zhì)量濃度更加科學(xué)、準(zhǔn)確的測量。
文檔編號(hào)G01N21/59GK101592607SQ200910117198
公開日2009年12月2日 申請日期2009年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月2日
發(fā)明者晴 丁, 劉建國, 王亞萍, 石建國, 釩 陸, 陸亦懷 申請人:中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所