[發(fā)明專利]一種基于正交光路的在線監(jiān)測PM2.5中有機碳/元素碳濃度的設(shè)備

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410387023.2
• 申請日: 2014-08-08
• 公開（公告）號: CN104132893A
• 公開（公告）日: 2014-11-05
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張濤;崔海東;于文鵬;曾立民;農(nóng)永光;于哲;郭煒;楊凱
• 申請（專利權(quán)）人: 中科天融(北京)科技有限公司
• 主分類號: G01N21/01
• 分類號: G01N21/01;G01N21/27
• 代理公司: 無
• 代理人: 無

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種環(huán)境檢測儀器設(shè)備，特別是關(guān)于一種在線監(jiān)測PM2.5中有機碳/元素碳濃度的設(shè)備。

背景技術(shù)

有機碳和元素碳是PM2.5的主要組成成分之一，因其破壞地球輻射平衡、影響全球氣候、降低城市能見度、危害人類健康，是大氣氣溶膠領(lǐng)域的重點研究內(nèi)容。

元素碳可吸收從紫外到紅外的光線，越來越多的報道也認(rèn)為元素碳會對全球變暖有明顯作用，會影響全球氣候；大氣中PM2.5會隨人體的呼吸進入肺泡，甚至?xí)M入人體血液循環(huán)系統(tǒng)，嚴(yán)重危害人體健康。

大氣氣溶膠特別是細(xì)顆粒物PM2.5中，碳質(zhì)組分的質(zhì)量濃度約占10～70％，可分為三類，有機碳、元素碳和碳酸鹽；通常碳酸鹽質(zhì)量濃度遠(yuǎn)小于有機碳和元素碳。

有機碳和元素碳的分析技術(shù)有熱學(xué)法、光學(xué)法和熱光法。熱學(xué)分析法是根據(jù)有機碳、元素碳的揮發(fā)及消解溫度特性的不同，通過控制升溫曲線使兩者依次逐步揮發(fā)或消解，再對消解產(chǎn)物進行檢測。熱學(xué)法設(shè)備簡單，容易操作，但是熱學(xué)分析法無法解決有機碳和元素碳的分割問題，給測量帶來的不準(zhǔn)確性。光學(xué)法主要用于元素碳的測定，難以測定有機碳。熱光法在熱學(xué)法的基礎(chǔ)上增加光學(xué)的校準(zhǔn)，利用有機碳和元素碳光學(xué)吸收系數(shù)的差異，能夠?qū)τ袡C碳在加熱中炭化成元素碳部分進行有效的校準(zhǔn)，從而測定更加科學(xué)、客觀。

目前，用于大氣PM2.5中有機碳/元素碳濃度測定的設(shè)備主要有兩種，美國Sunset實驗室的在線有機碳/元素碳監(jiān)測儀和美國DRI公司的有機碳/元素碳分析儀。DRI公司的分析儀是離線分析儀，采樣后把采樣石英膜人工放入分析儀中檢測有機碳/元素碳，主要應(yīng)用于科研、實驗室，美國Sunset的設(shè)備可實現(xiàn)有機碳/元素碳的在線監(jiān)測。這兩種設(shè)備都采用熱光法技術(shù)，DRI公司采用“Y”型光纖可同時測定采樣石英濾膜透射光和反射光，能全面反映樣品在升溫中有機碳的炭化信息，有機碳/元素碳的區(qū)分更科學(xué)、客觀，但無法應(yīng)用于在線監(jiān)測設(shè)備；Sunset的在線監(jiān)測設(shè)備僅僅實現(xiàn)了采樣石英濾膜透射光的檢測，無法測定采樣石英濾膜的反射光，限制了其應(yīng)用領(lǐng)域。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種利用熱光法在線監(jiān)測PM2.5中有機碳/元素碳濃度的設(shè)備，一種新穎的正交光路系統(tǒng)首次應(yīng)用于PM2.5有機碳/元素碳濃度的監(jiān)測設(shè)備，可同時實現(xiàn)入射激光、采樣石英濾膜反射光和透射光光強的檢測，可以更準(zhǔn)確實現(xiàn)有機碳和元素碳的分割。

本發(fā)明描述的一種基于正交光路的在線監(jiān)測PM2.5中有機碳/元素碳濃度的設(shè)備，其工作原理是通過PM2.5切割頭實現(xiàn)大氣顆粒物粒徑的篩選，將PM2.5試樣采集到石英濾膜上，承載試樣的石英濾膜先后在He氣環(huán)境和He/O₂氣體環(huán)境下依次按照設(shè)定溫度梯度升溫，完成試樣的消解。高溫下有機碳在He氣環(huán)境下部分氣化，部分碳化稱為裂解碳，元素碳及之前生成的裂解碳在He/O₂環(huán)境下氧化成氣體；上述過程生成的氣體依次通過氧化爐，在二氧化錳催化氧化下變?yōu)槎趸迹ㄟ^非色散紅外檢測器測定濃度。一種正交光路系統(tǒng)首次應(yīng)用于PM2.5有機碳/元素碳濃度的監(jiān)測設(shè)備用于實現(xiàn)有機碳/元素碳的分割，該正交光路在前述試樣消解過程中，可同時測定激光入射光強，石英濾膜透射光和反射光的光強。在試樣消解過程中，隨著部分有機碳的碳化，反射光和透射光會逐步變?nèi)酰谟醒醐h(huán)境下隨著裂解碳的逐步氧化，反射光和透射光逐步恢復(fù)到原來光強的時刻，則作為有機碳和元素碳的分割點，即此刻之前石英濾膜上逸出的碳被認(rèn)為是有機碳，之后的碳被認(rèn)為是元素碳。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：一種基于正交光路的在線監(jiān)測PM2.5中有機碳/元素碳濃度的設(shè)備，包括在線采樣單元，試樣處理和檢測單元、正交光路系統(tǒng)，其中采樣單元包括真空泵，質(zhì)量流量控制器，石英濾膜，球閥，可揮發(fā)有機物溶蝕器，PM2.5切割頭等；試樣處理和檢測單元包括消解爐，氧化爐，氣路控制網(wǎng)絡(luò)，載氣氣源，非色散紅外檢測器；正交光路系統(tǒng)包括激光器、分光片、參比光路光電檢測單元，石英濾膜透射光路光電檢測單元及反射光路光電檢測單元；需要高純He，5％的O2/He和5％的CH4/He三種氣體由氣路閥網(wǎng)絡(luò)控制，通過單片機完成控制。

本發(fā)明所采用的新穎的正交光路系統(tǒng)中，激光器，參比光路光電檢測單元，透射光路光電檢測單元和反射光路光電檢測單元成十字分布，激光器激光光軸與參比光路光電檢測單元軸線重疊，透射光路光電檢測單元和反射光路光電檢測單元軸線重疊，兩個軸線垂直正交，分光片在兩個軸線的交點，與兩個軸線的平面垂直，與激光器發(fā)出的激光成45度夾角。