一种大气气溶胶有机碳(OC)/元素碳(EC)可视化分离制备装置

摘要

本发明公开了一种大气气溶胶有机碳(OC)/元素碳(EC)可视化分离制备装置。所述的四通阀的一个端口、第一冷阱、阀A1、第二冷阱、阀A2、第一收集管、阀A3、真空泵通过管道顺序相连，所述的四通阀的另外一个端口、第三冷阱、阀B1、第四冷阱、阀B2、第二收集管、阀B3、真空泵通过管道顺序相连，所述的四通阀的另外一个端口经真空主管道与气路系统的分析管末端相连，在真空主管道上还连有进气管，进气管上设有阀门C，在所述的第一收集管和第二收集管上都设有压力表。利用本发明可以完全实现有机碳(OC)/元素碳(EC)的收集，并且通过收集管上的压力表即可知道收集情况，实现可视化的有机碳(OC)/元素碳(EC)的分离制备。

说明书

技术领域：

本发明属于环境工程技术领域，具体涉及一种大气气溶胶有机碳(OC)/元素碳(EC)可视化分 离制备装置。

背景技术：

大气气溶胶指的是悬浮在大气中的液态或固态粒子，主要包括六大类气溶胶粒子:沙尘气 溶胶、碳气溶胶、硫酸盐气溶胶、硝酸盐气溶胶、铵盐气溶胶和海盐气溶胶。它是城市大气 中数量巨大、成分复杂、危害最大的一种污染物。根据空气动力学直径可将其分为TSP、PM10 和PM2.5(分别指空气动力学直径≤100mm、10mm和2.5mm的颗粒物)。大气颗粒物通过 吸收和散射太阳辐射来影响地-气系统的能量交换，进而对气候系统、环境和人类健康产生重 要影响。当前国际全球变化和大气化学研究高度聚焦大气气溶胶对地球气候系统的扰动，特 别是碳气溶胶的辐射强迫作用。大气中的碳气溶胶包括有机碳、元素碳。其中，元素碳已成 为全球大气系统中仅次于CO₂的增温组分，元素碳在研究全球辐射平衡中是一个重要的参数， 在某些地区，元素碳的存在可以造成气溶胶辐射强迫由负辐射效应到正辐射效应的转变，导 致一个净的增温效应。自1880年以来，全球气温上升幅度的25％可归因于元素碳。因此限 制元素碳的排放是当前减缓全球气候变暖的有效途径之一。而有机碳的存在可以造成气溶胶 辐射强迫由负辐射效应到正辐射效应的转变，导致一个净的增温效应。

为了更好的研究和控制碳质气溶胶对全球气候变化的影响，因此需要对大气气溶胶的碳 质中的各组分进行分离研究，特别是通过分离出其有机碳(OC)/元素碳(EC)，采用碳14同位 素技术来确定化石燃烧和生物质燃烧的量比，进行溯源研究。

现有技术中已经公开了一种大气气溶胶有机碳(OC)/元素碳(EC)在线分析仪，其包括：分 析炉系统、气路系统、激光探测系统、控制系统、检测器，收集制备系统和上位机组成。在 控制系统的作用下，内炉(包括样品炉和氧化炉)中发生样品的采集和分析，气路系统以稳 定流量向样品炉注入载气并自动定量进样内标物，激光探测系统监测滤膜上OC和EC的逸 出过程，对OC和EC进行准确分割，检测器对被测组分经化学反应生成的CO₂定量测量， 上位机软件实时绘制谱图，并对样品峰形自动识别和解析，最终计算出各种碳组分的质量浓 度(丁晴，刘建国，陆亦怀，王亚平，陆钒，石建国.大气有机碳/元素碳在线分析仪的研 制，仪器仪表学报，35(6)，2014年6月，p1246-1253)。

目前广泛使用测定碳质气溶胶的方法CTO-375法，Walkey-Black法，热化学还原法，热 光法等，还没有一种能够可视化地实现大气气溶胶有机碳(OC)/元素碳(EC)分离并制备的装 置。

发明内容：

本发明的目的是提供一种能够实现大气气溶胶有机碳(OC)/元素碳(EC)可视化分离制备 装置。

本发明的大气气溶胶有机碳(OC)/元素碳(EC)可视化分离制备装置，包括分析炉系统、 气路系统、激光探测系统、控制系统、检测器，收集制备系统和上位机，所述的收集制备系 统与气路系统的分析管末端相连，其特征在于，所述的收集制备系统包括四通阀、第一冷阱、 阀A1、第二冷阱、阀A2、第一收集管、阀A3、第三冷阱、阀B1、第四冷阱、阀B2、第二 收集管、阀B3、真空泵和阀门C，所述的四通阀的一个端口、第一冷阱、阀A1、第二冷阱、 阀A2、第一收集管、阀A3、真空泵通过管道顺序相连，所述的四通阀的另外一个端口、第 三冷阱、阀B1、第四冷阱、阀B2、第二收集管、阀B3、真空泵通过管道顺序相连，所述的 四通阀的另外一个端口经真空主管道与气路系统的分析管末端相连，在真空主管道上还连有 进气管，进气管上设有阀门C，在所述的第一收集管和第二收集管上都设有压力表。

所述的管道和真空主管道优选都为不锈钢管道。

优选，真空主管道和气路系统的分析管末端用真空接头和聚四氟乙烯管相连。

优选，所述的第一收集管和第二收集管的结构相同，其成三叉状，包括一端封闭，另一 端开口的收集管，在收集管的上部设有与收集管连通的进样管，进样管的另一端通过密封螺 母与阀A2和阀A3之间的管道(适于第一收集管)，或阀B2和阀B3之间的管道(适于第二 收集管)相连，所述的收集管的开口端设有密封该开口端的旋钮，旋钮内通过固定连杆连有 锥形聚四氟乙烯塞子，在锥形聚四氟乙烯塞子上设有双O型密封圈，该锥形聚四氟乙烯塞子 能伸至进样管下部的收集管内，并与该处的收集管的大小相适应，从而能密封该处收集管。 在进样时候，旋钮往外旋，带动锥形聚四氟乙烯塞子往外出，从而打开此处的收集管，样品 进入收集管下部，当进样完成后，旋紧旋钮，使锥形聚四氟乙烯塞子往收集管底部方向走， 至进样管下部的收集管处时，锥形聚四氟乙烯塞子与该处收集管内部相适应，从而密封该处 收集管，实现了样品的密封收集，然后可以从系统下取下该第一收集管或第二收集管，从而 可以将样品转移。所述的收集管和进样管都为石英管或玻璃管。

本发明的大气气溶胶有机碳(OC)/元素碳(EC)可视化分离制备装置是这样运行的：

四通阀分别可以打向A收集系统(第一冷阱、阀A1、第二冷阱、阀A2、第一收集管、 阀A3)和B收集系统(第三冷阱、阀B1、第四冷阱、阀B2、第二收集管、阀B3)；

收集过程：在大气气溶胶有机碳(OC)/元素碳(EC)可视化分离制备装置分析进样前，打开 阀门C，四通阀打向A收集系统，打开阀A1、阀A2和阀A3，通过真空泵让A收集系统内 空气排空，充上氦气。然后关闭阀A1、阀A2和阀A3。四通阀打向B收集系统，同样打开 阀B1、阀B2、阀B3，通过真空泵让B收集系统内空气排空，充上氦气。最后关闭阀门C， 四通阀打向真空主管道；

大气气溶胶有机碳(OC)/元素碳(EC)可视化分离制备装置分析进样开始后，在软件终端 能够看到OC/EC分离进行情况，当看到需要收集OC峰时，四通阀打向A收集系统，此时阀 A1，阀A2，阀A3是关闭的，在第一冷阱处用干冰和液氮混合液做冷却液(冷冻水等杂质)， 在第二冷阱处用液氮作冷却液，打开阀A1，此时CO2在第二冷阱富集。在第一收集管处用 液氮作冷却液，打开阀A3去掉在第二冷阱处的液氮，此时CO2从第二冷阱到第一收集管富 集，观察第一收集管上的压力表读数即可知道收集情况。收集完毕拧紧第一收集管的旋钮即 完成收集工作。

同样，收集EC峰时，四通阀分别打向B收集系统，此时阀B1，阀B2，阀B3是关闭的， 在第三冷阱处用干冰和液氮混合液做冷却液(冷冻水等杂质)，在第四冷阱处用液氮作冷却液， 打开阀B1，此时CO2在第四冷阱富集。在第二收集管处用液氮作冷却液，打开阀B3去掉在 第四冷阱处的液氮，此时CO2从第四冷阱到第二收集管富集，观察第二收集管上的压力表读 数即可知道收集情况。收集完毕拧紧旋钮即完成收集工作。

真空泵是一直处于工作状态，保证在采集样品前系统中没有空气中二氧化碳，在收集过 程中，与真空泵相连的阀门(阀A3和阀B3)不打开，所以不会将样品抽走，因为采用的是 小型真空泵且系统管路壁较厚，不会造成系统压坏。

由此可见，利用本发明可以完全实现有机碳(OC)/元素碳(EC)的收集，并且通过收集管上 的压力表即可知道收集情况，实现可视化(可视化主要是靠oc/ec分析仪器工作站上的出锋情 况，来适时收集)的有机碳(OC)/元素碳(EC)的分离制备。

附图说明：

图1是本发明的大气气溶胶有机碳(OC)/元素碳(EC)可视化分离制备装置的收集制备系统的 结构示意图；

图2是第一收集管和第二收集管的结构示意图；

其中1、四通阀；2、第一冷阱；3、阀A1；4、第二冷阱；5、阀A2；6、第一收集管；7、 阀A3；8、真空泵；9、第三冷阱；10、阀B1；11、第四冷阱；12、阀B2；13、第二收集管； 14、阀B3；15、阀门C；16、进气管；17、真空主管道；18、24、压力表；19、收集管；20、 进样管；21、旋钮；22、固定连杆；23、锥形聚四氟乙烯塞子。

具体实施方式：

以下实施例是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。

实施例1：

如图1和图2所示，本实施例的大气气溶胶有机碳(OC)/元素碳(EC)可视化分离制备装 置，包括分析炉系统、气路系统、激光探测系统、控制系统、检测器，收集制备系统和上位 机，所述的收集制备系统与气路系统的分析管末端相连，所述的收集制备系统包括四通阀1、 第一冷阱2、阀A13、第二冷阱4、阀A25、第一收集管6、阀A37、第三冷阱9、阀B110、 第四冷阱11、阀B212、第二收集管13、阀B314、真空泵8和阀门C15，所述的四通阀1 的一个端口、第一冷阱2、阀A13、第二冷阱4、阀A25、第一收集管6、阀A37、真空泵 8通过管道顺序相连，所述的四通阀的另外一个端口、第三冷阱9、阀B110、第四冷阱11、 阀B212、第二收集管13、阀B314、真空泵8通过管道顺序相连，所述的四通阀的另外一 个端口经真空主管道17与气路系统的分析管末端相连，在真空主管道上还连有进气管16， 进气管上设有阀门C15，在所述的第一收集管和第二收集管上分别设有压力表18、24，通过 收集样品前后压力变化可以估算收集样品的多少。

所述的管道和真空主管道都为不锈钢材料制成的管道。

真空主管道和气路系统的分析管末端采用真空接头和聚四氟乙烯管相连。

所述的第一收集管6和第二收集管13的结构相同，其成三叉状，包括一端封闭，另一端 开口的收集管19，在收集管的上部设有与收集管连通的进样管20，进样管的另一端通过密封 螺母与阀A25和阀A37之间的管道(适于第一收集管6)，或阀B212和B314之间的管道 (适于第二收集管13)相连，所述的收集管的开口端设有密封该开口端的聚四氯乙烯旋钮21， 旋钮内通过固定连杆22连有锥形聚四氟乙烯塞子23，在锥形聚四氟乙烯塞子上设有双O型 密封圈，该锥形聚四氟乙烯塞子能伸至进样管20下部的收集管19内，并与该处的收集管的 大小相适应，从而能密封该处收集管。在进样时候，旋钮21往外旋，带动锥形聚四氟乙烯塞 子23往外出，就而打开此处的收集管，样品进入收集管下部，当进样完成后，旋紧旋钮21， 使锥形聚四氟乙烯塞子23往收集管19底部方向走，至进样管下部的收集管处时，锥形聚四 氟乙烯塞子23与该处收集管内部相适应，从而密封该处收集管，实现了样品的密封收集，然 后可以从系统下取下该第一收集管6或第二收集管13，从而可以将样品转移。所述的收集管 和进样管都为石英管或玻璃管，便于观察。