水中VOCs吹扫捕集装置及利用该装置的吹扫捕集方法

摘要

本发明公开了一种水中VOCs吹扫捕集装置及利用该装置的吹扫捕集方法，该装置包括混合载气进气口、吹扫管、纯载气进气口、脱水装置、旋风分离器、富集分离装置；所述混合载气进气口与吹扫管一端连接，吹扫管另一端连接有水样进出口和吹扫气体出口并通过三通阀与纯载气进气口和脱水装置连接；所述旋风分离器设置在脱水装置和富集分离装置之间，所述富集分离装置的尾端连接有检测器。本发明的吹扫捕集装置，能够提高吹扫捕集效率，降低载气消耗，缩短时间。通过混合气体进行吹扫，提高VOCs在液体与气体之间的传质速度，增加对水中VOCs的吹扫捕集率，提高VOCs的检出限，能降低水蒸气蒸发量，有利于下一步的去水、捕集和检测。

说明书

技术领域

本发明属于分析仪器领域，具体涉及一种水中VOCs吹扫捕集装置及利用该装置的吹扫捕集方法。

背景技术

环境中挥发性有机物(VOCs)带来的污染已引起越来越多的关注，事实上，很多种VOCs是有毒或者致癌的，对生态系统甚至人体都有很大的危害。水中VOCs的主要污染来源很分散，比如工业排放，城市用水以及事故性泄露等，并且VOCs存在于许多产品和生产过程中(如涂料、燃料、石油产品、原材料、溶剂等)，这使得控制此类污染很困难。受到污水处理厂排放和泄露的影响，地下水中VOCs的污染尤为严重。环境水体中挥发性有机物含量低，对其进行直接测定极其困难，须选择合适的样品前处理方法进行分离富集，达到分析仪器的检测限。

吹扫捕集技术运用非常广泛，与色谱分离和质谱检测联用后，常用于测定水体中、土壤及大气中的易挥发性及半挥性发有机物。吹扫捕集以其富集效率高、污染小、操作简便等优点，广泛应用于环境水体VOCs分析，目前是美国环境保护署(US-EPA)推荐标准方法，但目前吹扫捕集仪器多为国外进口仪器，国内尚未有成熟仪器。国外进口仪器价格昂贵，使用成本较高。

吹扫捕集方法的原理，一般是用高纯氮气或者氦气气提吹扫室内的水样或土壤样品，将溶解在土壤或者水中的易挥性发气体吹扫出来，富集至填有活性填料的捕集管中，可常温或者低温进行捕集。吹扫结束后，捕集管瞬间加热，将捕集的待分析气体样解析进入仪器及检测器测定。

现有技术都是通过用纯载气来吹扫捕集，如氮气、氦气等，受到气体性质的影响，从而影响了气泡与液体的传质速率，为后期的去水增加了难度。

发明内容

发明目的：针对现有技术存在的问题，本发明提供一种水中VOCs吹扫捕集装置。该吹扫捕集通过使用混合载气能够有效的提高气体与液体之间的传质速度，减少吹扫捕集的时间和载气的消耗量，增加对水中VOCs的吹扫捕集率。

本发明还提供该利用该水中VOCs吹扫捕集装置的吹扫捕集方法。

技术方案：为了实现上述目的，如本发明所述一种水中VOCs吹扫捕集装置，包括混合载气进气口、吹扫管、纯载气进气口、脱水装置、旋风分离器、富集分离装置；所述混合载气进气口与吹扫管一端连接，吹扫管另一端连接有水样进出口和吹扫气体出口并通过三通阀与纯载气进气口和脱水装置连接；所述旋风分离器设置在脱水装置和富集分离装置之间，所述富集分离装置的尾端连接有检测器。

其中，所述混合载气进气口通过第一二通阀与吹扫管连接。吹扫管进气段连接第一二通阀门，通过阀门可以切换到纯惰性载气。

其中，所述混合载气为无机惰性气体与不溶于水的非极性有机气体混合；所述非极性有机气体熔点-5℃～20℃，占混合气体中体积的0.01％～1％。如氮气或氦气与不溶于水的十四烷、十五烷、环己烷等非极性有机气体混合；通过所述混合气体，提高VOCs在液体与气体之间的传质速度。

作为优选，所述吹扫管上设置有一段吹扫段，吹扫段外壁固定有超声发生器。超声发声器的频率范围为20Khz～500MHz。

进一步地，所述超声发生器竖向固定在吹扫段外壁并不超过吹扫段圆周的三分之一。超声发生器与吹扫段外壁之间要填充严实填，可以充有硅胶。吹扫段外壁可以竖向固定多个超声发生器，但不要超过吹扫段圆周的三分之一，防止超声发生器与吹扫段之间贴附不够紧密，降低超声传播效率。

其中，所述吹扫段和超声发声器被加热器包裹。加热温度不超过60℃，并且要尽可能的低，使得水的蒸发量不会太大。吹扫段一侧添加超声装置，通过超声作用，增加了气泡和液体之间的传质速度，从而减小了载气的消耗量，同时加热装置不需要很高的加热温度即可达到很好的辅助吹扫效果，在相同的吹扫效率下，可以降低了水蒸气的蒸发量。

作为优选，所述吹扫管为“U”型管内设置有气泡发生器位于吹扫段底端，所述气泡发生器包括多孔玻璃板。气泡发生器包括多孔材料，优选有玻璃多孔板，通过多孔材料产生一定特征直径的气泡，通过调整吹扫管的通气流速气，调整气泡特征直径，气泡越小，相对的气液表面积越大，能够提高传质效果。

其中，所述旋风分离器与富集分离装置通过第二二通阀和第三二通阀连接。

作为优选，所述旋风分离器外侧设置有半导体致冷器。

本发明所述利用水中VOCs吹扫捕集装置的吹扫捕集方法，包括如下步骤：

(1)通过水样进出口加入待测水样，吹扫管加热，通入混合载气对水样进行吹扫，超声进行辅助吹扫；

(2)吹扫后将混合水气进行干燥，干燥后的载气进入旋风分离器进行旋风低温分离，再进入富集分离装置中；

(3)吹扫完成后，通入纯无机载气，推动系统管路中的气体全部进入富集分离装置并进行检测；

(4)旋风分离器升温进行汽化，通入纯无机载气，将汽化的气体推动进入富集分离装置中进行富集分离并进行检测。

进一步地，步骤(2)所述旋风低温分离要降温到混合载气中有机气体液化温度以下，使得有机气体冷凝成液体、固体。

工作原理：通过水样进出口加入待测水样，吹扫管通过加热器加热至预设定的温度，打开第一二通阀向混合载气进气口通入有机无机混合气体，如氮气或氦气与不溶于水的十四烷、十五烷、环己烷等非极性有机气体混合，非极性有机气体熔点-5℃～20℃，占混合气体中体积的0.01％～1％。对水样进行吹扫，调整流速，使得混合气体通过多孔玻璃板气泡发生器，产生适当的气泡和气泡量，与此同时打开超声发声器开始超声进行辅助吹扫，吹扫后将混合水气通过三通阀送入脱水装置进行干燥，此时打开第二二通阀，关闭第三二通阀，干燥后的载气进入旋风分离器的载气进气入口进行旋风低温分离，旋风分离器通过外侧设置的半导体致冷器降温到有机气体液化温度以下，使得有机气体冷凝成液体、固体，从而在气旋分离器中实现分离，气体通过分离器第一出气口再进入富集分离装置中。吹扫完成后，停止吹扫，三通阀切换到纯载气进气口通入纯无机载气，如氮气或者氦气，推动系统管路中的气体全部进入富集分离装置并进行检测。之后关闭第二二通阀，打开第三二通阀，旋风分离器升温至20℃，使得之前冷凝的有机物全部汽化，再通过三通阀切换到纯载气进气口通入纯无机载气，将汽化的气体通过分离器第二出气口推动进入富集分离装置中进行富集分离，通过检测器进行检测。

有益效果：与现有技术先比，本发明具有如下优点：

本发明的挥发性有机物吹扫捕集装置，结构合理，设置简单，能够有效的提高吹扫捕集效率，提高仪器的灵敏度，降低载气的消耗，缩短时间。通过混合气体进行吹扫，提高VOCs在液体与气体之间的传质速度；增加对水中VOCs的吹扫捕集率，提高VOCs的检出限，减小载气的消耗量，缩短吹扫捕集时间，之后通过低温旋风分离装置将添加的有机物分离出来，剩下的气体在进入捕集管，从而实现高效捕集。同时在吹扫管上设置超声装置，加热装置不需要很高的加热温度即可达到很好的辅助吹扫效果，在相同的吹扫效率下，可以降低了水蒸气的蒸发量，非常有利于下一步的去水、捕集和检测。

附图说明

图1是本发明的水中VOCs吹扫捕集装置结构示意图；

图2是本发明的吹扫捕集装置中旋风分离装置的结构示意图；

图3是图2的俯视图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例

如图1-3所示，一种水中VOCs吹扫捕集装置，包括混合载气进气口1、吹扫管2、纯载气进气口3、脱水装置4、旋风分离器5、富集分离装置6；混合载气进气口1通过第一二通阀11与吹扫管2一端连接，吹扫管2另一端连接有水样进出口7和吹扫气体出口8并通过三通阀9与纯载气进气口3和脱水装置4连接；吹扫管2为“U”型管，上面设置有一段吹扫段12，吹扫段12外壁固定有超声发生器13，超声发生器13可以一个或者多个竖直一列并排贴在吹扫段12外壁的一侧，并且不超过吹扫段12圆周的三分之一，形成有效的声场，超声发声器13与吹扫段12外壁的玻璃壁之间要填充严实，如用硅胶等，不能有空气间隔；超声发生器13的频率和强度可以通过电路来调整，超声发声器13的频率范围为20Khz～500MHz。吹扫段12和超声发声器13被加热器14包裹；加热器14还包括相应的电路，加热温度不超过60℃，防止温度过高使得水的大量蒸发。吹扫管2内部还设置有气泡发生器15位于吹扫段12底端，气泡发生器15产生一定特征直径的气泡，对应特征直径采用相应的声波频率；气泡发生器15包括多孔材料，如多孔玻璃板等，通过调整通气流速，调整气泡直径和气泡量。旋风分离器5设置在脱水装置4和富集分离装置6之间，旋风分离器5与富集分离装置6通过第二二通阀16和第三二通阀17连接，旋风分离器5外侧设置有半导体致冷器18；富集分离装置6的尾端连接有检测器10。

吹扫捕集装置使用时通过水样进出口7加入待测水样，待测水样5ml，水样是5ug/L的邻二甲苯标准溶液；加热器14加入至20℃，打开第一二通阀11向混合载气进气口1加入氮气和占混合气体中体积0.1％的十四烷混合载气，或者其他无机惰性气体如氦气和占混合气体中体积0.01％～1％的非极性有机气体如十五烷、环己烷；调整流速设置气体流速为30ml/min，使得混合气体和水样通过气泡发生器15的多孔玻璃板，产生适当的气泡和气泡量，与此同时打开超声发声器13开始超声进行辅助吹扫，超声频率组合：20-50-100kHz，吹扫后将混合水气通过三通阀9送入脱水装置4进行干燥，此时打开第二二通阀16，关闭第三二通阀17，干燥后的载气进入旋风分离器的载气进气入口19进行旋风低温分离，旋风分离器通过外侧设置的半导体致冷器降温到有机气体液化温度以下，使得有机气体冷凝成液体、固体，从而在气旋分离器中实现分离。通过分离器第一出气口20再进入富集分离装置中。吹扫时间8min，吹扫完成后，停止吹扫，三通阀9切换到纯载气进气口3通入纯无机载气，如氮气或者氦气，通氮气5min，载气流速20ml/min，推动系统管路中的气体全部进入富集分离装置并进行检测。之后关闭第二二通阀16，打开第三二通阀17，旋风分离器升温至20℃，使得之前冷凝的有机物全部汽化，再通过三通阀9的载气，纯载气进气口3再通氮气5min，载气流速20ml/min，将汽化的气体通过分离器第二出气口21推动进入富集分离装置中进行富集分离，通过检测器进行检测。最终可以得到加标回收率为95％，相对标准偏差为5％。