專利名稱：自動測量大氣氣溶膠中有機碳/元素碳質量濃度的設備及方法
技術領域：
本發明涉及環保檢測領域，是一種自動測量大氣氣溶膠中有機碳/元素碳質 量濃度的設備及方法。
背景技術：
有機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，從而成為氣溶膠領域的重點研究方向。目 前有機碳和元素碳的分析方法主要分為熱學法和光學法兩大類。
熱學分析法基本原理是根據有機碳、元素碳的揮發性不同，在不同的溫度下 逸出率不同而對兩者加以區分，揮發、熱解和氧化的碳經過催化劑的作用轉化為 C02，再用NDIR儀器檢測C02。熱學法設備簡單，容易操作，但是熱學分析法 一直無法解決熱分析過程中有機碳向元素碳的炭化的問題，同時也不能保證在分 析元素碳之前有機碳已經完全氧化。這些都給測量帶來極大的不準確性。
光學測定法較熱學法先進之處在于可以做到實時在線檢測，光學法的測量原 理是單位面積膜上的元素碳的沉積量MEC與光學衰減量A呈線性關系
A=In(I0/I)= o MEC
式中IQ—一為透過濾膜前的光強； I一一為透過濾膜后的光強；
MEC—一是單位面積采樣膜上的EC質量，單位g'nT2 o —一EC質量衰減系數，即單位面積的濾膜上沉積有單位質量EC時的衰 減，單位m2g—1。
所以可以通過測量透過濾膜前后的光強來推算濾膜上元素碳的沉積量。光學 測定法的缺點在于只能測量對光吸收較強的元素碳，而對光吸收較弱的有機碳成 分就無法測定了。
發明內容
本發明的目的是提供一種自動測量大氣氣溶膠中有機碳/元素碳質量濃度的 設備及方法，以解決傳統技術中熱學分析法不準確性大，以及光學測定法無法測
4定有機碳的問題。
為了達到上述目的，本發明所采用的技術方案為
自動測量大氣氣溶膠中有機碳/元素碳質量濃度的設備，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通呈直線排列的燃燒爐、氧化爐，燃 燒爐內固定有一石英濾膜，燃燒爐前端有一進光口，所述的進光口上安裝有透光 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通有氦氣進氣 管道與氦、氧混合氣進氣管道，氦氣進氣管道與氦、氧氣混合氣進氣管道中分別 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。
所述的自動測量大氣氣溶膠中有機碳/元素碳質量濃度的設備，其特征在于 燃燒爐和氧化爐內都安裝有熱電偶，用于測量爐內溫度。
自動測量大氣氣溶膠中有機碳/元素碳質量濃度的方法，其特征在于
(1) 、設置石英爐，石英爐包括一體化的燃燒爐和氧化爐，燃燒爐和氧化爐 內分別安裝熱電偶測量爐內溫度；待測石英濾膜置于燃燒爐內；在透明的燃燒爐 外，濾膜的兩側，分別安裝激光器和激光探測器；He/02、 He、 He/CH4等分析 氣通過閥控網絡由燃燒爐進入石英爐；氧化爐的出氣端通往基于NDIR原理的 C02檢測模塊。
(2) 、第一階段閥控網絡往石英爐內注入He，程序控制燃燒爐升溫到850度， 在這個過程中， 一部分有機碳揮發并逸出，沒有逸出的有機碳被高溫碳化為元素 碳；逸出的有機碳通過管道進入填充Mn02催化劑的氧化爐，被轉化為C02， C02通過閥控網絡進入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) 、第二階段閥控網絡往石英爐內注入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) 、為了區分有機碳和元素碳的濃度，在整個加熱過程中，激光器發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；在步驟(2)中， 由于有機碳被碳化為元素碳，所以接收到的透射激光會逐漸減弱；在步驟(3)中， 隨著氧化爐內充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，透射光強恢復到最初水平的時刻是有機碳、元素碳的分割點， 即此刻之前NDIR檢測模塊量化的C02被認為是有機碳的貢獻，而此刻之后量 化的C02被認為是元素碳的貢獻。
承載氣溶膠樣品的石英濾膜首先在氦氣(He)的非氧化環境中逐級升溫，致使 有機碳被加熱揮發(該過程中也有部分有機碳被炭化，即熱解碳)；此后樣品又 在氦氣/氧氣混和氣(He/02)環境中逐級升溫，該過程中元素碳被氧化分解為氣 態氧化物。這兩個步驟中所產生的分解產物都隨著通過分析室的載氣(同時也是 環境氣及反應氣，亦即He或He/02)經過二氧化錳(Mn02)氧化爐被轉化為C02后 由NDIR方法定量檢測。整個過程中都有一束激光照在石英膜上，這樣在有機碳 炭化時該激光的透射光的強度會逐漸減弱，而在He切換成He/02并加溫時、隨 著熱解碳和元素碳的氧化分解該激光之透射光會逐漸增強。當透射光的強度恢復 到起始強度時，這一時刻就定義為有機碳/元素碳的分割點、亦即該時刻之前檢 測到的碳量就定義為起始時的有機碳，而其后檢測到的碳量則定義為起始元素 碳。
本發明結構簡單，方法易于實現，有效地解決了傳統技術中熱學分析法不準 確性大，以及光學測定法無法測定有機碳的問題，大大提高了測量大氣氣溶膠中 有機碳/元素碳質量濃度的速率，并且具有較高的準確度。
圖l為本發明設備結構示意圖。
具體實施例方式
自動測量大氣氣溶膠中有機碳/元素碳質量濃度的設備，包括有石英爐，所 述石英爐包括一體化的相互聯通呈直線排列的的燃燒爐8、氧化爐9，燃燒爐8 內固定有一石英濾膜6，石英濾膜6旁邊安裝有熱電偶7，燃燒爐8前端有一進 光口，所述的進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前端分別聯通有氦氣進氣管道與氦氣、氧氣混合進氣管道，氦氣進氣 管道與氦氣、氧氣混合進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發出的光， 所述的氧化爐9后端聯通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。
自動測量大氣氣溶膠中有機碳/元素碳質量濃度的方法，其步驟如下
(1) 、設置石英爐，石英爐分為一體化的燃燒爐和氧化爐，燃燒爐和氧化爐 內分別安裝熱電偶測量爐內溫度；待測石英濾膜置于燃燒爐內；在透明的燃燒爐 夕卜，濾膜的兩側，分別安裝激光器和激光探測器；可將He/02、 He、 He/CH4等 分析氣通過閥控網絡由燃燒爐進入石英爐；氧化爐的出氣端通往基于NDIR原理 的C02檢測模塊。
(2) 、第一階段閥控網絡往石英爐內注入He，程序控制燃燒爐升溫到850度， 在這個過程中， 一部分有機碳揮發并逸出，沒有逸出的有機碳被高溫碳化為元素 碳；逸出的有機碳通過管道進入氧化爐，氧化爐內填充Mn02催化劑，逸出的 有機碳通過氧化爐被轉化為C02， C02通過閥控網絡進入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) 、第二階段閥控網絡想石英爐內注入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) 、為了區分有機碳和元素碳的濃度，在整個加熱過程中，激光器發出的激 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；在步驟(2)中， 由于有機碳被碳化為元素碳，所以接收到的透射激光會逐漸減弱；在步驟(3)中， 隨著氧化爐內充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 有機碳、元素碳的分割點，即此刻之前NDIR檢測模塊量化的C02被認為是有 機碳的貢獻，而此刻之后量化的C02被認為是元素碳的貢獻。
權利要求
1、自動測量大氣氣溶膠中有機碳/元素碳質量濃度的設備，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通呈直線排列的燃燒爐、氧化爐，燃燒爐內固定有一石英濾膜，燃燒爐前端有一進光口，所述的進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通有氦氣進氣管道與氦、氧混合氣進氣管道，氦氣進氣管道與氦、氧混合氣進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、 根據權利要求1所述的自動測量大氣氣溶膠中有機碳/元素碳質量濃度的 設備，其特征在于燃燒爐和氧化爐內都安裝有熱電偶，用于測量爐內溫度。
3、 自動測量大氣氣溶膠中有機碳/元素碳質量濃度的方法，其特征在于(1) 、設置石英爐，石英爐包括一體化的燃燒爐和氧化爐，燃燒爐和氧化爐 內分別安裝熱電偶測量爐內溫度；待測石英濾膜置于燃燒爐內；在透明的燃燒爐 外，濾膜的兩側，分別安裝激光器和激光探測器；He/02、 He、 He/CH4等分析 氣通過閥控網絡由燃燒爐進入石英爐；氧化爐的出氣端通往基于NDIR原理的 C02檢測模塊。(2) 、第一階段閥控網絡往石英爐內注入He，程序控制燃燒爐升溫到850度， 在這個過程中， 一部分有機碳揮發并逸出，沒有逸出的有機碳被高溫碳化為元素 碳；逸出的有機碳通過管道進入填充Mn02催化劑的氧化爐，被轉化為C02， C02通過閥控網絡進入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) 、第二階段閥控網絡想石英爐內注入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) 、為了區分有機碳和元素碳的濃度，在整個加熱過程中，激光器發出的激 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；在步驟(2)中，由于有機碳被碳化為元素碳，所以接收到的透射激光會逐漸減弱；在步驟(3)中， 隨著氧化爐內充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，透射光強恢復到最初水平的時刻是有機碳、元素碳的分割點， 即此刻之前NDIR檢測模塊量化的C02被認為是有機碳的貢獻，而此刻之后量 化的C02被認為是元素碳的貢獻。
全文摘要
本發明公開了一種自動測量大氣氣溶膠中有機碳/元素碳質量濃度的設備及方法。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氣環境下升溫，其間揮發出的碳被認為是有機碳，然后再在He/O<sub>2</sub>載氣的環境下升溫，其間元素碳被氧化分解并逸出。整個過程都有一束激光打在石英膜上，其透射光在有機碳炭化時減弱，在元素碳被氧化分解時增強。當它恢復到最初的透射光強的時刻，被認為是有機碳和元素碳的分割點，即此刻之前檢測出的碳被認為是有機碳，之后檢測出的碳被認為是元素碳。裝置由石英濾膜、燃燒爐、氧化爐、CO<sub>2</sub>檢測器、激光探測單元組成。本方法實現了對大氣氣溶膠中有機碳/元素碳質量濃度更加科學、準確的測量。
文檔編號G01N21/59GK101592607SQ200910117198
公開日2009年12月2日 申請日期2009年7月2日 優先權日2009年7月2日
發明者晴 丁, 劉建國, 王亞萍, 石建國, 釩 陸, 陸亦懷 申請人:中國科學院安徽光學精密機械研究所