[发明专利]一种基于正交光路的在线监测PM2.5中有机碳/元素碳浓度的设备

说明书

技术领域

本发明涉及一种环境检测仪器设备，特别是关于一种在线监测PM2.5中有机碳/元素碳浓度的设备。

背景技术

有机碳和元素碳是PM2.5的主要组成成分之一，因其破坏地球辐射平衡、影响全球气候、降低城市能见度、危害人类健康，是大气气溶胶领域的重点研究内容。

元素碳可吸收从紫外到红外的光线，越来越多的报道也认为元素碳会对全球变暖有明显作用，会影响全球气候；大气中PM2.5会随人体的呼吸进入肺泡，甚至会进入人体血液循环系统，严重危害人体健康。

大气气溶胶特别是细颗粒物PM2.5中，碳质组分的质量浓度约占10～70％，可分为三类，有机碳、元素碳和碳酸盐；通常碳酸盐质量浓度远小于有机碳和元素碳。

有机碳和元素碳的分析技术有热学法、光学法和热光法。热学分析法是根据有机碳、元素碳的挥发及消解温度特性的不同，通过控制升温曲线使两者依次逐步挥发或消解，再对消解产物进行检测。热学法设备简单，容易操作，但是热学分析法无法解决有机碳和元素碳的分割问题，给测量带来的不准确性。光学法主要用于元素碳的测定，难以测定有机碳。热光法在热学法的基础上增加光学的校准，利用有机碳和元素碳光学吸收系数的差异，能够对有机碳在加热中炭化成元素碳部分进行有效的校准，从而测定更加科学、客观。

目前，用于大气PM2.5中有机碳/元素碳浓度测定的设备主要有两种，美国Sunset实验室的在线有机碳/元素碳监测仪和美国DRI公司的有机碳/元素碳分析仪。DRI公司的分析仪是离线分析仪，采样后把采样石英膜人工放入分析仪中检测有机碳/元素碳，主要应用于科研、实验室，美国Sunset的设备可实现有机碳/元素碳的在线监测。这两种设备都采用热光法技术，DRI公司采用“Y”型光纤可同时测定采样石英滤膜透射光和反射光，能全面反映样品在升温中有机碳的炭化信息，有机碳/元素碳的区分更科学、客观，但无法应用于在线监测设备；Sunset的在线监测设备仅仅实现了采样石英滤膜透射光的检测，无法测定采样石英滤膜的反射光，限制了其应用领域。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用热光法在线监测PM2.5中有机碳/元素碳浓度的设备，一种新颖的正交光路系统首次应用于PM2.5有机碳/元素碳浓度的监测设备，可同时实现入射激光、采样石英滤膜反射光和透射光光强的检测，可以更准确实现有机碳和元素碳的分割。

本发明描述的一种基于正交光路的在线监测PM2.5中有机碳/元素碳浓度的设备，其工作原理是通过PM2.5切割头实现大气颗粒物粒径的筛选，将PM2.5试样采集到石英滤膜上，承载试样的石英滤膜先后在He气环境和He/O₂气体环境下依次按照设定温度梯度升温，完成试样的消解。高温下有机碳在He气环境下部分气化，部分碳化称为裂解碳，元素碳及之前生成的裂解碳在He/O₂环境下氧化成气体；上述过程生成的气体依次通过氧化炉，在二氧化锰催化氧化下变为二氧化碳，通过非色散红外检测器测定浓度。一种正交光路系统首次应用于PM2.5有机碳/元素碳浓度的监测设备用于实现有机碳/元素碳的分割，该正交光路在前述试样消解过程中，可同时测定激光入射光强，石英滤膜透射光和反射光的光强。在试样消解过程中，随着部分有机碳的碳化，反射光和透射光会逐步变弱，在有氧环境下随着裂解碳的逐步氧化，反射光和透射光逐步恢复到原来光强的时刻，则作为有机碳和元素碳的分割点，即此刻之前石英滤膜上逸出的碳被认为是有机碳，之后的碳被认为是元素碳。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种基于正交光路的在线监测PM2.5中有机碳/元素碳浓度的设备，包括在线采样单元，试样处理和检测单元、正交光路系统，其中采样单元包括真空泵，质量流量控制器，石英滤膜，球阀，可挥发有机物溶蚀器，PM2.5切割头等；试样处理和检测单元包括消解炉，氧化炉，气路控制网络，载气气源，非色散红外检测器；正交光路系统包括激光器、分光片、参比光路光电检测单元，石英滤膜透射光路光电检测单元及反射光路光电检测单元；需要高纯He，5％的O2/He和5％的CH4/He三种气体由气路阀网络控制，通过单片机完成控制。

本发明所采用的新颖的正交光路系统中，激光器，参比光路光电检测单元，透射光路光电检测单元和反射光路光电检测单元成十字分布，激光器激光光轴与参比光路光电检测单元轴线重叠，透射光路光电检测单元和反射光路光电检测单元轴线重叠，两个轴线垂直正交，分光片在两个轴线的交点，与两个轴线的平面垂直，与激光器发出的激光成45度夹角。