[发明专利]一种气溶胶碳质组分原位在线采集分析仪及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及环境质量监测仪器，尤其涉及一种气溶胶碳质组分原位在线采集分析仪及其在线采集分析方法。

背景技术

大气气溶胶中的碳质组分，通常占大气细粒子质量浓度的10-70％，是大气细粒子的重要组成成分。其可分为三大类：有机碳(Organic Carbon，OC)、元素碳(Elemental Carbon，EC)和碳酸碳(Carbonate Carbon，CC)。OC是指一种含有上百种有机化合物(如脂肪族、芳香族、酸类等)的混合体，主要来源于一次燃烧过程的排放、生物排放，以及气态有机污染物参与光化学反应和气粒转化过程的排放。EC通常是指化石燃料或生物质等含碳物质经过不完全燃烧后直接排放的一种结晶度很低的无定形碳。CC主要存在于土壤和煤矿飞尘的粗粒子中，其质量浓度远小于OC和EC，故一般被忽略。

大气气溶胶中的碳质组分能够对全球气候、大气能见度以及人体健康等方面产生影响。EC作为大气气溶胶中最主要的光学吸收成分，不仅可以吸收从红外到紫外的全波段的光，还能加深颗粒物的颜色，使一些原本对辐射没有吸收或者吸收较小的颗粒物产生光吸收性，从而增加正辐射强迫。此外，碳质气溶胶还可以作为凝结核改变大气中云滴的浓度和寿命，间接影响地球辐射平衡。在能见度方面，EC对光强大的吸收作用和OC对光的散射作用能够显著降低区域大气的能见度。在人体健康方面，气溶胶中的碳质组分大部分存在于细粒子(0.1-1μm)中，因而很容易通过人体的呼吸作用进入肺部，破坏肺的结构和功能，引发慢性呼吸道疾病等。因此，研究大气气溶胶的碳质组分具有重要意义，也成为当今环境监测领域的热点。

目前，对大气气溶胶的碳质组分的研究，主要有两种方法：膜采样离线分析法和在线采样分析法。与离线分析法相比，在线采样分析法克服了其时间分辨率低、人为干扰较大的缺点，具有更大的应用市场。然而目前商用在线气溶胶碳质组分分析仪在结构和功能上还存在一些不足：1、切割点校正方法单一，只使用透射激光校正法或反射激光校正法的某一种，不能综合反映膜黑度的变化；2、石英膜上的热量主要从石英管内部烧制的一圈与石英膜接触的结构以及周围的空气传递，加热缓慢且不均匀；3、炉管内部烧制一石英薄片，在使用过程中会受到污染，影响光路的准确性；4、载气使用浪费且分配不合理：甲烷内标气全程排出，造 成较大的浪费；载气用量在整个分析过程中并不恒定，从氦气变为氦气+氧气，会造成背景波动影响测量结果。5、控制甲烷定量环的阀体结构具有较大死体积，会导致甲烷峰不稳定。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种气溶胶碳质组分原位在线采集分析仪，该仪器在激光光路中不设置除石英膜外的其他结构，保证了光路的准确性；还实现了透射激光和反射激光同时对切割点进行校正，综合反映膜黑度的变化；阀体设计使甲烷内标气的定量误差大大降低，保证了内标气的稳定，提高了有机碳(Organic Carbon，OC)和元素碳(Elemental Carbon，EC)测量结果的准确性；气路设计保证了分析阶段系统内载气成分恒定，保证了系统背景的稳定。

本发明的工作原理是：利用石英膜采集颗粒物样品，先在He气的非氧化环境下逐级加热石英膜，将颗粒物中的OC挥发出来(有一部分OC炭化成EC)，再在载气中加入He/O_x并继续逐级升温，将EC氧化使其逸出。从石英膜上逸出的OC和EC进入氧化炉管，经过MnO₂的催化氧化作用转化成CO₂，最后进入NDIR检测器定量。在整个加热过程中，激光发射器始终发射一束激光，经石英膜透射和反射后到达透射激光信号检测器和反射激光信号检测器。透射激光和反射激光开始时随着OC的炭化而减弱，之后又随着EC的氧化分解逐渐增强，当恢复到最初光强时即认为到达OC、EC的分割点，即：该点之前热分解出的碳质组分是OC，该点之后的碳质组分为EC。

本发明提供的技术方案是：

本发明专利设计了一种气溶胶碳质组分原位在线采集分析仪，包括载气气路系统和采样-分析气路系统两个部分；

所述载气气路系统包括He主气气路、He吹扫气气路、He/Ox气气路和He/CH₄气气路；

所述He主气气路由依次连接的He气钢瓶气、第一减压阀、第一质量流量控制器和第一三通电磁阀组成；

所述He吹扫气气路由依次连接的所述He气钢瓶气、所述第一减压阀和第二质量流量控制器组成；