吸附平衡特性分析装置及其分析方法与流程

本发明涉及分析装置领域，具体地，涉及一种吸附平衡特性分析装置及其分析方法；尤其涉及一种吸附平衡特性分析装置及基于该装置的固相微萃取、气相色谱-质谱联用分析方法。

背景技术：

随着中国的经济和社会的发展产生了能源和环境等问题，这些都对生态平衡以及经济可持续发展构成了越来越显著的威胁。在进一步研究中，利用太阳能或余热驱动的吸附制冷、净化、发电系统较为复杂，这就需要科研工作者充分使用现有的多种分析仪等对新型清洁生物能源开发以及产生解吸产物的物性、产生规律与机理等进行研究，尤其是需要充分研究和发展现有仪器设备的联合测试技术。

多种成分分析仪器联用方面，目前，已经有很多科研人员进行了研究。经对现有技术的文献检索发现，专利文献公布号为cn105974023a，申请号为201610387936.3公开了一种便携式气相色谱-质谱联用装置，该装置分为气相色谱模块、电离源模块、质谱检测模块。气相色谱仪模块包括气化室、气相色谱柱；电离源模块包括离子源、离子透镜；质谱检测模块包括离子传输装置、质子分析器。该发明利用质谱负压，以空气为载气，简化了装置，减轻了重量，更便于实现车载或小型化用于现场勘测。但，该专利文献没有固相萃取技术，对含量少以及成分比较复杂的物质，无法进行有效的样品富集和采样。另外，该装置无法对吸附热以及吸附量进行测量。

专利文献公布号为cn101865868a，申请号为200910093342.1公开了一种差热-气相色谱仪联用分析装置，该装置包括差热分析仪、气相色谱仪。在差热分析仪气体出口处安装气体采集部件和温度传感器。气体采集部件的输出经自动进气控制机构接到气相色谱仪的采样口。该发明在传统差热-气相色谱间隙联用分析装置的基础上，加装气体采样部件和自动进气控制机构，实时采集差热分析仪的差热信号、炉温信号以及尾气出口处的温度信号。所以该装置可实现自动化操作，适合无人看护环境下的操作。但是该专利文献只检测了热量信号，没有采集吸附量和解吸量的信号。另外，对于少量气体成分以及复杂的成分，该装置无法进行有效收集采样。还有，该装置无法确定分子量，特别是无法进行微量杂质分析。

专利文献公布号为cn107328884a，申请号为201710791512.8公开了一种柴油烃组分分析装置及液相色谱和质谱联用分析柴油烃组成的方法，该发明包括进样器、第一四通阀、液相色谱柱、第二四通阀、气相色谱质谱联用仪，通过转动第一四通阀，可以控制进样器向液相色谱柱的两个相反方向进样，通过转动第二四通阀，可以控制液相色谱柱与气相色谱质谱联用仪是否连通，该装置结构简单，实现自动有效分离柴油中的饱和烃和芳烃，并直接进行成分检测。但是该专利文献没有对物质的热量和质量进行检测。此外，该发明的使用范围只局限于柴油烃。另外，该发明对微量成分以及复杂成分无法进行有效的采样。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种吸附平衡特性分析装置及其分析方法。

根据本发明提供的一种吸附平衡特性分析装置，包括吸附机构、温度流量测控机构以及阀门机构；

所述吸附机构通过阀门机构与温度流量测控机构相连接；

所述吸附机构包括吸附床单元、蒸发冷凝器单元；

所述吸附床单元与蒸发冷凝器单元相连接。

优选地，所述吸附床单元包括第一截断法兰、密封法兰、第三截断法兰、吸附床换热盘管、吸附剂、吸附床筒；

所述第一截断法兰的一端、密封法兰的一端均与吸附床筒的一端相连接；

所述第三截断法兰的一端与吸附床筒的另一端相连接；

所述吸附床换热盘管设置在吸附床筒外部；

所述吸附剂填充在吸附床筒内部。

优选地，所述蒸发冷凝器单元包括蒸发冷凝器筒、蒸发冷凝器换热盘管；

所述蒸发冷凝器换热盘管设置在蒸发冷凝器筒的外部；

所述吸附床筒通过连接管路与蒸发冷凝器筒相连接。

优选地，所述温度流量测控机构包括第一流量传感器、第一恒温箱、第一温度传感器、压力传感器、加热丝、第二截断法兰、第二温度传感器、第二流量传感器、第二恒温箱、第三温度传感器以及第四温度传感器；

所述阀门机构包括第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门以及第六阀门；

所述第一恒温箱的一端分别与第一流量传感器的一端、第一阀门的一端相连接；

所述第一流量传感器的另一端与第一温度传感器的一端相连接；

所述第一温度传感器的另一端与第一截断法兰的另一端相连接；

所述第一阀门的另一端依次经第四温度传感器与第三截断法兰的另一端相连接；

所述密封法兰的另一端与压力传感器的一端相连接；

所述压力传感器的另一端与吸附床筒的内部相通；

所述加热丝缠绕在连接管路上；

所述第三阀门的一端与吸附床筒的内部相连通；

所述第三阀门的另一端与第二截断法兰的一端相连接；

所述第二截断法兰的另一端分别与第四阀门的一端、蒸发冷凝器筒相连接；

所述第四阀门的另一端与泵部相连接；

所述第二恒温箱的一端分别与第二流量传感器的一端、第六阀门的一端相连接；

所述第二流量传感器的另一端与第二温度传感器的一端相连接；

所述第二温度传感器的另一端与第五阀门的一端相连接；

所述第五阀门的另一端与蒸发冷凝器换热盘管的一端相连接；

所述第六阀门的另一端通过第三温度传感器与蒸发冷凝器换热盘管的另一端相连接。

优选地，还包括保温层、第五温度传感器；

所述保温层沿周向设置在吸附床筒内部；

所述第五温度传感器的数量为多个；

其中一个所述第五温度传感器通过保温层与蒸发冷凝器筒内的液体相接触；

其中另一个所述第五温度传感器通过密封法兰与填充在吸附床筒内部的吸附剂相接触。

优选地，还包括成分分析仪器机构；

所述成分分析仪器机构包括固相微萃取针筒、气相色谱质谱仪、氮气阀门以及减压阀门；

所述固相微萃取针筒与密封法兰相连接，所述固相微萃取针筒的针头设置在吸附床筒一端的内部；所述固相微萃取针筒与密封法兰之间设置有密封垫片；

所述固相微萃取针筒位置设置在气相色谱质谱仪的进样口处；

所述氮气阀门与减压阀门的一端相连接；

所述减压阀门的另一端与气相色谱质谱仪的进样口相连接。

本发明还提供了一种基于上述的吸附平衡特性分析装置的分析方法，包括如下步骤：

吸附平衡性能测试步骤：利用温度流量测控机构测量不同温度下吸附剂的吸附量、吸附热、解吸热以及平衡吸附线；

成分分析步骤：利用成分分析仪器机构分析样品的成分。

优选地，所述吸附平衡性能测试步骤包括如下子步骤：

抽真空子步骤：打开第三阀门、第四阀门，泵部，对吸附床筒和蒸发冷凝器筒进行抽真空；

称重子步骤：关闭第三阀门，松开第二截断法兰、第一截断法兰以及第三截断法兰；测量高效吸附剂、保温层、吸附床筒、吸附床换热盘管、压力传感器、固相微萃取针筒、第五温度传感器这七者的总质量；

平衡吸附子步骤：将第一截断法兰、第二截断法兰以及第三截断法兰相互连接；关闭第四阀门，打开第一阀门、第二阀门、第三阀门、第五阀门、第六阀门；打开第一恒温箱，设定温度为t1，并运行10小时，根据第一温度传感器、第六温度传感器、第一流量传感器计算吸附热；同时打开第二恒温箱，设定温度为t1，并运行10小时；

吸附量测量子步骤：关闭第一阀门、第二阀门、第三阀门；断开第一截断法兰、第二截断法兰以及第三截断法兰；烘干吸附床换热盘管管内流体；测量吸附剂、保温层、吸附床筒、吸附床换热盘管、压力传感器、固相微萃取针筒、第五温度传感器的总质量；

吸附平衡线测量子步骤：连接第一截断法兰、第三截断法兰；打开第一阀门、第二阀门；打开第一恒温箱，分别设定温度为t2、t3、t4、t5，并均运行预设时间段，根据t2、t3、t4、t5、压力传感器的数值，获取平衡吸附线。

优选地，所述成分分析步骤包括如下子步骤：

固相微萃取子步骤：打开第二截断法兰、关闭第四阀门；打开第一阀门、第二阀门、第三阀门、第五阀门以及第六阀门；打开第一恒温箱，设定温度为t6，并运行2小时，同时打开第二恒温箱，设定温度为t7，并运行预设时间段，同时将固相微萃取针筒的针头处于吸附床筒的上部2小时；

成分提取与气相色谱质谱分析子步骤：将固相微萃取针筒移到固相微萃取针筒位置，并将固相微萃取针筒的针头插至气相色谱质谱仪的进样口，并保持预设时间，气相色谱质谱仪的进样口温度设置为预设温度进行解吸，形成解析气体；打开氮气阀门、调节减压阀门的压力；所述减压阀门的压力比气相色谱质谱仪色柱的前压高出0.05至0.1mpa，解吸气体被经氮气阀门流出的氮气送入至气相色谱质谱仪的汽化室，完成成分分析。

优选地，所述温度t2、t3、t4、t5、t6以及t7均为温度值，且这六者的温度值均不相同；

其中，t6的温度值高于t7的温度值。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明提供的吸附平衡特性分析装置扩展了测量对象；利用固相微萃取技术，可以对常规成分，以及微量成分和复杂成分进行有效地富集采样。

2、本发明提供的吸附平衡特性分析装置提高了科学仪器的使用深度和应用水平。本发明可以测量热量、吸附量、平衡吸附特性的同时，对成分进行有效采集和成分分析。

3、本发明提供的吸附平衡特性分析装置及基于该装置的固相微萃取、气相色谱质谱仪联用分析方法的意义在于：有助于拓展仪器的应用功能，扩展测试样品品种以及测试内容；提高科学仪器的使用深度和应用水平，进而可以形成成套仪器组合联用标准，为更多用户共享测试仪器，可以提高贵重仪器的共享率；支撑和促进能源、环境等国家重大科学研究，为国家的可持续发展提供积极支撑，具有重要现实意义和应用价值。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提供的吸附平衡特性分析装置的结构示意图。

下表为说明书附图中的各个附图标记的含义：

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明提供了一种吸附平衡特性分析装置，包括吸附机构、温度流量测控机构以及阀门机构；所述吸附机构通过阀门机构与温度流量测控机构相连接；所述吸附机构包括吸附床单元、蒸发冷凝器单元；所述吸附床单元与蒸发冷凝器单元相连接。

所述吸附床单元包括第一截断法兰8、密封法兰10、第三截断法兰28、吸附床换热盘管30、吸附剂31、吸附床筒32；所述第一截断法兰8的一端、密封法兰10的一端均与吸附床筒32的一端相连接；所述第三截断法兰28的一端与吸附床筒32的另一端相连接；所述吸附床换热盘管30设置在吸附床筒32外部；所述吸附剂31填充在吸附床筒32内部。

所述蒸发冷凝器单元包括蒸发冷凝器筒19、蒸发冷凝器换热盘管23；所述蒸发冷凝器换热盘管23设置在蒸发冷凝器筒19的外部；所述吸附床筒32通过连接管路与蒸发冷凝器筒19相连接。

所述温度流量测控机构包括第一流量传感器4、第一恒温箱5、第一温度传感器9、压力传感器13、加热丝14、第二截断法兰16、第二温度传感器21、第二流量传感器22、第二恒温箱25、第三温度传感器26以及第四温度传感器29；所述阀门机构包括第一阀门6、第二阀门7、第三阀门15、第四阀门17、第五阀门20以及第六阀门24；所述第一恒温箱5的一端分别与第一流量传感器4的一端、第一阀门6的一端相连接；所述第一流量传感器4的另一端与第一温度传感器9的一端相连接；所述第一温度传感器9的另一端与第一截断法兰8的另一端相连接；所述第一阀门6的另一端依次经第四温度传感器29与第三截断法兰28的另一端相连接；所述密封法兰10的另一端与压力传感器13的一端相连接；所述压力传感器13的另一端与吸附床筒32的内部相通；所述加热丝14缠绕在连接管路上；所述第三阀门15的一端与吸附床筒32的内部相连通；所述第三阀门15的另一端与第二截断法兰16的一端相连接；所述第二截断法兰16的另一端分别与第四阀门17的一端、蒸发冷凝器筒19相连接；所述第四阀门17的另一端与泵部1相连接；所述第二恒温箱25的一端分别与第二流量传感器22的一端、第六阀门24的一端相连接；所述第二流量传感器22的另一端与第二温度传感器21的一端相连接；所述第二温度传感器21的另一端与第五阀门20的一端相连接；所述第五阀门20的另一端与蒸发冷凝器换热盘管23的一端相连接；所述第六阀门24的另一端通过第三温度传感器26与蒸发冷凝器换热盘管23的另一端相连接。

本发明提供的吸附平衡特性分析装置，还包括保温层27、第五温度传感器18；所述保温层27沿周向设置在吸附床筒32内部；所述第五温度传感器18的数量为多个；其中一个所述第五温度传感器18通过保温层27与蒸发冷凝器筒19内的液体相接触；其中另一个所述第五温度传感器18通过密封法兰10与填充在吸附床筒32内部的吸附剂31相接触。所述第五温度传感器18优选的为长杆温度传感器。

本发明提供的吸附平衡特性分析装置，还包括成分分析仪器机构；所述成分分析仪器机构包括固相微萃取针筒12、气相色谱质谱仪3、氮气阀门33以及减压阀门34；所述固相微萃取针筒12与密封法兰10相连接，所述固相微萃取针筒12的针头设置在吸附床筒32一端的内部；所述固相微萃取针筒12与密封法兰10之间设置有密封垫片11；所述固相微萃取针筒位置2设置在气相色谱质谱仪3的进样口处；所述氮气阀门33与减压阀门34的一端相连接；所述减压阀门34的另一端与气相色谱质谱仪3的进样口相连接。

本发明还提供了一种基于上述的吸附平衡特性分析装置的分析方法，包括如下步骤：吸附平衡性能测试步骤：利用温度流量测控机构测量不同温度下吸附剂的吸附量、吸附热、解吸热以及平衡吸附线；成分分析步骤：利用成分分析仪器机构分析样品的成分。

所述吸附平衡性能测试步骤包括如下子步骤：抽真空子步骤：打开第三阀门15、第四阀门17，泵部1，对吸附床筒32和蒸发冷凝器筒19进行抽真空；称重子步骤：关闭第三阀门15，松开第二截断法兰16、第一截断法兰8以及第三截断法兰28；测量高效吸附剂31、保温层27、吸附床筒32、吸附床换热盘管30、压力传感器13、固相微萃取针筒12、第五温度传感器18这七者的总质量；平衡吸附子步骤：将第一截断法兰8、第二截断法兰16以及第三截断法兰28相互连接；关闭第四阀门17，打开第一阀门6、第二阀门7、第三阀门15、第五阀门20、第六阀门24；打开第一恒温箱5，设定温度为t1，并运行10小时，根据第一温度传感器9、第六温度传感器29、第一流量传感器4计算吸附热；同时打开第二恒温箱25，设定温度为t1，并运行10小时；吸附量测量子步骤：关闭第一阀门6、第二阀门7、第三阀门15；断开第一截断法兰8、第二截断法兰16以及第三截断法兰28；烘干吸附床换热盘管30管内流体；测量吸附剂31、保温层27、吸附床筒32、吸附床换热盘管30、压力传感器13、固相微萃取针筒12、第五温度传感器18的总质量；吸附平衡线测量子步骤：连接第一截断法兰8、第三截断法兰28；打开第一阀门6、第二阀门7；打开第一恒温箱5，分别设定温度为t2、t3、t4、t5，并均运行预设时间段，根据t2、t3、t4、t5、压力传感器13的数值，获取平衡吸附线。

所述成分分析步骤包括如下子步骤：固相微萃取子步骤：打开第二截断法兰16、关闭第四阀门17；打开第一阀门6、第二阀门7、第三阀门15、第五阀门20以及第六阀门24；打开第一恒温箱5，设定温度为t6，并运行2小时，同时打开第二恒温箱25，设定温度为t7，并运行预设时间段，同时将固相微萃取针筒12的针头处于吸附床筒32的上部2小时；成分提取与气相色谱质谱分析子步骤：将固相微萃取针筒12移到固相微萃取针筒位置2，并将固相微萃取针筒12的针头插至气相色谱质谱仪3的进样口，并保持预设时间，气相色谱质谱仪3的进样口温度设置为预设温度进行解吸，形成解析气体；打开氮气阀门33、调节减压阀门34的压力；所述减压阀门34的压力比气相色谱质谱仪3色柱的前压高出0.05至0.1mpa，解吸气体被经氮气阀门33流出的氮气送入至气相色谱质谱仪3的汽化室，完成成分分析。

所述温度t2、t3、t4、t5、t6以及t7均为温度值，且这六者的温度值均不相同；

其中，t6的温度值高于t7的温度值。

下面对本发明提供的吸附平衡特性分析装置及其分析方法进行进一步说明：

如图1所示，本发明提供了一种吸附平衡特性分析装置的分析方法，更具体地，吸附平衡特性分析装置及基于该装置的固相微萃取、气相色谱-质谱联用分析方法。

优选地，第一截断法兰8通过管路与吸附床筒32上部相连，再与吸附床换热盘管30相连；密封法兰10与吸附床筒32顶部相连；保温层27包裹在吸附床筒32侧面以及底部；第三截断法兰28通过管路与吸附床筒32下部相连，再与吸附床换热盘管30相连；吸附床换热盘管30紧贴在吸附床筒32外壁；吸附剂31填充在吸附床筒32内。

优选地，蒸发冷凝器换热盘管23紧贴在蒸发冷凝器筒19外壁；保温层27分别包裹住蒸发冷凝器筒19以及蒸发冷凝器换热盘管23；所述温度流量测控子系统，即温度流量测控机构中的第一恒温箱5的上部水管与第一流量传感器4的一端相连，所述第一流量传感器4的另一端与第一温度传感器9的一端相连，所述第一温度传感器9的另一端经第二阀门7与第一截断法兰8的一端相连；第一恒温箱5下部水管与第一阀门6的一端相连，所述第一阀门6的另一端与第四温度传感器29的一端相连，所述第四温度传感器29的另一端与第三截断法兰28的一端相连；所述第三截断法兰28的另一端与吸附床换热盘管30相连接；压力传感器13与密封法兰10的上部相连，压力传感器13与吸附床筒32内部连通；加热丝14分别缠绕在吸附床筒32的连接管路上、蒸发冷凝器筒19的连接管路上，第三阀门15的下端，即第三阀门15的一端通过管路与吸附床筒32内部连通，第三阀门15的上端，即第三阀门15的另一端通过管路与第二截断法兰16的一端相连，第二截断法兰16的另一端通过管路与蒸发冷凝器筒19内部连通；第五温度传感器18通过密封法兰10，与吸附床筒32内的吸附剂接触，另一第五温度传感器18通过保温层27，与蒸发冷凝器筒19内的液体接触；第二恒温箱25的上端管路与第二流量传感器22的一端相连，所述第二流量传感器22的另一端与第二温度传感器21的一端相连，所述第二温度传感器21的另一端与第五阀门20的一端相连，所述五阀门20的另一端与蒸发冷凝器换热盘管23的顶部，即蒸发冷凝器换热盘管23的一端相连；第二恒温箱25的下端管路与第六阀门24的一端相连，第六阀门24的另一端与第三温度传感器26的一端相连，所述第三温度传感器26的另一端与蒸发冷凝器换热盘管23的底部相连；所述的成分分析仪器联用子系统，即成分分析仪器机构中的固相微萃取针筒12与密封法兰10相连，所述固相微萃取针筒12的针头处于吸附床筒32的顶部空间内，即吸附床筒32一端的内部；第四阀门17的一端与第二截断法兰16的另一端以及蒸发冷凝器筒19之间的管路相连，第四阀门17的另一端与泵1相连；固相微萃取针筒位置2位于气相色谱质谱仪3的进样口处；氮气阀门33与减压阀门34相连，再与气相色谱质谱仪3的进样口相连。

本发明还提供了一种基于上述的吸附平衡特性分析装置的固相微萃取、气相色谱-质谱联用分析方法，包含以下步骤：吸附平衡性能测试步骤：利用温度流量测控机构，测量不同温度下吸附剂的吸附量、吸附热、解吸热、平衡吸附线；成分分析步骤：利用固相微萃取针筒12、第四阀门17、氮气阀门33、减压阀门34、泵1等实现成分分析。所述吸附平衡性能测试步骤包含以下子步骤，即操作过程：抽真空子步骤：打开第三阀门15、第四阀门17，泵1，对吸附床筒32和蒸发冷凝器筒19进行抽真空；称重子步骤：关闭第三阀门15，松开第二截断法兰16、第一截断法兰8、第三截断法兰28，测量吸附剂31、保温层27、吸附床筒32、吸附床换热盘管30、压力传感器13、固相微萃取针筒12、第五温度传感器18的总质量；平衡吸附子步骤：连接第一截断法兰8、第二截断法兰16、第三截断法兰28，关闭第四阀门17，打开第一阀门6、第二阀门7、第三阀门15、第五阀门20、第六阀门24；打开第一恒温箱5，设定温度为t1，并运行10小时，根据第一温度传感器9、第六温度传感器29、第一流量传感器4计算吸附热；同时打开第二恒温箱，设定温度为t1，并运行10小时；吸附量测量子步骤：关闭第一阀门6、第二阀门7、第三阀门15，断开第一截断法兰8、第二截断法兰16、第三截断法兰28，烘干吸附床换热盘管30管内流体，测量吸附剂31、保温层27、吸附床筒32、吸附床换热盘管30、压力传感器13、固相微萃取针筒12、第五温度传感器18的总质量；吸附平衡线测量子步骤：连接第一截断法兰8、第三截断法兰28，打开第一阀门6、第二阀门7，打开第一恒温箱5，设定温度t2，并运行2小时，设定温度t3，并运行2小时，设定温度t4，并运行2小时，设定温度t5，并运行2小时，根据t2、t3、t4、t5、压力传感器13的数值，得到平衡吸附线；所述成分分析步骤包含以下操作过程：固相微萃取子步骤：打开第二截断法兰16、关闭第四阀门17，打开第一阀门6、第二阀门7、第三阀门15、第五阀门20、第六阀门24；打开第一恒温箱5，设定高温为t6，并运行2小时，同时打开第二恒温箱，设定低温为t7，并运行2小时，同时将固相微萃取针筒12的针头处于吸附床筒32的上部2小时；成分提取与气相色谱质谱分析子步骤：将固相微萃取针筒12移到固相微萃取针筒位置2，并将针头迅速插入气相色谱质谱仪3的进样口，并保持3分钟，进样口温度设置300度进行解吸，打开氮气阀门33、调节减压阀门34压力比气相色谱质谱仪3色柱前压高出0.05-0.1mpa，被解吸气体被氮气送入气相色谱质谱仪3的汽化室，从而实现成分分析。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。