一种用于分析气态总汞的自动分析装置

1.本实用新型涉及污水监测领域，特别是涉及一种用于分析水质总汞的自动分析装置。


背景技术：

2.汞是一种常温常压下唯一以液态存在的有毒有害重金属元素，而且具有挥发性，因此在自然界中普遍存在该元素，能给生态环境带来巨大的生态风险和造成人体中毒。因此联合国经过组织多轮谈判后颁布了具有法律效力的全球汞公约《水俣公约》，并于2017年8月16日对全球生效，旨在减少控排放和控制汞污染。根据公约要求，需要对环境汞开展监测，从而对履约成效进行评估，因此，对环境汞的监测，特别是大气汞的长期监测，对于评估我国汞污染的控制措施和减排成效极为重要。就大气汞而言，按物理化学形态主要分为气态单质汞(gem)，活性气态汞(gom)和颗粒汞(pbm)，一般三种形态汞的总和成为大气的气态总汞(tgm)。大气汞主要来自于人为活动(人为源)和自然过程(自然源)的汞排放。其中人为源主要包括化石燃料燃烧、城市垃圾和医疗垃圾焚烧、有色金属冶炼、水泥生产、炼金活动和氯碱工业等，而自然源主要包括火山地热活动、土壤和水体表面挥发作用，植物蒸腾和森林火灾等。对大气汞的监测可以了解大气汞的分布特征和传输规律、解析大气汞污染的来源、优化大气汞的排放清单、评估大气汞的长期变化趋势，并为汞公约履约成效评估提供数据支撑等。目前，全球对气态汞的测量主要是先利用特氟龙滤膜(孔径大于2微米)去掉空气颗粒物，再通过金汞齐富集，然后在加热解析，通过载气带入到原子荧光或者原子吸收汞检测器中分析。这种方法只能测量空气中的元素汞和一部分活性汞以及颗粒态汞，无法完全测量真正的气态总汞。
3.传统的气态总汞分析为了防止气体样品中大颗粒物对汞富集管和检测器的影响，需要在汞富集之前将气体样品中的大颗粒物去掉，只允许小于pm2.5的颗粒物进入，这也就将气体样品中的大部分颗粒态汞去除了，导致分析到的气态总汞中没有包含大部分的颗粒态汞，另外，吸附到滤膜上的颗粒物还会吸收气体样品中的单质汞和活性汞，因此，上述原因可以导致测到的气态总汞浓度是低于真实的总汞浓度的。


技术实现要素：

4.(1)要解决的技术问题
5.本实用新型实施例提供一种用于分析气态总汞的自动分析装置，通过控制器控制自动进气机构对待测样品气体的自动输入，控制冷凝及裂解机构对待测样品气体中的气态总汞自动分步实现低温富集以及高温解析后得到全部的气态单质汞，在控制自动输气机构对气态单质汞进行自动输出至检测分析机构内，利用检测分析机构对气态单质汞进行测量，得出待测样品气体的总汞浓度，能够对待测样品气体中气态总汞实现完整收集，提高了对待测样品气体的总汞浓度分析的准确性，从而真正的实现了样品中气体的全部总汞含量的测量，同时实现简便可靠的在线分析技术，并降低了分析成本。
6.(2)技术方案
7.第一方面，本实用新型的实施例提出了一种用于分析气态总汞的自动分析装置，包括自动进气机构，设有用于输送待测样品气体的第一管路；冷凝及裂解机构，用于接收所述待测样品气体并低温富集所述待测样品气体中的气态总汞，以及用于将所述气态总汞全部高温解析为气态单质汞；自动输气机构，设有用于输送所述气态单质汞的第二管路；检测分析机构，用于分析所述气态单质汞的总浓度，控制器，用于控制所述自动进气机构、所述冷凝及裂解机构以及所述自动输气机构的自动运行。
8.进一步地，所述冷凝及裂解机构包括与所述第一管路以及第二管路连通的用于富集所述待测样品气体中的所述气态总汞的容器，和用于低温冷凝所述容器内的所述气态总汞的冷凝单元以及用于高温解析所述容器内所述气态总汞为所述气态单质汞的裂解单元。
9.进一步地，所述冷凝单元包括用于容纳所述容器的冷凝槽以及通过注入管路和回流管路均与所述冷凝槽连通的冷凝剂储箱，所述注入管路上设有液体泵，所述回流管路上设有截止阀，所述冷凝槽内还设有用于检测液面高度的液位传感器以及用于检测所述冷凝槽内温度的温度计和用于维持所述冷凝槽内在设定温度下的温控器。
10.进一步地，所述裂解单元包括绕设于所述容器的外壁上的第一加热丝。
11.进一步地，所述容器内部填充有用于富集待测样品气体中的所述气态总汞的富集剂，所述第一管路的输出端与第二管路的输入端均设于所述容器内部，且第一管路的输出端埋置于所述富集剂内，第二管路的输入端位于所述富集剂上方。
12.进一步地，所述自动进气机构还包括设于所述第一管路上且相互连通的第一电磁阀和第二电磁阀，所述第一电磁阀上设有用于输入待测样品气体的第一管接口和用于与所述第二电磁阀连通的第二管接口，所述第二电磁阀还设有用于输入载气的第三管接口、与所述第一电磁阀连通的第四管接口以及与所述容器连通的第五管接口。
13.进一步地，所述第一电磁阀上还设有用于输送汞标准气的第六管接口以及用于输送无汞空气的第七管接口。
14.进一步地，所述自动进气机构还包括用于将所述待测样品气体从所述第一管路抽取到所述第二管路中的抽气泵，所述自动输气机构包括设于第二管路上且相互连通的用于控制载气流量的质量流量控制器、第三电磁阀、用于干燥所述气态单质汞的干燥管、第四电磁阀、用于二次提纯所述气态单质汞的富集组件、第五电磁阀，所述第三电磁阀设于所述质量流量控制器和所述干燥管之间，所述第四电磁阀设于所述干燥管与所述富集组件之间，所述第五电磁阀设于所述富集组件与所述检测分析机构之间，所述第三电磁阀上设有用于与所述抽气泵连通的第八管接口。
15.进一步地，所述第四电磁阀上设有用于输入载气的第九管接口，所述第五电磁阀上设有用于排出废气的第十管接口以及与所述检测分析机构连通的第十一管接口。
16.进一步地，所述富集组件包括汞富集管和绕设于所述汞富集管外部的第二加热丝，所述第三电磁阀上还设有用于连通所述质量流量控制器的第十二管接口以及连通所述干燥管的第十三管接口，所述第四电磁阀上还设有用于连通所述干燥管另一端的第十四管接口以及用于连通所述汞富集管的第十五管接口，所述第五电磁阀上还设有用于连通所述汞富集管另一端的第十六管接口。
17.(3)有益效果
18.综上，本实用新型控制器控制自动进气机构对待测样品气体的自动输入，控制冷凝及裂解机构对待测样品气体中的气态总汞自动分步实现低温富集以及高温解析后得到全部的气态单质汞，在控制自动输气机构对气态单质汞进行自动输出至检测分析机构内，利用检测分析机构对气态单质汞进行测量，得出待测样品气体的总汞浓度，能够对待测样品气体中各形态汞(含气态单质汞、活性气态汞以及颗粒汞)实现完整收集，提高了对待测样品气体的总汞浓度分析的准确性，从而真正的实现了样品中气体的全部总汞含量的测量，同时实现简便可靠的在线分析技术，更加适用于长期的在线监测，而且维护简单，整个检测分析过程无需现有技术采用定期更换滤膜来过滤样气，也不需要化学试剂富集样品，从而降低了检测分析成本。
附图说明
19.为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对本实用新型实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1是本实用新型的结构示意图。
21.图中：
22.1-第一管路；11-第一电磁阀；12-第二电磁阀；111-第一管接口；112-第六管接口；113-第七管接口；114-第二管接口；121-第三管接口；122-第四管接口；123-第五管接口
23.2-第二管路；21-质量流量控制器；22-第三电磁阀；23-第四电磁阀；25-干燥管；26-富集组件；27-抽气泵；221-第十二管接口；222-第十三管接口；223-第八管接口；231-第九管接口；232-第十四管接口；233-第十五管接口；241-第十管接口；242-第十六管接口；243-第十一管接口；261-汞富集管；262-第二加热丝；
24.3-容器；31-富集剂；
25.41-冷凝槽；42-注入管路；43-回流管路；44-冷凝剂储箱；45-液体泵；46-截止阀；47-温度计；48-温控器；49-第一加热丝；
26.5-汞分析仪。
具体实施方式
27.下面结合附图和实施例对本实用新型的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本实用新型的原理，但不能用来限制本实用新型的范围，即本实用新型不限于所描述的实施例，在不脱离本实用新型的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。
28.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本技术。
29.图1是本实用新型实施例的一种用于分析气态总汞的自动分析装置的结构示意图，如图1所示，该自动分析装置包括自动进气机构，设有用于输送待测样品气体的第一管路1；冷凝及裂解机构，用于接收待测样品气体并低温富集待测样品气体中的气态总汞，以及用于将气态总汞全部高温解析为气态单质汞；自动输气机构，设有用于输送气态单质汞
的第二管路2；检测分析机构，用于分析气态单质汞的总浓度；控制器，用于控制自动进气机构、冷凝及裂解机构以及自动输气机构的自动运行。
30.本实用新型通过控制器控制自动进气机构对待测样品气体的自动输入，控制冷凝及裂解机构对待测样品气体中的气态总汞自动分步实现低温富集以及高温解析后得到全部的气态单质汞，在控制自动输气机构对气态单质汞进行自动输出至检测分析机构内，利用检测分析机构对气态单质汞进行测量，得出待测样品气体的总汞浓度，能够对待测样品气体中气态总汞(含气态单质汞、活性气态汞和颗粒汞)中各形态汞实现完整收集，提高了对待测样品气体的总汞浓度分析的准确性，从而真正的实现了样品中气体的全部总汞含量的测量，同时实现简便可靠的在线分析技术，并降低了分析成本。
31.作为一种优选实施方式，如图1所示，该冷凝及裂解机构包括与第一管路1以及第二管路2连通且用于富集待测样品气体中的气态总汞的容器3，和用于低温冷凝容器3内的气态总汞的冷凝单元以及用于高温解析容器3内气态总汞为气态单质汞的裂解单元，容器3内部填充有用于富集待测样品气体中的气态总汞的富集剂31，该富集剂可选石英砂或者碳化硅颗粒以及两者的组合，且第一管路1的输出端埋置于富集剂31内，第二管路2的输入端位于所述富集剂31上方。利用汞自身熔点的特性，通过对容器3进行低温处理实现对容器3内输入的待测样品气体中的各种形态的气态汞(含气态单质汞、活性气态汞和颗粒汞)进行富集，无需采用特氟龙滤膜对待测样品中的气态总汞进行过滤从而将大颗粒状态的颗粒汞去除而影响总汞浓度分析的精准性，以及通过对容器3进行加热升温，可以对富集到富集剂31上的气态总汞重新挥发而形成气态单质汞，再向第二电磁阀12(后文详述)的第三管接口121注入载气(高纯氮气)而将气态单质汞从容器3内输送至检测分析机构内，实现对待测样品气体中的气态总汞的纯化。
32.作为另一种优选实施方式，如图1所示，该冷凝单元包括用于容纳容器3的冷凝槽41以及通过注入管路42和回流管路43均与冷凝槽41连通的冷凝剂储箱44，该冷凝剂储箱44内填充有冷凝剂(甲醇或乙二醇水合物或两者的混合物)，注入管路42上设有液体泵45，回流管路43上设有截止阀46，冷凝槽41内还设有用于检测液面高度的液位传感器(图中未示出)以及用于检测冷凝槽41内温度的温度计47和用于维持冷凝槽41内在设定温度下(优选为-50℃，低于汞的熔点)的温控器48，该裂解单元包括绕设于容器3的外壁上的第一加热丝49，第一管路1的输出端与第二管路2的输入端均设于容器3内部。通过液体泵45与截止阀46的相互配合，将冷凝剂储箱44内的冷凝剂在需要对容器3进行低温处理时从冷凝剂储箱44通过注入管路42抽送至冷凝槽41内，在高温解析处理时打开截止阀46将冷凝槽41内的冷凝剂通过回流管路43重新回流至冷凝剂储箱44内，可实现对冷凝剂的自动输送与回流；利用液位传感器对冷凝槽41内的冷凝液的上升液面进行检测，当冷凝剂的液面高度略微高于容器3内的富集剂31的高度时，控制液体泵45停止向冷凝槽41注入冷凝剂，防止冷凝剂注入过多而外溢，同时增加对冷凝剂进行低温处理的成本；利用温控器48对冷凝槽41内的冷凝剂的温度进行降温至预设温度值(零下50℃)，能够有效保障对容器3内的待测样品气体的各种形态的气态汞进行充分低温冷凝，提高对汞元素的全面收集；利用温度计47的实时监测，确保温控器48对冷凝槽41内的冷凝剂的温度能够动态平衡的维持在预设温度值，保障对容器3内待测样品气体的各种形态的气态汞的冷凝效果。
33.作为另一种优选实施方式，如图1所示，自动进气机构还包括设于第一管路1上且
相互连通的第一电磁阀11和第二电磁阀12，该第一电磁阀11上设有用于输入待测样品气体的第一管接口111和用于与该第二电磁阀12连通的第二管接口114，该第二电磁阀12还设有用于输入载气的第三管接口121、与第一电磁阀11连通的第四管接口122以及与该容器3连通的第五管接口123。通过控制器控制第一管接口111、第二管接口114、第四管接口122和第五管接口123的打开以及第三管接口121的闭合可以实现待测样品气体自动输送至容器3内，以及控制第一管接口111和第四管接口122的闭合以及第三管接口121和第五管接口123的打开可以实现对容器3内注入载气(高纯氮气)将高温解析或高温裂解后的气态单质汞从容器3内排出至第二管路2内。这里需要说明的是，控制第一管接口、第二管接口、第三管接口、第四管接口和第五管接口的打开和闭合，实际是控制各上述管接口内设于对应电磁阀上的相应阀门(图中未示出)的打开和闭合，本技术中所描述的各管接口的打开和闭合均指的是对应电磁阀上的相应阀门的打开和闭合，后文不在赘述。
34.作为其他可选实施方式。
35.优选地，如图1所示，第一电磁阀11上还设有用于输送汞标准气的第六管接口112以及用于输送无汞空气的第七管接口113。通过在第一电磁阀11上设置输送汞标准气的第六管接口112和用于输送无汞空气的第七管接口113，可以在进行待测样品气体的总汞浓度测量分析前对第一管路1、容器3和第二管路2通入无汞空气，直至检测分析机构测量总汞浓度值为零，用于防止整个分析装置内残留的气态汞对正式测量或下次测量时影响总汞浓度的精准性，另一方面，可以在进行待测样品气体的总汞浓度测量分析前对第一管路1、容器3和第二管路2通入汞标准气，用于校准标定整个分析装置的总汞浓度，从而对待测样品气体的回收率进行准确检测(即当检测到待测样品气体的总汞浓度值与汞标准气的总汞浓度值差异程度，可作为对待测样品气体是否进行回收的参考依据)。
36.优选地，如图1所示，自动输气机构设于第二管路2上且相互连通的用于控制载气流量的质量流量控制器21、第三电磁阀22、用于干燥气态单质汞的干燥管25、第四电磁阀23、用于二次提纯气态单质汞的富集组件26、第五电磁阀24，第三电磁阀22设于质量流量控制器21和干燥管25之间，第四电磁阀23设于干燥管25与富集组件26之间，第五电磁阀24设于富集组件26与检测分析机构之间，自动进气机构还包括用于将待测样品气体从第一管路1抽取到第二管路2中的抽气泵27，第三电磁阀22上设有用于与抽气泵27连通的第八管接口223。通过质量流量控制器21实时监测通过抽气泵27抽取的待测样品气体的流量来自动调整待测样品气体的进气流量，防止待测样品气体因进气流量过大而导致无法快速冷凝而造成浪费或因进气流量过小导致进气时间长而影响自动分析的效率并同时对经过该质量流量控制器的待测样品气体的总流量进行记录；通过在干燥管内设置用于吸附夹杂在气态单质汞中的水气和其他杂质气体的干燥剂，例如碱石灰等，避免水气和其他杂质气体对检测分析机构的测量结果带来不精准的影响；通过在在第四电磁阀与第五电磁阀之间设置汞富集管用于对去除水气和其他杂质气体后的气态单质汞进行二次提纯，确保进入检测分析机构中的气态单质汞的纯度更高，使得测量结果更加精准。
37.优选地，如图1所示，该第四电磁阀23上设有用于输入载气的第九管接口231，第五电磁阀24上设有用于排出废气(水气和除高纯氮气外的其他杂质气体)的第十管接口241以及与检测分析机构连通的第十一管接口243，该富集组件26包括汞富集管261和绕设于汞富集管261外部的第二加热丝262，该第三电磁阀22上还设有用于连通质量流量控制器21的第
十二管接口221以及连通干燥管25的第十三管接口222，该第四电磁阀23上还设有用于连通干燥管25的另一端的第十四管接口232以及用于连通汞富集管261的第十五管接口233，该第五电磁阀24上还设有用于连通汞富集管261另一端的第十六管接口242。通过控制闭合第十四管接口232和第十一管接口243，并打开第九管接口231、第十五管接口233第十六管接口242以及第十管接口241，可以在对已经去除水气和其他杂质气体后的气态单质汞进行二次富集时，从而提高对待测的气态单质汞的纯度，确保测量结果的精准度。
38.优选地，如图1所示，该检测分析机构为汞分析仪5，该汞分析仪5可以是原子荧光或者原子吸收汞检测器。
39.为了进一步理解本实用新型的创造性，对本实用新型的工作原理进行如下说明，如图1所示，本实用新型的用于分析气态总汞的自动分析装置所实现的自动分析过程包括第一控制阶段(冷凝剂注入冷凝槽并维持预设温度阶段)，即控制器控制液体泵45开启，同时关闭截止阀46，液体泵45将冷凝剂储箱44中的冷凝剂泵送至冷凝槽41中直至液位传感器检测到冷凝剂在冷凝槽41中的液面达到预设位置(即略高于容器3内富集剂31在容器3内形成的高度)，关闭液体泵45同时开启温控器48对冷凝槽41内的冷凝剂进行降温并维持在预设温度(即零下50℃)；第二控制阶段(自动进气以及冷凝富集阶段)，即打开第一管接口111、第二管接口114、第四管接口122、第五管接口123、第十二管接口221和第八管接口223以及闭合第六管接口112、第七管接口113、第三管接口121和第十三管接口222并同时启动抽气泵27和质量流量控制器21，待测样品气体中的各种形态汞(含气态单质汞、活性气态汞以及颗粒汞)在流经容器3时被低温冷凝的富集剂31所富集，并通过质量流量控制器21记录待测样品气体的流速，达到预设的采样时间或者采样体积作为富集完成的控制信号)；第三控制阶段(高温解析以及输气检测阶段)，即控制抽气泵27、第四接口122关闭，同时打开截止阀46将冷凝槽41内的冷凝剂通过回流管路43自动流入至冷凝剂储箱44中，再调整温控器48对第一加热丝49进行加热至预设高温(即900℃)，将富集在富集剂31中的各形态汞全部解析为气态单质汞，控制第六管接口112、第八管接口223、第九管接口231、第十一管接口243闭合，同时打开第三管接口121、第十三管接口222，第十四管接口232、第十五管接口233、第十六管接口242和第十管接口241，自第三管接口121通入的载气(高纯氮气或者氩气)将解析出来的气态单质汞从容器3内带出并依次经过第十二管接口221、第十三管接口222、干燥管25(用于去除夹杂在气态单质汞内的水气以及其他杂质气体)、第十四管接口232和第十五管接口233后进入汞富集管261(采用纯金，石英镀金，碳化硅或者活性炭等材料制作)对气态单质汞进行二次纯化和富集，同时形成的废气(高纯氮气和其他杂质气体)依次经第十六管接口242和第十管接口241后排出至外部大气，直至富集过程完成(通过控制富集时间30-60分钟，例如通过计时器进行控制)后，控制第十四管接口232与第十管接口241闭合，同时打开第九管接口231和第十一管接口243，并启动第二加热丝262进行升温至500℃-600℃对富集在汞富集管内的汞元素重新解析为气态单质汞，向第九管接口231注入载气(高纯氮气或者氩气)将二次解析出来的气态单质汞依次经过第十六管接口242和第十一管接口243进入汞检测器或者汞分析仪5，经过测量得到的汞含量和质量流量控制器21所记录的待测样品气体的总流量或采样总体积，来计算待测样品气体中的总汞浓度。
40.要进行汞标准气以及无汞空气的注入，只需要在第二控制阶段将第一管接口111切换成对应的第六管接口112或第七管接口113即可，其余步骤与待测样品气体的分析测量
过程相同，这里不再赘述。
41.需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本实用新型并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。
42.以上所述仅为本技术的实施例而已，并不限制于本技术。在不脱离本实用新型的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的权利要求范围内。