一种大气中VOCs的富集与预分离方法与流程

本发明涉及大气环境检测设备技术领域，尤其涉及一种大气中vocs的富集与预分离方法。

背景技术：

挥发性有机物(vocs)在我国是指常温下饱和蒸气压大于70pa、常压下沸点在260℃以下的有机化合物，或在20℃条件下蒸汽压大于或者等于10pa具有相应挥发性的全部有机化合物。通常其主要成分包括烃类、氧烃类、含卤烃类、氮烃及硫烃类、低沸点的多环芳烃类等。vocs会引起呼吸系统疾病，高浓度污染物作用下可造成急性中毒，且在阳光作用下发生光化学反应生成二次污染物，形成烟雾污染。vocs的特点是蒸发温度比水低，其主要来源有工业废气、汽车尾气、房屋装修、装置喷漆等生产活动。

在通常情况下，环境空气中的vocs种类多浓度低，需要先将其进行富集浓缩处理，才能达到分析仪器检测的要求，但由于vocs的种类繁多，特性复杂，尤其对于烯烃等较难捕集的气体，富集浓缩效率低，且获得样气体为多种气体的混合，仅靠色谱分离技术难以将其完全分离，对色谱仪的测试范围和精度要求高。目前市场上还没有能够对环境空气中的vocs采用物理方法对样气进行同步的富集与初步分离的装置与方法。因此如何对挥发性有机物进行富集浓缩与预分离是现阶段大气污染物检测技术中亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明提供了一种大气中vocs的富集与预分离方法，其可对大气中的vocs进行同步吸附浓缩与初步分离，并且能够进行分类捕集，富集效率高，捕集方便，尤其对较难捕集的烯烃类物质具有较好的吸附及分离效果。

本发明提供的一种大气中vocs的富集与预分离方法，包括：

step1、吸附浓缩：

样气进入除水装置除水，然后分为两路，一路冷阱中采用烯烃吸附吸附样气中的烯烃；另一路在冷阱中先采用弱吸附剂吸附样气中的大分子vocs，然后采用强吸附剂吸附样气中的小分子vocs；

step2、分类捕集：

烯烃捕集：加热烯烃吸附剂，烯烃被释放，在反吹气体的作用下烯烃进入取样器；

大分子捕集：加热弱吸附剂，大分子vocs被释放，在反吹气体的作用下大分子vocs进入取样器；

小分子捕集：加热强吸附剂，小分子vocs被释放，在反吹气体的作用下小分子vocs进入取样器。

在一个优选实施例中，所述弱吸附剂为tenax吸附剂，所述强吸附剂为活性炭吸附剂。

在一个优选实施例中，所述大分子vocs为分子中含有7个及以上碳原子的烃类或/和含氧有机化合物，所述小分子vocs为分子中含有6个及以下碳原子的烃类或/和含氧有机化合物。

在一个优选实施例中，所述烯烃吸附剂的吸附温度为-50℃～-20℃，释放温度为200℃～300℃。

在一个优选实施例中，所述tenax吸附剂的吸附温度为-40℃～-20℃，释放温度为200℃～250℃。

在一个优选实施例中，所述活性炭吸附剂的吸附温度为-45℃～-25℃，释放温度为250℃～320℃。

在一个优选实施例中，所述大分子捕集先于所述小分子捕集进行。

在一个优选实施例中，所述大气中vocs的富集与预分离方法，还包括自清洁过程：同时加所述热烯烃吸附剂、所述tenax吸附剂、所述活性炭吸附剂，在反吹起气体的作用下，将所述烯烃吸附剂、所述tenax吸附剂、所述活性炭吸附剂吸附的杂质和残留的挥发性物质排出。

在一个优选实施例中，所述大气中vocs的富集与预分离方法，通过一种大气中vocs的富集与预分离系统实现，所述系统包括：

包括采样装置、除水装置、富集与预分离装置、及取样装置；

所述采样装置，包括大气采样器、第一控制阀、及第一气体流量控制器，所述大气采样器与所述第一气体流量控制器相连通，所述大气采样器与所述第一气体流量控制器之间设有第一控制阀；

所述除水装置，包括第一冷阱，所述第一冷阱与所述第一气体流量控制器相连接；

所述富集与预分离装置，包括第二冷阱、第三冷阱、第四冷阱、第二气体流量控制器、及第三气体流量控制器，所述第二冷阱包括第二冷凝管，所述第二冷凝管的表面缠绕有第二加热丝；所述第三冷阱包括第三冷凝管，所述第三冷凝管的表面缠绕有第三加热丝；所述第四冷阱包括第四冷凝管，所述第四冷凝管的表面缠绕有第四加热丝；所述第二冷凝管与所述第二气体流量控制器相连接，所述第二气体流量控制器与所述第一冷阱远离所述第一气体流量控制器的一端相连接，且所述第二气体流量控制器与所述第一冷阱之间设有第二控制阀；所述第三冷凝管的一端连接所述第三气体流量控制器，另一端连接所述第四冷凝管，所述第三气体流量控制器与所述第一冷阱远离所述第一气体流量控制器的一端相连接，且所述第三气体流量控制器与所述第一冷阱之间设有第三控制阀；所述第二冷凝管内设有烯烃吸附剂；所述第三冷凝管内设有tenax吸附剂，所述第四冷凝管内设有活性炭吸附剂；

所述取样装置，包括取样器和载气源，所述取样器与所述第一冷阱远离所述第一气体流量控制器的一端相连接，且所述取样器与所述第一冷阱之间设有第五控制阀；所述载气源与所述第二冷凝管远离所述第二气体流量控制器的一端、及所述第四冷凝管远离所述第三冷凝管的一端相连接，且所述载气源与所述第二冷凝管、第四冷凝管之间设有第四控制阀。

在一个优选实施例中，所述采样装置还包括抽气泵，所述抽气泵与所述第二冷凝管、所述第四冷凝管相连通。

在一个优选实施例中，所述第二冷凝管、所述第三冷凝管、所述第四冷凝管设于低温环境箱内。

在一个优选实施例中，所述低温环境箱内设有第一冷凝管通孔和第二冷凝管通孔，所述第一冷凝管通孔内设有所述第二冷凝管，所述第二冷凝管通孔内设有所述第三冷凝管和所述第四冷凝管。

在一个优选实施例中，所述低温环境箱内还设有制冷片，所述制冷片的冷端面靠近所述第一冷凝管通孔和所述第二冷凝管通孔；优选地，所述制冷片的热端面靠近散热器。

在一个优选实施例中，所述制冷片至少为三个，呈层叠式结构排列。

在一个优选实施例中，所述第二冷凝管采用制冷剂制冷；优选地，所述制冷剂为液氮、乙二醇、含冰盐水中的任意一种或几种的组合。

在一个优选实施例中，所述第四冷凝管采用制冷剂制冷；优选地，所述制冷剂为液氮、乙二醇、含冰盐水中的任意一种或几种的组合。

在一个优选实施例中，所述取样器为苏玛罐或气相色谱仪。

在一个优选实施例中，所述第一气体流量控制器、第二气体流量控制器、所述第三气体流量控制器为双向气体质量流量控制器。

在一个优选实施例中，所述大气中vocs的富集与预分离方法，包括：

(1)吸附浓缩：

所述第四控制阀和所述第五控制阀关闭；所述第一控制阀、所述第二控制阀、所述第三控制阀、所述抽气泵开启，所述低温环境箱的低温状态开启，所述大气取样器内的样气经所述第一气体流量控制器、所述第一冷阱后分为两路，一路经所述第二气体流量控制器、至所述第二冷凝管，剩余气体由所述抽气泵排出；另一路经所述第三气体流量控制器、所述第三冷凝管、至所述第四冷凝管，剩余气体后由所述抽气泵排出；

(2)分类捕集：

烯烃捕集：

所述低温环境箱的低温状态关闭，所述抽气泵、所述第一控制阀、所述第三控制阀关闭，所述第二控制阀、所述第四控制阀、所述第五控制阀开启，启动所述第二加热丝对所述第二冷凝管进行加热，所述第二冷凝管内设置的烯烃吸附剂将其吸附的烯烃释放，然后在所述载气源内的反吹气体的作用下，经所述第五控制阀，至取样器；

大分子捕集：

所述低温环境箱的低温状态关闭，所述抽气泵、所述第一控制阀、所述第二控制阀关闭，所述第三控制阀、所述第四控制阀、所述第五控制阀开启，启动所述第三加热丝对所述第三冷凝管进行加热，所述第三冷凝管内设置的tenax吸附剂将吸附的大分子vocs气体释放，然后在所述载气源内的反吹气体的作用下经所述第五控制阀，至取样器；

小分子捕集：

所述低温环境箱的低温状态关闭，所述抽气泵、所述第一控制阀、所述第二控制阀关闭，所述第三控制阀、所述第四控制阀、所述第五控制阀开启，启动所述第四加热丝对所述第四冷凝管进行加热，所述第四冷凝管内设置的活性炭吸附剂将其吸附的小分子vocs释放，然后在所述载气源内的反吹气体经的作用下，经所述第三冷凝管至、所述第五控制阀，至所述取样器。

在一个优选实施例中，所述大气中vocs的富集与预分离方法，还包括自清洁过程：关闭所述低温环境箱的低温状态，启动所述第一加热丝、第二所述加热丝、所述第三加热丝，开启所述第一控制阀、所述第二控制阀、所述第三控制阀、所述第四控制阀，关闭所述第五控制阀；所述载气源内的气体经所述第四控制阀，分为两路，一路经所述第二冷阱、所述第一冷阱、至所述大气采样器，另一路经所述第四冷阱、所述第三冷阱、所述第一冷阱至所述大气采样器，然后排出。

本发明公开的一种大气中vocs的富集与预分离方法，具有以下有益效果：

(1)去除了样气中的水蒸气；

(2)对样气中的vocs进行同步的富集浓缩与初步分离，不同吸附剂针对不同种类的vocs进行吸附，吸附效率高，尤其对较难捕集的烯烃类物质具有较好的吸附效果；

(3)针对不同类别的vocs分别进行解吸附和捕集，实现了vocs的分类捕集；

(4)自清洁操作简单，无需额外辅助装置或动力。

附图说明

图1为本发明提供的一种大气中vocs的富集与预分离系统的结构示意图；

图2为低温环境箱的结构示意图。

图例说明：

11、大气采样器；12、第一控制阀；13、第一气体流量控制器；14、第一冷阱；15、抽气泵；2、第二冷阱；21、第二冷凝管；22、第二加热丝；23、第二气体流量控制器；24、第二控制阀；3、第三冷阱；31、第三冷凝管；32、第三加热丝；33、第三气体流量控制器；34、第三控制阀；4、第四冷阱；41、第四冷凝管；42、第四加热丝；51、第五控制阀；5、取样器；61、第四控制阀；62、载气源；7、低温控制箱；71、第一冷凝管通孔；72、第二冷凝管通孔；73、制冷片；74、散热器。

具体实施方式

本实施例提供了一种大气中vocs的富集与预分离系统及方法。所述系统，包括采样装置、除水装置、富集与预分离装置、及取样装置。如图1所示，所述采样装置，包括大气采样器11、第一控制阀12、及第一气体流量控制器13，大气采样器11与第一气体流量控制器13相连接，且大气采样器11与第一气体流量控制器12之间设有第一控制阀12。所述除水装置，包括第一冷阱14，所述第一冷阱14与第一气体流量控制器12相连接。

如图1所示，所述富集与预分离装置，包括第二冷阱2、第三冷阱3、第四冷阱4、第二气体流量控制器23、第三气体流量控制器33、第二控制阀24、第三控制阀34；所述第二冷阱2包括第二冷凝管21和设于第二冷凝管21表面上的第二加热丝22；所述第三冷阱3包括第三冷凝管31和设于第三冷凝管31表面上的第三加热丝32，所述第三冷阱4包括第四冷凝管41和设于第四冷凝管41表面上的第四加热丝42。如图1所示，第一冷阱14远离第一气体流量控制器13的一端、第二控制阀24、第二气体流量控制器23、第二冷凝管21依次连接；第一冷凝14远离第一气体流量控制器13的一端、第三控制阀34、第三气体流量控制器33、第三冷凝管31、第四冷凝管41依次连接。即第二冷阱2与第三冷阱3、第四冷阱4呈并联形式。

所示取样装置，包括取样器5、与取样器5相连接的第五控制阀51、载气源62、及与载气源62相连接的第四控制阀61。如图1所示，第五控制阀连接第一冷凝14远离第一气体流量控制器13的一端，第四控制阀连接第二冷凝管21远离第二气体流量控制器23的一端、及第四冷凝管41远离第三冷凝管31的一端。

第一冷阱14内设有干燥剂，当气体经过第一冷阱14时，其中的水蒸气在被干燥剂吸附，从而实现了除水目的。第一冷阱14也可以采用不锈钢材质，内表面经过钝化处理，内部无需设置干燥剂，其中的水蒸气在不锈钢钢管上冷凝，从而实现了除水目的。

第二冷凝管21中设有烯烃吸附剂，用于吸附进样气体中的烯烃，其第三冷凝管31中设有tenax吸附剂，用于吸附进样气体中的分子中含有7个及以上碳原子的烃类及含氧有机化合物。第四冷凝管41中设有活性炭吸附剂，用于吸附进样气体中的分子中含有6个及以下碳原子的烃类及含氧有机化合物。

第二冷凝管21的捕集温度为-40℃，释放温度为300℃；第三冷凝管31的捕集温度为-30℃，释放温度为200℃；第四冷凝管41的捕集温度为-30℃，释放温度为300℃。

第二冷凝管21、第三冷凝管31、第四冷凝管41设于低温环境箱7内。低温环境箱7进入低温状态开启，第二冷凝管21、第三冷凝管31、第四冷凝管41均处于低温状态，降低了各冷凝管与外界的热量交换，提高了能量利用效率。各冷凝管可以采用液氮等制冷剂进行单独制冷，也可以通过低温环境箱7内设置制冷片进行整个低温环境箱7的制冷，或者两者的结合，以实现在低温环境箱7处于低温环境时，其内部的第二冷凝管21、第三冷凝管31、第四冷凝管41的不同的工作温度。

取样器5可以为苏玛罐，用于暂时存储所得气体，也可以为色谱仪，用于将所获得的气体直接进行进一步的分离和检测。

进一步地，如图2所示，低温环境箱7内设有第一冷凝管通孔71和第二冷凝管通孔72，第二冷凝管21设于第一冷凝管通孔71内，第三冷凝管31、第四冷凝管41设于第二冷凝管72内。第一冷凝管通孔71、及第二冷凝管72的上下两侧对称设置多块制冷片73，制冷片73呈层叠结构，且制冷片73的冷端面靠近第一冷凝管通孔71和第二冷凝管通孔73，其热端面靠近散热器74。制冷片73可以为半导体制冷片。

所述大气中vocs的富集与预分离方法，包括：吸附浓缩、分类捕集、及自清洁三个过程。

(1)吸附浓缩：

如图1所示，关闭第四控制阀61和所述第五控制阀51；开启第一控制阀12、第二控制阀24、第三控制阀34、及抽气泵15，开启低温环境箱7的低温状态，样气经第一控制阀12、第一气体流量控制器13、进入第一冷阱14，大气取样器11中的样气中的水蒸气在第一冷阱的不锈钢钢管上冷凝，从而实现了去除水蒸气的目的。去除水蒸气后的样气分为两路，一路依次经过第二控制阀24、第二气体流量控制器23、至第二冷凝管21，第二冷凝管21内的烯烃吸附剂能够吸附样气中的烯烃类挥发性有机物，然后剩余气体由抽气泵15排出。另一路样气依次经第三控制阀34、第三气体流量控制器33、至第三冷凝管31，在第三冷凝管31内的tenax吸附剂能够吸附样气中分子中含有7个及以上碳原子的烃类和含氧有机化合物，剩余样气在抽气泵15的作用下至第四冷凝管41，在第四冷凝管41内的活性炭可以吸附样气中的分子中含有6个及以下碳原子的烃类和含氧有机化合物，剩余气体经由抽气泵15排出。

本实施例通过三个冷凝管及其内部的不同的吸附剂，将不同类别的挥发性有机物吸附，从而实现了挥发性有机物的富集浓缩与初步分离，尤其可以对于较难以捕集的烯烃类气体进行有效的捕集。

其分类捕集过程，包括三个捕集过程：

烯烃捕集：

关闭低温环境箱7的低温状态，关闭抽气泵15、第一控制阀12、第三控制阀34，开启第二控制阀24、第四控制阀61、第五控制阀51，启动第二加热丝22对第二冷凝管21进行加热，第二冷凝管21中吸附的烯烃类vocs被释放，载气源62内的气体反吹，第二冷凝管22内的烯烃吸附剂吸附的烯烃类vocs被释放，烯烃类vocs气体在反吹气体的作用下，经第二气体流量控制器23、第二控制阀24、第五控制阀51、最后达到取样器5，从而实现了烯烃类vocs的捕集。

大分子捕集：

关闭低温环境箱7的低温状态，关闭抽气泵15、第一控制阀12、第二控制阀24，开启第三控制阀34、第四控制阀61、第五控制阀51，启动第三加热丝32对第三冷凝管31进行加热，第三冷凝管31内吸附tenax剂释放所吸附的大分子vocs，载气源62内的气体反吹，使得被释放的大分子vocs气体经第三气体流量控制器33、第三控制阀34、至取样器5，从而实现了对样气中的分子中含7个及以上碳原子的烃类及含氧有机化合物的捕集。

小分子捕集：

关闭低温环境箱7的低温状态，关闭抽气泵15、第一控制阀12、第二控制阀24，开启第三控制阀34、第四控制阀61、第五控制阀51，启动第四加热丝42对第四冷凝管41进行加热，第四冷凝管42内的活性碳吸附剂将所吸附的小分子vocs释放，在载气源62内的气体的反吹作用下，被释放的小分子vocs气体经第三冷凝管31、第三气体流量控制器33、第三控制阀34、最终达到取样器5，从而实现了分子中含有6个及以下碳原子的烃类及含氧有机化合物的捕集。

以上分类捕集过程，每一次捕集过程后更换新的取样器，烯烃类捕集过程与大分子捕集、小分子捕集过程可根据实际需要安排先后次序。大分子捕集过程先于小分子捕集过程进行，可以避免小分子捕集过程中，第四冷凝管内的热气体进入第三冷凝管，造成第三冷凝管内吸附的大分子气体被释放从而导致所吸附的不同气体类别的混合。

设备自清洁：

关闭低温环境箱7的低温状态，启动第二加热丝22、第三加热丝32、第四加热丝42，开启第一控制阀12、第二控制阀24、第三控制阀34、第四控制阀61开启，第五控制阀51关闭；载气源62内的气体经第四控制阀61，分为两路，一路经第二冷凝管21、第一冷阱14、至大气采样器11后排出，另一路经第四冷凝管41、第三冷凝管31、第一冷阱14、至大气采样器11后排出。以除去各装置内的杂质和残留的某些挥发性物质。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。