用于沥青烟气中挥发性有机物的快速分析检测系统及方法

1.本发明涉及分析检测技术领域，具体涉及一种用于沥青烟气中挥发性有机物的快速分析检测系统及方法。


背景技术：

2.沥青由于具有优异的流变性能，一直作为一种重要的道路工程材料用于我国公路建设。沥青的化学成分极其复杂，它的成分通常包括烷烃、多环芳烃、金属卟啉和杂环化合物等。在路面工程中，沥青材料作为粘结剂与不同的工程材料混合，形成最终的沥青混合料。沥青混合料的生产可采用热拌沥青或温拌沥青技术，两种混合工艺都是在不同的生产温度下进行的，热拌过程中的混合和压实温度一般在140℃以上，由于沥青施工时的工作温度高，在搅拌和铺装过程中会释放出大量的挥发性有机物(vocs)，不可避免地会造成严重的空气污染，且长期接触和吸入vocs可导致呼吸道或不同的癌症疾病的发生。因此，世界范围内减少油烟排放的压力越来越大。可见，为了在世界范围内构建绿色交通体系，沥青油烟对环境的危害需要引起更多的关注。
3.近几十年来，沥青油烟的化学分析领域重新引起了研究人员的兴趣，因为它是开发减少沥青挥发性有机物排放新方法的前提。然而，由于沥青油烟的化学成分复杂，其表征方法仍然受到限制。目前的方法包括荧光法和紫外
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可见分光光度法，这些方法只能用于检测vocs的总体特征，难以实现单个成分的分析。质谱技术作为一种功能强大的分析技术，在沥青分析领域得到了广泛的应用。例如，热重分析
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质谱、质子转移反应飞行时间质谱和气相色谱
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质谱已经用于评估不同沥青材料中的vocs排放。虽然质谱联用技术虽然有许多优点，但也存在一些明显的缺点。最重要的是目前用于沥青烟气检测的质谱法检测到的化合物分子量限制在400da，气相色谱
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质谱法的结果可能无法揭示沥青油烟的真实分子量分布。因此，需要建立新的方法，在更大的质量范围内实现对沥青烟的直接实时分析。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于沥青烟气中挥发性有机物的快速分析检测系统及方法，该分析检测系统结构简单，容易搭建，且成本低廉；其方法具有高通量、快速、高灵敏的优势，检测的化合物分子量范围为10
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1000da，且可以实现不同温度下的沥青中挥发性成分的实时直接分析，且可以为沥青路面施工时的实施温度提供重要参考。
5.为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。
6.(一)用于沥青烟气中挥发性有机物的快速分析检测系统，包括：质谱仪，所述质谱仪的进样口通过高压电源线连接有金属套管，所述金属套管连接有溶剂管路，所述金属套管内设置有碳纤维，所述溶剂管路中设置有辅助溶剂；
7.所述碳纤维的下方设置有加热装置，所述加热装置放置有待测沥青试样，所述加热装置用于对所述待测沥青试样进行加热。
8.优选的，所述加热装置包含加热板和温度调节器；所述温度调节器的信号输出端与所述加热板的信号输入端电连接，所述加热板上放置有沥青待测试样。
9.优选的，所述碳纤维的长度为10
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15mm。
10.优选的，所述待测沥青试样与质谱仪的进样口的距离为5
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10mm，所述待测沥青试样与碳纤维的距离为5
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10mm，所述碳纤维与质谱仪的进样口的距离为5
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10mm。
11.(二)用于沥青烟气中挥发性有机物的快速分析检测方法，包括以下步骤：
12.步骤1，将待测沥青试样放在载玻片上，再将装有待测沥青试样的载玻片放在加热板上，通过温度调节器调节加热板的温度，使加热板对待测沥青试样进行加热；
13.步骤2，通过碳纤维作为电离源，对加热后的待测沥青试样中的挥发性有机物进行实时电离，电离后的挥发性有机物通过离子传输管进入质谱仪进行质谱检测，确定沥青烟气中挥发性有机物的化学成分质量分布变化情况。
14.优选的，步骤1中，所述待测沥青试样的含量为1
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20mg。
15.优选的，步骤1中，所述加热板的温度调节范围为30
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500℃。
16.优选的，步骤2中，所述碳纤维的长度为10
‑
15mm。
17.优选的，步骤2中，所述质谱检测的条件为：离子传输管的温度为250
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280℃，高压电源的电压为2000
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3000v，质量区间设定为10
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1000da，采用正、负离子模式；溶剂为甲醇或乙腈。
18.进一步优选的，所述溶剂的流速为3
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10μl/min。
19.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
20.1)本发明的用于沥青烟气中挥发性有机物的快速分析检测系统中，在碳纤维离子源的基础上加上了温度调节器、加热板，加热板上放置沥青待测试样，现了沥青样品中挥发性成分的实时直接快速分析，即沥青烟气产生的同时进入质谱仪中进行快速检测分析。
21.2)本发明的用于沥青烟气中挥发性有机物的快速分析检测方法能够在1
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5分钟内快速获得沥青烟气成分的质量分布的化合物峰的相对强度数据，相比于现有的气相色谱质谱联用(gc
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ms)的方法所获得的化合物的分子量范围更大，分析速度更快，通量更高，且具有和多种质谱仪相连的应用潜力。与现有的gc
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ms方法相补充使用，对于沥青烟气成分的分析和监测具有重要的意义。
22.3)敞开式离子化方法在沥青烟气的分析中并无先例，本发明通过搭建用于沥青烟气中挥发性有机物的快速分析检测系统，开发了相关的质谱分析方法，真正实现了沥青烟气成分快速直接的评估，这在未来的公路建设中的环境监控领域具有重要的应用潜力。且采用碳纤维电离技术和质谱分析方法相结合，适合于沥青烟气的分析和评价不同加热温度下的沥青烟气中的挥发性成分的差异分布。
附图说明
23.下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
24.图1为本发明的用于沥青烟气中挥发性有机物直接快速分析系统的结构示意图；
25.图2为基质沥青在50
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200℃正离子检测模式下得到的质谱图；
26.图3为基质沥青在50
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200℃质谱负离子检测模式下得到的质谱图；
27.图4为沥青饱和分在140℃正离子检测模式下得到的质谱图；
28.图5为沥青芳香分在140℃正离子检测模式下得到的质谱图；
29.图6为沥青胶质组分在140℃正离子检测模式下得到的质谱图；
30.图7为沥青质组分在140℃正离子检测模式下得到的质谱图；
31.图8为sbs改性沥青在140℃正离子检测模式下得到的质谱图。
具体实施方式
32.下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域的技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。
33.实施例1
34.用于基质沥青中挥发性成分的快速分析检测方法，包括以下步骤：
35.步骤1，参考图1，搭建用于沥青烟气中挥发性有机物直接快速分析系统
36.将1.5cm长度的碳纤维通过金属套管与溶剂管路相连通，高压电源夹在金属套管和质谱仪的进样口前端，碳纤维的下方放置加热板，温度调节器与加热板电连接，通过温度调节器调节加热板的温度，进而调节加热板上的沥青烟气产生的温度。碳纤维与质谱仪进样口的距离b为1cm，待测沥青试样与质谱仪的进样口的距离d为1cm，待测沥青试样与碳纤维的距离c为0.5cm。
37.步骤2，将10mg基质沥青(待测沥青试样)放在载玻片上，载玻片的大小为20mm
×
20mm；再将装有基质沥青的载玻片放在加热板上，通过温度调节器调节加热板的温度，使加热板对待测沥青试样进行加热，加热板从50℃加热，温度按照10℃递增，一直增加至200℃，测量不同温度下的基质沥青中的挥发性化学成分质量分布变化。
38.步骤3，通过碳纤维作为电离源，对加热后的待测沥青试样中的挥发性有机物进行实时电离，电离后的挥发性有机物通过离子传输管进入质谱仪进行质谱检测，确定沥青烟气中挥发性有机物的化学成分质量分布变化情况，质谱检测的条件为：离子传输管的温度为250℃，电离的电压为2500v(图1中的a处电压)，溶剂管路中的溶剂采用甲醇，甲醇的流速为5μl/min；质谱仪每隔10℃采集1min谱图，得到每个温度在正负离子模式下的平均谱图如图2和图3所示，从图2
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3中可以清楚的反映出不同温度下沥青烟气中化学成分质量分布变化。
39.实施例2
40.用于沥青饱和分的挥发性成分的快速分析检测方法，包括以下步骤：
41.步骤1，搭建用于沥青烟气中挥发性有机物直接快速分析系统
42.将1.5cm长度的碳纤维通过金属套管与溶剂管路相连通，高压电源夹在金属套管和质谱仪的进样口前端，碳纤维的下方放置加热板，温度调节器与加热板电连接，通过温度调节器调节加热板的温度，进而调节加热板上的沥青烟气产生的温度。碳纤维与质谱仪进样口的距离b为1cm，待测沥青试样与质谱仪的进样口的距离d为1cm，待测沥青试样与碳纤维的距离c为0.5cm。
43.步骤2，将1mg沥青饱和分(待测沥青试样)放在载玻片上，载玻片的大小为20mm
×
20mm；再将装有沥青饱和分的载玻片放在加热板上，通过温度调节器调节加热板的温度，使用加热板将沥青饱和分的温度加热至140℃。
44.步骤3，通过碳纤维作为电离源，对加热后的沥青饱和分中的挥发性有机物进行实
时电离，电离后的挥发性有机物通过离子传输管进入质谱仪进行质谱检测，质谱检测的条件为：离子传输管的温度为250℃，电离的电压为2500v，溶剂管路中的溶剂采用甲醇，甲醇的流速为5μl/min；质谱仪采集1min谱图，得到140℃正离子检测模式的质谱图如图4所示，从图4中可以清楚的反映出该温度下沥青饱和分中化学成分质量分布变化。
45.实施例3
46.用于沥青芳香分中挥发性成分的快速分析检测方法，包括以下步骤：
47.步骤1，搭建用于沥青烟气中挥发性有机物直接快速分析系统
48.将1.5cm长度的碳纤维通过金属套管与溶剂管路相连通，高压电源夹在金属套管和质谱仪的进样口前端，碳纤维的下方放置加热板，温度调节器与加热板电连接，通过温度调节器调节加热板的温度，进而调节加热板上的沥青烟气产生的温度。碳纤维与质谱仪进样口的距离b为1cm，待测沥青试样与质谱仪的进样口的距离d为1cm，待测沥青试样与碳纤维的距离c为0.5cm。
49.步骤2，将1mg沥青芳香分(待测沥青试样)放在载玻片上，载玻片的大小为20mm
×
20mm；再将装有沥青芳香分的载玻片放在加热板上，通过温度调节器调节加热板的温度，使用加热板将沥青芳香分的温度加热至140℃。
50.步骤3，通过碳纤维作为电离源，对加热后的沥青芳香分中的挥发性有机物进行实时电离，电离后的挥发性有机物通过离子传输管进入质谱仪进行质谱检测，质谱检测的条件为：离子传输管的温度为250℃，电离的电压为2500v，溶剂管路中的溶剂采用甲醇，甲醇的流速为5μl/min；质谱仪采集1min谱图，得到140℃正离子检测模式的质谱图如图5所示，从图5中可以清楚的反映出该温度下沥青芳香分中化学成分质量分布变化。
51.实施例4
52.用于沥青胶质组分中挥发性成分的快速分析检测方法，包括以下步骤：
53.步骤1，搭建用于沥青烟气中挥发性有机物直接快速分析系统
54.将1.5cm长度的碳纤维通过金属套管与溶剂管路相连通，高压电源夹在金属套管和质谱仪的进样口前端，碳纤维的下方放置加热板，温度调节器与加热板电连接，通过温度调节器调节加热板的温度，进而调节加热板上的沥青烟气产生的温度。碳纤维与质谱仪进样口的距离b为1cm，待测沥青试样与质谱仪的进样口的距离d为1cm，待测沥青试样与碳纤维的距离c为0.5cm。
55.步骤2，将1mg沥青胶质组分(待测沥青试样)放在载玻片上，载玻片的大小为20mm
×
20mm；再将装有沥青胶质组分的载玻片放在加热板上，通过温度调节器调节加热板的温度，使用加热板将沥青胶质组分的温度加热至140℃。
56.步骤3，通过碳纤维作为电离源，对加热后的沥青胶质组分中的挥发性有机物进行实时电离，电离后的挥发性有机物通过离子传输管进入质谱仪进行质谱检测，质谱检测的条件为：离子传输管的温度为250℃，电离的电压为2500v，溶剂管路中的溶剂采用甲醇，甲醇的流速为5μl/min；质谱仪采集1min谱图，得到140℃正离子检测模式的质谱图如图6所示，从图6中可以清楚的反映出该温度下沥青胶质组分中化学成分质量分布变化。
57.实施例5
58.用于沥青质组分中挥发性成分的快速分析检测方法，包括以下步骤：
59.步骤1，搭建用于沥青烟气中挥发性有机物直接快速分析系统
60.将1.5cm长度的碳纤维通过金属套管与溶剂管路相连通，高压电源夹在金属套管和质谱仪的进样口前端，碳纤维的下方放置加热板，温度调节器与加热板电连接，通过温度调节器调节加热板的温度，进而调节加热板上的沥青烟气产生的温度。碳纤维与质谱仪进样口的距离b为1cm，待测沥青试样与质谱仪的进样口的距离d为1cm，待测沥青试样与碳纤维的距离c为0.5cm。
61.步骤2，将1mg沥青质组分(待测沥青试样)放在载玻片上，载玻片的大小为20mm
×
20mm；再将装有沥青质组分的载玻片放在加热板上，通过温度调节器调节加热板的温度，使用加热板将沥青质组分的温度加热至140℃。
62.步骤3，通过碳纤维作为电离源，对加热后的沥青质组分中的挥发性有机物进行实时电离，电离后的挥发性有机物通过离子传输管进入质谱仪进行质谱检测，质谱检测的条件为：离子传输管的温度为250℃，电离的电压为2500v，溶剂管路中的溶剂采用甲醇，甲醇的流速为5μl/min；质谱仪采集1min谱图，得到140℃正离子检测模式的质谱图如图7所示，从图7中可以清楚的反映出该温度下沥青质组分中化学成分质量分布变化。
63.实施例6
64.用于sbs改性沥青中挥发性成分的快速分析检测方法，包括以下步骤：
65.步骤1，搭建用于沥青烟气中挥发性有机物直接快速分析系统
66.将1.5cm长度的碳纤维通过金属套管与溶剂管路相连通，高压电源夹在金属套管和质谱仪的进样口前端，碳纤维的下方放置加热板，温度调节器与加热板电连接，通过温度调节器调节加热板的温度，进而调节加热板上的沥青烟气产生的温度。碳纤维与质谱仪进样口的距离b为1cm，待测沥青试样与质谱仪的进样口的距离d为1cm，待测沥青试样与碳纤维的距离c为0.5cm。
67.步骤2，将10mg sbs改性沥青(待测沥青试样)放在载玻片上，载玻片的大小为20mm
×
20mm；再将装有sbs改性沥青的载玻片放在加热板上，通过温度调节器调节加热板的温度，使用加热板将sbs改性沥青的温度加热至140℃。
68.步骤3，通过碳纤维作为电离源，对加热后的sbs改性沥青中的挥发性有机物进行实时电离，电离后的挥发性有机物通过离子传输管进入质谱仪进行质谱检测，质谱检测的条件为：离子传输管的温度为250℃，电离的电压为2500v，溶剂管路中的溶剂采用甲醇，甲醇的流速为5μl/min；质谱仪采集1min谱图，得到140℃正离子检测模式的质谱图如图8所示，从图8中可以清楚的反映出该温度下sbs改性沥青中化学成分质量分布变化。
69.以上实施例中，质谱仪可采用低分辨和高分辨质谱仪，或者采用便携式小型质谱仪，质谱仪用于待测沥青烟气分析和谱图数据的采集。
70.本发明的用于沥青烟气中挥发性有机物直接快速分析系统的工作原理为：通过碳纤维作为电离源，对加热释放出的沥青烟气中的挥发性成分进行实时电离，电离后的挥发性成分通过离子传输管进入质谱进行分析测定。
71.虽然，本说明书中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。