一种苯系挥发性有机化合物的检测装置及方法

1.本发明涉及大气挥发性有机化合物检测技术领域，具体为一种苯系挥发性有机化合物的检测装置及方法。


背景技术：

2.挥发性有机化合物，常用vocs表示，是大气中普遍存在的一类化合物，常温常压下多呈气态，在大气氧化过程中发挥特殊作用。大气vocs组成复杂，依据化学成分可以分为苯系、烷烃、烯烃、炔烃、卤代烃、醛、酯、酮等化合物。苯系挥发性有机化合物是vocs的重要组分之一，主要来源于石油化工、机动车尾气、有机溶剂等人为源排放，是普遍存在于室内外空气中重要的大气污染物，在大气污染的形成过程中具有重要影响。很多苯系挥发性有机化合物对生物体具有不同程度的毒性，能够直接危害人类健康。因此，苯系挥发性有机化合物的检测具有重要意义。
3.由于苯系挥发性有机化合物具有浓度低、活性高、易挥发、成分复杂等特点，要求检测分析过程必须简单快捷、高效和无污染。目前使用的苯系挥发性有机化合物的测定方法主要有气相色谱法、气相色谱-质谱联用法、高效液相色谱法等，虽然具有较高的检测精度，但仪器昂贵、操作复杂且耗时、不易实现在线检测，不便于空气质量的实时监测。而如发明专利cn 107764806 a和cn113340882a采用催化发光法检测总挥发性有机化合物，利用等离子体或微波方法活化臭氧促进氧化还原反应的进行，提高催化发光检测的灵敏度，实现挥发性有机化合物的快速灵敏检测，这类装置能够实现总挥发性有机化合物的快速检测，但要区分不同类型的挥发性有机化合物需要与色谱分离装置联用。苯系挥发性有机化合物是二次有机气溶胶的重要前体物，二次有机气溶胶常用soa表示，在大气中特别是氮氧化合物和臭氧存在的条件下可以氧化生成在紫外和可见光区的吸收特性具有光谱依赖性的棕碳。因此通过苯系挥发性有机化合物在氮氧化合物和臭氧存在的条件下快速氧化形成二次有机气溶胶并检测二次有机气溶胶的多波长散射和消光特性可以实现苯系挥发性有机化合物的在线检测。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种苯系挥发性有机化合物在氮氧化合物和臭氧存在的条件下快速氧化形成二次有机气溶胶并检测二次有机气溶胶多波长散射和消光特性的装置及方法，实现苯系挥发性有机化合物的在线检测。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种苯系挥发性有机化合物的检测装置，包括气体采集及供气单元、气体快速氧化单元以及散射和消光特性测量单元；
6.所述气体采集及供气单元包括臭氧发生器、气体采样泵以及氮氧化物发生器，所述气体快速氧化单元包括内置紫外灯管的氧化流动反应器；所述散射和消光特性测量单元包括烟箱和光学特性测量平台；
7.所述臭氧发生器、气体采样泵以及氮氧化物发生器分别通过设有的管道与所述氧
化流动反应器相连，所述烟箱位于所述氧化流动反应器另一侧，且所述烟箱底部通过设有的管道与所述氧化流动反应器相连，所述光学特性测量平台位于所述烟箱内部居中位置放置。
8.优选的，所述光学特性测量平台包括激光器、光阑、光检测器、滤光片、环形导轨以及喷嘴，所述喷嘴位于所述光学特性测量平台中心位置，且所述喷嘴与下端的管道相连，所述环形导轨环绕位于所述光学特性测量平台四周，所述激光器、光阑、光检测器以及滤光片位于一条直线上，且所述激光器与所述光阑位于所述喷嘴一侧，所述光检测器与所述滤光片位于所述喷嘴另一侧，所述激光器、光阑、光检测其以及滤光片均围绕所述环形导轨移动。
9.优选的，所述激光器包括发射波长在紫外区、波长为λ1的第一激光光源和发射波长在可见光区、波长为λ2的第二激光光源，滤光片是波长为λ1和λ2的双波段带通滤光片，光检测器为光电二极管或光电倍增管。
10.优选的，所述光阑包括第一光阑和第二光阑，所述光检测器包括第一光检测器和第二光检测器，所述滤光片包括第一滤光片和第二滤光片。
11.优选的，所述烟箱上端设有一排气管道，反应物由所述烟箱下端的管道通过所述喷嘴喷出，并由所述排气管道排出。
12.一种苯系挥发性有机化合物的检测装置的检测方法，包括以下步骤：
13.s1、利用气体采样泵实时采集含有苯系挥发性有机化合物的气体样品，并通过氮氧化物发生器和臭氧发生器为苯系挥发性有机化合物的快速氧化反应分别实时提供氮氧化物和臭氧；
14.s2、采样气体及氮氧化物、臭氧的混合气体在氧化流动反应器中紫外灯管发射的紫外光线照射下发生快速氧化反应形成二次有机气溶胶；
15.s3、反应后的二次有机气溶胶和气体混合物通过管道从底部进入烟箱，从喷嘴喷出，进入在烟箱内部居中位置放置的光学特性测量平台，再从上部的排气管道排出烟箱；
16.s4、在光学特性测量平台上，由激光光源与位于同一直线的光检测器构成一组光源—光检测装置，并通过构成的一组光源—光检测装置，在环形导轨上同时移动，测量气溶胶的消光特性；通过两组光源—光检测装置的相对位置在10
°‑
170
°
的范围内进行调整，从而测量气溶胶在不同角度下的散射特性；
17.s5、最终根据两种波长激光光源下散射和消光特性与波长的关系，实现苯系挥发性有机化合物的检测。
18.优选的，其中一组所述光源—光检测装置包括所述第一激光源发射的波长为λ1的光源激光通过喷嘴后的透射光经过波长为λ1和λ2的双波段带通第一滤光片，由位于同一直线的第一光检测器进行检测，其散射光经过波长为λ1和λ2的双波段带通第二滤光片由另一个第二光检测器进行检测。
19.优选的，其中另一组所述光源—光检测装置包括第二激光光源发射波长为λ2的光源激光通过喷嘴后的透射光经过波长为λ1和λ2的双波段带通第二滤光片由位于同一直线的第二光检测器进行检测，其散射光经过波长为λ1和λ2的双波段带通第一滤光片由第一光检测器进行检测。
20.与现有技术相比，本发明的有益效果：
21.1、本发明中，利用苯系挥发性有机化合物在大气中氮氧化合物和臭氧存在的条件下可以氧化生成在紫外和可见光区的吸收特性具有光谱依赖性的棕碳，采用双波长激光同时检测两种波长下的气溶胶散射和消光特性，根据散射和消光特性与波长的关系区分能够氧化生成具有不同散射和消光特性气溶胶的苯系挥发性有机化合物。
22.2、本发明中，光源—光检测装置中使用的滤波片是波长在紫外和可见光区的双波段带通滤光片，实现在紫外和可见光区两种波长下散射和消光特性的同时检测。
23.3、本发明可以在线、连续且同时测量苯系挥发性有机化合物在紫外光线照射下与氮氧化合物和臭氧的混合物快速氧化生成的气溶胶不同角度的散射和消光特性及其与紫外和可见光两种波长的关系，用于区分不同种类的苯系挥发性有机化合物。
附图说明
24.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
25.在附图中：
26.图1是本发明苯系挥发性有机化合物的检测装置示意图；
27.图2是本发明苯系挥发性有机化合物检测装置中的光学特性测量平台示意图；
28.图中标号：1、臭氧发生器；2、气体采样泵；3、氮氧化物发生器；4、氧化流动反应器；41、紫外灯管；5、烟箱；6、光学特性测量平台；60、环形导轨；61、喷嘴；62、第一激光光源；63、第一光阑；64、第二激光光源；65、第二光阑；66、第一光检测器；67、第一滤光片；68、第二光检测器；69、第二滤光片。
具体实施方式
29.以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
30.实施例：如图1和图2所示，一种苯系挥发性有机化合物的检测装置，包括气体采集及供气单元、气体快速氧化单元以及散射和消光特性测量单元；
31.所述气体采集及供气单元包括臭氧发生器1、气体采样泵2以及氮氧化物发生器3，所述气体快速氧化单元包括内置紫外灯管41的氧化流动反应器4；所述散射和消光特性测量单元包括烟箱5和光学特性测量平台6，所述臭氧发生器1、气体采样泵2以及氮氧化物发生器3分别通过设有的管道与所述氧化流动反应器4相连，所述烟箱5位于所述氧化流动反应器4另一侧，且所述烟箱5底部通过设有的管道与所述氧化流动反应器4相连，所述光学特性测量平台6位于所述烟箱5内部居中位置放置，所述光学特性测量平台6包括激光器、光阑、光检测器、滤光片、环形导轨60以及喷嘴61，所述激光器包括发射波长在紫外区、波长为λ1的第一激光光源62和发射波长在可见光区、波长为λ2的第二激光光源64，滤光片是波长为λ1和λ2的双波段带通滤光片，光检测器为光电二极管或光电倍增管，所述光阑包括第一光阑63和第二光阑65，所述光检测器包括第一光检测器66和第二光检测器68，所述滤光片包括第一滤光片67和第二滤光片69，所述喷嘴61位于所述光学特性测量平台6中心位置，且所述喷嘴61与下端的管道相连，所述烟箱5上端设有一排气管道，反应物由所述烟箱5下端的管道通过所述喷嘴61喷出，并由所述排气管道排出，所述环形导轨60环绕位于所述光学
特性测量平台6四周，所述激光器、光阑、光检测器以及滤光片位于一条直线上，且所述激光器与所述光阑位于所述喷嘴61一侧，所述光检测器与所述滤光片位于所述喷嘴61另一侧，所述激光器、光阑、光检测其以及滤光片均围绕所述环形导轨60移动。
32.一种苯系挥发性有机化合物的检测装置的检测方法，具体包括以下步骤：
33.s1、利用气体采样泵2实时采集含有苯系挥发性有机化合物的气体样品，并通过氮氧化物发生器3和臭氧发生器1为苯系挥发性有机化合物的快速氧化反应分别实时提供氮氧化物和臭氧；
34.s2、采样气体及氮氧化物、臭氧的混合气体在氧化流动反应器4中紫外灯管41发射的紫外光线照射下发生快速氧化反应形成二次有机气溶胶；
35.s3、反应后的二次有机气溶胶和气体混合物通过管道从底部进入烟箱5，从喷嘴61喷出，进入在烟箱5内部居中位置放置的光学特性测量平台6，再从上部的排气管道排出烟箱5；
36.s4、在光学特性测量平台6上，其中一组所述光源—光检测装置包括所述第一激光源发射的波长为λ1的光源激光通过喷嘴61后的透射光经过波长为λ1和λ2的双波段带通第一滤光片67，由位于同一直线的第一光检测器66进行检测，其散射光经过波长为λ1和λ2的双波段带通第二滤光片69由另一个第二光检测器68进行检测，其中另一组所述光源—光检测装置包括第二激光光源64发射波长为λ2的光源激光通过喷嘴61后的透射光经过波长为λ1和λ2的双波段带通第二滤光片69由位于同一直线的第二光检测器68进行检测，其散射光经过波长为λ1和λ2的双波段带通第一滤光片67由第一光检测器66进行检测，由激光光源与位于同一直线的光检测器构成一组光源—光检测装置，并通过构成的一组光源—光检测装置，在环形导轨60上同时移动，测量气溶胶的消光特性；通过两组光源—光检测装置的相对位置在10
°‑
170
°
的范围内进行调整，从而测量气溶胶在不同角度下的散射特性；
37.s5、最终根据两种波长激光光源下散射和消光特性与波长的关系，实现苯系挥发性有机化合物的检测。
38.最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。