[发明专利]一种大气PM2.5在线分离浓缩采集并测量亚硫酸根和亚硝酸根的装置及方法

权利要求书

1.一种大气PM2.5在线分离浓缩采集并测量亚硫酸根和亚硝酸根的装置，其特征在于，包括：浮子流量计（1）、浓缩气流真空泵（2）、主气流真空泵（3）、干燥管（4）、大流量质量流量控制器（5）、冷凝剂循环管（6）、旋风式PM2.5切割头（7）、冷凝机（8）、水箱（9）、带有温度传感器的U型电加热棒（12）、温控数显装置（13）、冷凝内管（14）、虚拟切割器（17）、主气流出口（18）、喷嘴（19）、喷嘴接管（20）、生物采样瓶（21）、两台四通道电脑细分恒流泵（23）、自动进样器（23）、在线离子色谱监测系统（24）；其中：

所述水箱（9）外套有一层隔温层（10），其前壁左上方三分之二处设有一个石英玻璃可视窗口（11）；

所述U型电加热棒（12）设置于水箱（9）内部底端，U型加热棒（12）外置电源线连接于温控数显装置（13）；

水箱（9）上部开有两口，其一，用快接法兰连接旋风式PM2.5切割头和溶蚀器（7）；其二，用快接法兰连接同轴安置的冷凝内管（14）；

所述冷凝内管（14）外部紧密缠绕有软铜制螺旋管（15），螺旋管（15）外包裹一层隔温层（16），螺旋管（15）上部进口和下部出口分别用防冻软管连于冷凝机（8）的出口和进口；形成冷凝液的循环流动；

所述冷凝内管（14）上端用快接法兰与虚拟切割器（17）连接，其内部下端是与内管同轴设置的喷嘴（19），上端是与喷嘴（19）同轴设置但又一定距离间隔的喷嘴接管（20）；

所述喷嘴接管（20）出口旁边设有主出气口（18），该主出气口连接干燥管（4）后连接大流量质量流量控制器（5），再连接主气流真空泵（3），形成主气路；喷嘴接管（20）出口上部连于生物采样瓶（21）的进气口；

所述生物采样瓶（21）的出气口连接浮子流量计（1），之后再连浓缩气流真空泵（2）；

所述生物采样瓶的底部设有两个进样口，其中一个进样口连接有一个气泡发生器，另外一个进样口和一个出样口，分别连接两台四通道电脑细分恒流泵（22）的两条通道的出样口和进样口，在两台电脑细分恒流泵前还分别加入一个电磁阀和控制电磁阀开关的时间继电器；浓缩气流真空泵（2）的另一端的一条通道连接生物采样瓶（21）的进样口，另一通道连于自动进样器后（23），打入在线离子色谱监测系统（24）。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述冷凝内管（14）的直径为2.5厘米，长度为80厘米，冷凝液为80%的乙醇。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述喷嘴（19）的直径为0.37厘米，喷嘴（19）与喷嘴接管（20）的间隔空隙为0.45厘米，接管（20）直径为2.5厘米。

4.一种基于权利要求1所述装置的大气PM2.5在线分离浓缩采集并测量亚硫酸根和亚硝酸根的方法，其特征在于，具体步骤如下：

（1）原始大气通入旋风式PM2.5切割头（7），PM2.5切割头（7）将空气动力学当量直径小于或等于2.5微米的大气颗粒物筛选出来，然后依靠系统抽力通过溶蚀器实现大气气溶胶气-固分离，分离出的颗粒态物质进入水箱（9）；

（2）在可视窗口（11）观察下，将去离子水加至水箱高度的三分之二处，并使用带有温度传感器的电加热棒（12）对去离子水进行加热，通过温控数显装置（13）控制温度为45±2摄氏度；

（3）加热产生的水蒸气使颗粒物达到饱和状态，后流经冷凝内管（14）；经循环流通，使冷凝液对饱和颗粒物进行冷凝长大；其中，绝大部分PM2.5颗粒物的空气动力学直径可增长至3-4微米；冷凝机的外部循环控温模式将温度控制在-19±1摄氏度；其中，冷凝液为80%的乙醇；

（4）冷凝长大的颗粒物进入虚拟切割器（17），在喷嘴（19）处获得加速；其加速的动力来自两条气路：主气路和浓缩气路；其中主流量为50±2升/分钟，由0-200升/分钟的大流量质量流量控制器（5）进行精确控制；浓缩气路是颗粒物通过的主要路径；浓缩气路出口连于生物采样瓶（21）进气口，而出气口连于浓缩气流真空泵（2）；其浓缩气流量为5±0.2升/分钟，由0-10升/分钟的浮子流量计（1）进行控制；

（5）在虚拟切割器（17）内，经喷嘴（19）加速后的颗粒物由同轴设置的喷嘴上方一定间隔空隙的喷嘴接管（20）接收；在颗粒物浓度相同的情况下，气体流量变为原始气体流量的十分之一，原始大气中颗粒物的浓度随之变为原始浓度的十倍，从而达到浓缩效果；浓缩后的饱和颗粒物通过生物采样瓶（21）在线采集，其采集溶剂为去离子水或其他有机溶剂；生物采样瓶（21）底部加装的气泡发生器隔绝氧气，有效避免待测亚硫酸根、亚硝酸根被氧化；

（6）两台四通道电脑细分恒流泵（22）中，一台用于向生物采样瓶（21）内注入溶剂，溶剂注入速度为5-10毫升/分钟，工作1分钟，休眠59分钟；另一台用于从生物采样瓶中抽取采集好的浓缩液，浓缩液抽取速度为5-10毫升/分钟，工作1分钟，休眠59分钟；

电磁阀的开关与恒流泵（22）工作休眠时间保持同步；

（7）电脑细分恒流泵（22）抽取的浓缩液在线收集到自动进样器（23）转盘上的样品管中，最后注入在线离子色谱监测系统（24），对其亚硫酸根、亚硝酸根进行分析。