高分辨率高灵敏度快速测定挥发性有机物的在线监测系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种分析检测仪器，具体涉及一种高分辨率高灵敏度快速测定挥发性有机物的在线监测系统及方法。包括采样接头和反应室，采样接头连接气体过滤器、精密过滤器、气液分离器、渗透膜气体干燥器和十六路切换阀；反应室包括依次相邻的离子源辉光放电区、离子源漂移区、第一差分真空腔和反应管，反应室后部依次连接第二差分真空腔、离子传输区和TOF检测区，离子传输区内设有单透镜，单透镜由三组左右放置的电极构成；TOF检测区上部通过无场漂移区与反射区连通，反射区内设有三组反射器和检测器。本发明专利技术测定的分子量范围广，分辨率、灵敏度高，可检测分子量到小数点后四位，检测过程干扰因素少，碎片产生少，易于解析，可实现污染源废气的实时快速准确测定。

【技术实现步骤摘要】
高分辨率高灵敏度快速测定挥发性有机物的在线监测系统及方法
本专利技术涉及一种分析检测仪器，具体涉及一种高分辨率高灵敏度快速测定挥发性有机物的在线监测系统及方法。
技术介绍
随着国家“大气十条”的颁布，空气和废气中挥发性有机物(VOCs)的测定成为大气监测的重点内容，监测企业挥发性有机物排放的常规方式多为异位监测，即用气袋或者吸附管采集样品带回实验室进行分析。这种采样方式存在诸多弊端：样品采集后可能存在采气袋的吸附现象或吸附管脱附不完全的情况，无法获取企业排放污染物的真实数值；而且这种采样方式采样时间采样地点往往是企业预先知道的，所以会存在干预污染物正常排放的措施，导致对企业的监管存在难度，为了实时获取企业排放VOCs情况并为政府决策提供可靠依据，在线监测方法得到广泛应用，但现阶段应用较多的VOCs在线监测方法多采用气相色谱串联质谱或直接采用FID检测器进行检测，这些检测方法能够实现对环境空气和固定污染源采集的气体的分析，但是其检测过程需要先经过预处理并经气相色谱进行分离后经质谱仪器分析，这个过程耗费时间长，由此获取的VOCs数据时间间隔较大，数据缺乏连续性，对于持续监测其浓度变化趋势几乎无能为力；且花费高，分析过程需要不断的载气供应；另外，该类分析仪器多采用破坏型硬电离EI离子源，测定中获得的谱图为离子碎片信息，谱图复杂，难以解析；除此之外，此类监测仪器对监测的气体样品要求较高，水分对测定结果影响较大，尤其在测定污染源废气时，由于其组分复杂，水、二氧化碳等组分含量高，测定结果存在较大干扰，同时测定多路污染源废气的能力更是受限制，难以同时长时间实现多路气体的同时分析，实用性较差。基于此，一种能够快速测定污染源废气的质子转移反应质谱仪器(PTR-MS)得到应用。目前发展较多的PTR-MS，在样品分子与反应气进行质子转移反应后利用四极杆对样品分子进行筛选后经检测器进行检测，该方法实现了对VOCs气体的快速检测，但是也存在诸多问题，使用四级杆滤质器对分子进行筛选，测定分子范围窄，检测物种有限，质量分辨率低，检出限较高，仅能检测数种分子量较小的VOCs分子。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种高分辨率高灵敏度快速测定挥发性有机物的在线监测系统，测定的分子量范围广，分辨率、灵敏度高，可高分辨检测分子量精确至小数点后四位的分子离子峰物质，检测过程干扰因素少，碎片离子少、谱图简单，易于解析，可实现污染源废气的实时快速准确测定；本专利技术还提供一种采用该在线监测系统对VOCs进行检测的分析方法。本专利技术所述的高分辨率高灵敏度快速测定挥发性有机物的在线监测系统，包括采样接头和反应室，采样接头出口连接气体过滤器，气体过滤器出口通过第一输气管连接精密过滤器，第一输气管外周设置第一电加热带，精密过滤器出口通过管道依次连接一级气液分离器和二级气液分离器，二级气液分离器气体出口连接渗透膜气体干燥器，渗透膜气体干燥器通过第二输气管连接十六路切换阀，第二输气管外周设置第二电加热带；反应室上设置反应气体入口，反应气体入口连接第一三通的出口，第一三通的两个进口分别连接水蒸气发生设备和其他反应气体入口，反应室包括依次相邻的离子源辉光放电区、离子源漂移区、第一差分真空腔和反应管，反应室后部依次连接第二差分真空腔、离子传输区和TOF检测区(飞行时间质谱)，第一差分真空腔和反应管之间通过第一小孔连通，反应管和第二差分真空腔之间通过第二小孔连通，第二差分真空腔和离子传输区之间通过第三小孔连通，离子传输区和TOF检测区之间通过差动导流孔连通，离子源漂移区、第一差分真空腔和反应管的反应区的外部均设置等值分压电阻，第一差分真空腔的末端连接第一机械泵，第二差分真空腔的末端连接第二机械泵，在反应管的壁上靠近第一差分真空腔的位置设置VOCs气体入口，VOCs气体入口通过管道连接十六路切换阀，第二差分真空腔上设有VOCs气体出口，离子传输区内设有单透镜，单透镜由三组左右放置的电极构成，每组电极由上下相对的两片电极构成；TOF检测区上部的离子加速区通过无场漂移区与反射区连通，在无场漂移区内设置XY偏转板，反射区内设有三组反射器和检测器。其中：所述的第一输气管和第二输气管均采用特氟龙材质，用于样品传输，大大降低了管路对挥发性有机物的吸附、耐腐蚀性好，气体输送量大，可靠耐用，保证采样的准确性。对应第一电加热带设置第一热电偶温度传感器，第一热电偶温度传感器和第一电加热带均连接第一温控仪；对应第二电加热带设置第二热电偶温度传感器，第二热电偶温度传感器和第二电加热带均连接第二温控仪；第一输气管上设有隔膜泵。所述的电加热带，用于加热输气管管路，通过热电偶温度传感器感应及温控仪精准控温。其中，前端管路温度通过第一热电偶温度传感器和第一温控仪控制，后端管路通过第二热电偶温度传感器和第二温控仪控制。输气管加热温度为使管内物料维持气化状态即可，加热温度可调，防止高温烟气在采样装置器壁发生冷却液化或凝固、采样管道内壁狭窄或残存液态小液滴，保证了采样的准确性和真实代表性，适用于采集高温烟气中的挥发性有机物。所述的气体过滤器采用圆柱形316材质不锈钢滤芯过滤，除去废气中的大颗粒物，净化气体。所述的隔膜泵用于待测气体样品的传输，高密封性确保气体样品无泄漏、无稀释，可靠耐用，维护成本低。所述的精密过滤器采用玻璃纤维滤芯过滤，过滤阻力小、通量大，能高效去除细颗粒物，达到净化除尘目的保证进入分析设备内部的废气没有杂质。一级气液分离器连接第二热电偶温度传感器和第二温控仪。所述的低温冷却装置内置密闭可循环使用的防冻冷却液，冷却液在一级气液分离器内的冷却盘管内循环流动冷却气体样品，防冻冷却液冬季防冻，外界温度在0℃以下仍能正常工作。低温冷却装置用于给一级气液分离器的冷却盘管进行制冷，低温除去待测气体中的水分和油分，制冷温度由第二温控仪控制至4±2℃。污染源废气经过低温冷却盘管实现有效的气液分离，去待测气体中的大多数水分和油分，防止水分和油分附着在采样管道内壁，造成管路狭窄，避免内壁附着的水分、油分或固化状态的焦油会影响后续气体样品采集的准确性，保障能采集到具有真实代表性的样品。一级气液分离器的液体出口和二级气液分离器的液体出口均连接蠕动泵进口，蠕动泵底部出口设有排水管。所述的二级气液分离器，处于室温环境下，为圆柱形玻璃材质，顶部有两支管开口，分别为进口和气体出口，底部有一支管开口，为液体出口。一级气液分离器内气体进入二级气液分离器，通过室温冷却可以进一步去除污染源废气中的水分和油分，处理完毕后的气体从气体出口排出，液体从底部支管进入蠕动泵排出。二级气液分离器通过室温冷却可以进一步去除污染源废气中的水分和油分，净化污染源废气，此外二级气液分离器还能起到对于污染源样气气流的安全缓冲作用，平稳气流。离子源漂移区、第一差分真空腔和反应管的反应区的外部均设置等值分压电阻，并施加直流电压，电场方向为沿漂移管轴向由左向右；反应管聚焦区设置高频交流电压，电场方向为漂移管径向。通过第一差分真空腔的隔离作用，降低本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高分辨率高灵敏度快速测定挥发性有机物的在线监测系统，其特征在于：包括采样接头(60)和反应室，采样接头(60)出口连接气体过滤器(61)，气体过滤器(61)出口通过第一输气管(62)连接精密过滤器(67)，第一输气管(62)外周设置第一电加热带(63)，精密过滤器(67)出口通过管道依次连接一级气液分离器(68)和二级气液分离器(69)，二级气液分离器(69)气体出口连接渗透膜气体干燥器(71)，渗透膜气体干燥器(71)通过第二输气管(72)连接十六路切换阀(37)，第二输气管(72)外周设置第二电加热带(73)；反应室上设置反应气体入口(58)，反应气体入口(58)连接第一三通(8)的出口，第一三通(8)的两个进口分别连接水蒸气发生设备和其他反应气体入口(6)，反应室包括依次相邻的离子源辉光放电区(11)、离子源漂移区(12)、第一差分真空腔(13)和反应管(14)，反应室后部依次连接第二差分真空腔(15)、离子传输区(16)和TOF检测区(18)，第一差分真空腔(13)和反应管(14)之间通过第一小孔(21)连通，反应管(14)和第二差分真空腔(15)之间通过第二小孔(24)连通，第二差分真空腔(15)和离子传输区(16)之间通过第三小孔(52)连通，离子传输区(16)和TOF检测区(18)之间通过差动导流孔(53)连通，离子源漂移区(12)、第一差分真空腔(13)和反应管(14)的反应区的外部均设置等值分压电阻(23)，第一差分真空腔(13)的末端连接第一机械泵(22)，第二差分真空腔(15)的末端连接第二机械泵(35)，在反应管(14)的壁上靠近第一差分真空腔(13)的位置设置VOCs气体入口(20)，VOCs气体入口(20)通过管道连接十六路切换阀(37)，第二差分真空腔(15)上设有VOCs气体出口(59)，离子传输区(16)内设有单透镜，单透镜由三组左右放置的电极(25)构成，每组电极(25)由上下相对的两片电极构成；TOF检测区(18)上部的加速电场区通过无场漂移区(26)与反射区(28)连通，在无场漂移区(26)内设置XY偏转板(27)，反射区(28)内设有三组反射器(30)和检测器(29)。/n...

【技术特征摘要】
1.一种高分辨率高灵敏度快速测定挥发性有机物的在线监测系统，其特征在于：包括采样接头(60)和反应室，采样接头(60)出口连接气体过滤器(61)，气体过滤器(61)出口通过第一输气管(62)连接精密过滤器(67)，第一输气管(62)外周设置第一电加热带(63)，精密过滤器(67)出口通过管道依次连接一级气液分离器(68)和二级气液分离器(69)，二级气液分离器(69)气体出口连接渗透膜气体干燥器(71)，渗透膜气体干燥器(71)通过第二输气管(72)连接十六路切换阀(37)，第二输气管(72)外周设置第二电加热带(73)；反应室上设置反应气体入口(58)，反应气体入口(58)连接第一三通(8)的出口，第一三通(8)的两个进口分别连接水蒸气发生设备和其他反应气体入口(6)，反应室包括依次相邻的离子源辉光放电区(11)、离子源漂移区(12)、第一差分真空腔(13)和反应管(14)，反应室后部依次连接第二差分真空腔(15)、离子传输区(16)和TOF检测区(18)，第一差分真空腔(13)和反应管(14)之间通过第一小孔(21)连通，反应管(14)和第二差分真空腔(15)之间通过第二小孔(24)连通，第二差分真空腔(15)和离子传输区(16)之间通过第三小孔(52)连通，离子传输区(16)和TOF检测区(18)之间通过差动导流孔(53)连通，离子源漂移区(12)、第一差分真空腔(13)和反应管(14)的反应区的外部均设置等值分压电阻(23)，第一差分真空腔(13)的末端连接第一机械泵(22)，第二差分真空腔(15)的末端连接第二机械泵(35)，在反应管(14)的壁上靠近第一差分真空腔(13)的位置设置VOCs气体入口(20)，VOCs气体入口(20)通过管道连接十六路切换阀(37)，第二差分真空腔(15)上设有VOCs气体出口(59)，离子传输区(16)内设有单透镜，单透镜由三组左右放置的电极(25)构成，每组电极(25)由上下相对的两片电极构成；TOF检测区(18)上部的加速电场区通过无场漂移区(26)与反射区(28)连通，在无场漂移区(26)内设置XY偏转板(27)，反射区(28)内设有三组反射器(30)和检测器(29)。


2.根据权利要求1所述的高分辨率高灵敏度快速测定挥发性有机物的在线监测系统，其特征在于：对应第一电加热带(63)设置第一热电偶温度传感器(64)，第一热电偶温度传感器(64)和第一电加热带(63)均连接第一温控仪(65)；对应第二电加热带(73)设置第二热电偶温度传感器(74)，第二热电偶温度传感器(74)和第二电加热带(73)均连接第二温控仪(75)；第一输气管(62)上设有隔膜泵(66)；一级气液分离器(68)的液体出口和二级气液分离器(69)的液体出口均连接蠕动泵(70)进口，蠕动泵(70)底部出口设有排水管。


3.根据权利要求1所述的高分辨率高灵敏度快速测定挥发性有机物的在线监测系统，其特征在于：水蒸气发生设备包括储水瓶(2)，储水瓶(2)内部设置热电偶(4)和加热丝(3)，储水瓶(2)的外部设置保温层(1)，储水瓶(2)顶部通过管道连接第一三通(8)的其中一个进口，储水瓶(2)和第一三通(8)之间的管道上设置水开关(5)；其他反应气体入口(6)通过管道连接第一三通(8)的其中一个进口，其他反应气体入口(6)和第一三通(8)之间的管道上设置其他反应气体调节开关(7)；第一三通(8)出口和反应室之间的管道上设置流量计(9)和流量调节开关(10)。


4.根据权利要求1所述的高分辨率高灵敏度快速测定挥发性有机物的在线监测系统，其特征在于：单透镜由三组左右放置的电极(25)构成，每组电极(25)由上下相对的两片电极构成，其中两端电极(25)为提取透镜电极，中间电极(25)为传输透镜电极，所施加电压分别为：提取透镜电极的电压范围为-6V～0V，传输透镜电极的电压范围为-80V～-110V。


5.根据权利要求1所述的高分辨率高灵敏度快速测定挥发性有机物的在线监测系统，其特征在于：在TOF检测区(18)的内部靠近差动导流孔(53)的位置设置法拉第杯(17)，TOF检测区(18)内部设有四块极板，四块极板由上到下依次为底板(19)、提取极板(54)、中间极板(55)和加速电极板(56)，各极板电压范围：底板(19)电压为-100V～-200V，对提取极板(54)施加脉冲电压，待测离子进入极板离子引入区时，提取极板(54)电压值与底板(19)电压值相同，当一次进样后质荷比最大的离子进入离子引入区时，提取极板(54)电压值增大到-400V～-450V，中间极板(55)电压为-500V～-650V，加速电极板(56)电压为-1800V～-2200V。


6.根据权利要求1所述的高分辨率高灵敏度快速测定挥发性有机物的在线监测系统，其特征在于：离子源辉光放电区(11)阳极电压为400-550V，阳极和阴极之间的放电电势维持在350V到400V之间，离子源辉光放电区(11)压力为10-100Pa，放电电流为4-6mA；...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖洋，王新娟，马珊，
申请(专利权)人：肖洋，
类型：发明
国别省市：山东;37