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水质VOC监测仪的研究.doc

1、1水质 VOC 监测仪的研究摘要: 通过研究水质 VOC 监测仪的结构,仪器包括载气单元、进样单元、色谱单元、检测单元和显示控制单元,实现了水质 VOC 的在线监测。 Abstract: The paper presents the structure of water VOC monitor, including a carrier gas unit, the injection unit, chromatographic unit, a detection unit, and a display control unit, and achieves the online monitorin

2、g of the water quality of VOC. 关键词: 色谱;在线监测;光离子检测器 Key words: chromatogram;online monitoring;photoionization detector 中图分类号:X52 文献标识码:A 文章编号:1006-4311(2013)01-0306-02 1 背景 工农业的迅速发展和人类活动的日益加剧,大量有毒有害污染物被排放到湖泊、河流、海洋,环境污染造成的毒性危害也越加严重,大量的有毒化合物给水质监测带来了严重的挑战。在过去几十年,尽管分析方法的灵敏度已经大为改善,但化合物的毒性效应是所有组成物质拮抗作用或抑制作

3、用的综合结果,所以单纯的化学物质的限定不能为水体的2安全提供充分的保障。在此情况下,人们开始利用生物学的方法对污染物的毒性进行测定,从而最终判定环境样品的 VOC 效应。生物毒性检测能直观地反映污染水体对生物种群的 VOC,是预测和控制化学物质污染的一种不可缺少的辅助手段,因而得到了广泛应用和迅速发展。 因此检测其毒性的任务也越来越紧迫,我国以前的毒性检测均采用特定物质分析方法,也就是针对某种有害化学物进行化学定量分析,确定其含量。这种方法的分析结果比较精确,但是分析前需要大概知道可能存在有害物质种类,分析时间也很长。由于毒害物质种类众多,难以评价多种毒物的 VOC 和生物效应。 2 核心部件

4、描述 VOC 检测技术与其他厂家的最大区别就是检测器不同,根据检测器的调研报告分析,最终选定光离子化检测器作为技术方案,下面是光离子检测器的资料介绍。 光离子化检测器(PID, photo ionization detector)使用一只具有 10.6 eV 能量的真空紫外无极放电灯作为光源,可使空气中大多数有机物和部分无机物电离,但仍保持空气中的基本成分如N2、O2、H2O、CO2 不被电离(这些物质的电离电位大于 10.6 eV) 。被测物质的成分由色谱柱分离后进入离子化室,经过真空紫外无极放电灯照射电离,然后测量离子电流的大小,即可得到物质的含量。物质的种类根据色谱柱保留时间定性。 3

5、设计方案 3.1 仪器结构 仪器的核心部分是真空紫外光源和离子化池,被分析3的气体样品经注射口注入,然后由载气带入色谱柱。被测物质经色谱柱分离后进入离子化池,离子化池的上盖为真空紫外无极放电灯的窗口,两侧是电极。电极收集在真空紫外辐射下产生的离子,并产生离子电流,电离电流经放大后,由下位机将采集到的数据发送到上位机,然后进行数据处理、记录、显示和存储。仪器使用的载气是氮气,进入色谱柱之前需经净化,除去其中的微量有机物。其结构原理图如图 1 所示: 3.1.1 载气单元 载气单元包括净化管、流量调节装置和气泵,由于采用空气作为载气,而空气中含有很多微量有机物,因此,需要通过净化管对空气进行净化,

6、净化管内部填充了活性炭,可以有效吸收大量的微量有机物,减少对检测造成干扰,可以采用中国科学院大连化学物理研究所研制的复合型载气净化管。气泵采用无刷技术的电机,保证能长期稳定可靠的工作,得到稳定的载气流量。流量调节装置可以根据气泵的流量大小进行微调,保证可以得到有效的分离度。 3.1.2 进样单元 进样单元包括顶空进样器、注射器和微量切换阀,其中注射器采用微量注射器,能精确抽取 1-10?滋 L,精度达到0.05?滋 L。微量切换阀用于完成注射器进样动作后,能迅速切换到载气通道,其响应时间 50mS 以内,无死体积。顶空进样器是水中 VOC 取样的关键部件,如何保证水中的 VOC 能准确、可靠取

7、样,是重中之重。 3.1.3 色谱单元 色谱单元包括色谱柱和色谱恒温箱,色谱柱采用20m(0.53mm)的毛细管柱,色谱恒温箱的要求如下: 温度设定增减量():0.1; 控温精度():0.1; 4温度稳定性():0.1。 色谱恒温箱能够精确、稳定的控制色谱柱的工作温度,优良的温度控制精度能有效提高柱效、改善色谱峰分离度、保护横流泵并延长色谱柱的使用寿命和保证重现性,因此,色谱恒温箱的温度控制精度要求很高,本温控箱采用原装进口温控器和传感器,具备 PID 智能自整定,加热元件采用先进的及膜加热技术,使用寿命成倍增长。 3.1.4 检测单元 检测单元包括 UV 灯、离子化池和极化电源,UV 灯能量

8、主要有三种,分别为 9.8 eV、10.6 eV 和 11.7 eV,能量越高能检测的物质种类也就越多,根据市场 UV 灯产能、成本、应用领域以及检测物质需求等因素,本方案采用 10.6 eV。离子化池采用不锈钢材料,用于固定 UV 灯和检测气体。极化电源主要是给 UV 灯提供极化电压,同时检测极化电流,得到被检测物质的响应电流信号。 3.1.5 显示控制单元 显示控制单元包括显示工控机、MCU 控制板和驱动板,显示工控机采用 ARM9 显示屏与触摸屏一体化的工控机,主要负责与 MCU 控制板的通讯、数据结果运算显示和数据上传等功能,将仪器结果显示出来,同时提供操作显示画面、仪器控制信号显示,

9、以及与数据控制平台的数据传输等。MCU 控制板采用 C8051F120 型号的 CPU,主要负责与显示工控机的通讯、仪器流程时序控制、光电信号采集和集成取水控制等,集成取水控制主要包括水位液位、水样预处理等,光电信号采集主要包括光电信号、进样系统液位信号和温度等信号的采集等。 3.2 可检测的挥发性有机物参数 苯系物:苯、甲苯、乙苯、对二甲苯、间二甲苯、邻二甲苯、异5丙苯、苯乙烯; 烷类有机物:环氧乙烷、苯、甲苯、二甲苯、乙烷、烷烃(直到辛烷) ; 卤代烃:氯乙烯、氯乙烷、二氯甲烷及其它氯甲烷类和轻质氯苯类; 烯烃类:异戊二烯、乙烯、丙烯、丁烯; 其他有机物:硫化氢、轻质硫醇类、有机硫(直至二甲基二硫) ,丙酮、甲基乙基酮、胂、磷化氢、乙醛、醛类(直至己醛)乙二醇脂类、氟氯甲烷类(氟里昂) 、异氰酸甲脂、 环己酮、丙烯酸乙酯、轻质醇类。4 结论 通过设计载气单元、进样单元、色谱单元、检测单元和显示控制单元,成功研制了水质 VOC 在线监测仪器,能检测绝大部分挥发性有机物。参考文献: 1魏爱雪.EPA8260 方法测定水中 VOC 的质量保证J环境科学进展,1996. 2王向明,陈正夫,王玲利,胡耀铭,邵波.如何降低水中 VOC 分析的检测限J.环境监测管理与技术,1999. 3国家环保局.水和废水监测分析方法M.北京:中国环境科学出版社,1989:376-378.

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