专利名称：采用pfc光电催化法测定环境气体中总有机气体浓度的方法
技术领域：
本发明涉及环境监测领域，尤其涉及一种采用PFC光电催化法测定环境气体中总有机气体浓度的方法。
背景技术：
目前，对环境气体中挥发性有机气体(VOCs)的检测要经历采样、预处理和定量分析三个过程。环境气体中的VOCs的采样方式主要是采用注射器、塑料袋等固定容器直接采集被测气体，或用泵将被测气体通过吸收液、吸附剂、冷阱捕集等方式来采集。同时由于一般待测气体中的VOCs浓度较低，在分析检测之前还需对样品进行预处理。环境气体中的 VOCs分析方法主要有气相色谱法(GC)、气相色谱-质谱联用法(GC-MQ、比色管检测法等。 这些检测方法存在操作复杂，整体采样、预处理和检测花费时间较长，且目前的定量检测方法需预知污染物化学组分并制作相关标准曲线，或存在检测范围不足以覆盖全部的TVOC 成分等多方面的问题。
发明内容
为了克服上述缺陷，本发明的目的在于提供一种采用光催化燃料电池 (Photocatalytic Fuel Cell, PFC)光电催化法测定环境气体中总有机气体浓度的方法， PFC光电催化法具体分为PFC饱和光电流法和PFC电量法。本发明的技术方案如下一种采用PFC饱和光电流法测定环境气体中总有机气体浓度的方法，包括以下步骤Sl 制作PFC三合一电极，PFC三合一电极包括光阳极、质子交换膜和阴极，质子交换膜处于光阳极与阴极之间；S2 组装PFC饱和光电流测定装置，PFC饱和光电流测定装置包括光阳极室、PFC三合一电极和阴极室，PFC三合一电极位于光阳极室和阴极室之间；S3:将PFC三合一电极分别与电化学工作站的外接电极连接，并在阴阳两极间施加电压，采用光源对光阳极进行照射激发，电化学工作站对光阳极室的有机气体的饱和光电流进行记录，根据以下公式计算环境气体中总有机气体的浓度
T nFAD 1π1 sei =
占 oUUU其中，Inet表示光阳极室的有机气体的饱和光电流；η表示有机气体完全矿化所产生的电子数；A表示光阳极的光照面积；F表示法拉第常数；D表示有机气体的平均扩散系数W表示有机气体的平均扩散层厚度；CODpfct表示环境气体中总有机气体的浓度，即单位体积的有机气体完全降解所消耗的氧气的量(mg/L)。所述的采用PFC饱和光电流法测定环境气体中总有机气体浓度的方法，其中，步骤S3具体包括在组装好的PFC饱和光电流测定装置的阴极室中装入电解质溶液，使质子交换膜保持湿润；将PFC三合一电极的阴阳两极分别与电化学工作站的外电路进行连接；用Ar作为载气，有机气体采用丁烷，配置多种浓度的丁烷有机气体样品；打开光源，采用滤波片使其只透紫外光，对光阳极进行照射激发，同时采用电化学工作站在PFC三合一电极的阴阳两极间施加偏压；将配置的丁烷有机气体样品按浓度由低到高的顺序依次进行测定，绘制有机气体的饱和光电流与时间之间的关系曲线；计算出环境气体中总有机气体的浓度，绘制饱和光电流与环境气体中总有机气体的浓度之间的关系曲线。所述的采用PFC饱和光电流法测定环境气体中总有机气体浓度的方法，其中，在 PFC三合一电极的阴阳两极间施加的偏压为0. 3V。所述的采用PFC饱和光电流法测定环境气体中总有机气体浓度的方法，其中，电解质溶液是0. IM的Na2SO4溶液、0. IM的H2SO4溶液、或0. IM的NaNO3溶液。所述的采用PFC饱和光电流法测定环境气体中总有机气体浓度的方法，其中，光阳极室的尺寸应满足气体在此反应区的传质满足菲克定律，光电化学行为测定前后，气体的物化性质基本保持不变。光阳极室中的光阳极反应室的尺寸为45mmX45mmX 10mm,阴极室中的阴极反应室的尺寸为45mmX45mmX 10mm。一种采用PFC电量法测定环境气体中总有机气体浓度的方法，包括以下步骤Sl 制作PFC三合一电极，PFC三合一电极包括光阳极、质子交换膜和阴极，质子交换膜处于光阳极与阴极之间；S2 组装PFC电量测定装置，PFC电量测定装置包括光阳极室、PFC三合一电极和阴极室，PFC三合一电极位于光阳极室和阴极室之间；S3:将PFC三合一电极分别与电化学工作站的外接电极连接，并在阴阳两极间施加电压，采用光源对光阳极进行照射激发，电化学工作站对光阳极室的有机气体的电量进行记录，根据以下公式计算环境气体中总有机气体的浓度CODppcv (mg/LO2) = χ 32000
4FV其中，CODpfcv表示环境气体中总有机气体的浓度；V表示微型反应器的体积；F表示法拉第常数；Q表示光阳极室的有机气体的电量。所述的采用PFC电量法测定环境气体中总有机气体浓度的方法，其中，步骤S3具体包括在组装好的PFC电量测定装置的阴极室中装入电解质溶液，使质子交换膜保持湿润；将PFC三合一电极的阴阳两极分别与电化学工作站的外电路进行连接；用Ar作为载气，有机气体采用丁烷，配置多种浓度的丁烷有机气体样品；打开光源，采用滤波片使其只透紫外光，对光阳极进行照射激发，同时采用电化学工作站在PFC三合一电极的阴阳两极间施加偏压；
将配置的丁烷有机气体样品按浓度由低到高的顺序依次进行测定，绘制有机气体的饱和光电流与时间之间的关系曲线；计算出环境气体中总有机气体的浓度，绘制电量与环境气体中总有机气体的浓度之间的关系曲线。所述的采用PFC电量法测定环境气体中总有机气体浓度的方法，其中，在PFC三合一电极的阴阳两极间施加的偏压为0. 3V。所述的采用PFC电量法测定环境气体中总有机气体浓度的方法，其中，电解质溶液是0. IM的Na2SO4溶液、0. IM的H2SO4溶液、或0. IM的NaNO3溶液。所述的采用PFC电量法测定环境气体中总有机气体浓度的方法，其中，光阳极室的尺寸应满足有机气体在此反应室的传质满足法拉第计算原理。光阳极室中的光阳极反应室的厚度控制在0. 5mm以下，体积为0.細1，阴极室中的阴极反应室的尺寸为 20mmX IOmmX 10mm。本发明的有益效果是本发明采用PFC装置测定环境气体中总有机气体含量，借助于电化学工作站对PFC光电催化有机气体氧化反应的电信号进行记录，并分别以饱和电流法和电量法理论来计算气体中总有机气体的含量。此技术解决了传统的采集、解吸、预处理等繁琐的过程，无需前处理，即可将样品直接用于测定，测定时间短，快速，方便，无二次污染，适用于环境监测及实验室分析。
图1是采用PFC技术检测环境气体中总有机气体含量的原理示意图；图2是采用PFC饱和光电流法测定环境气体中总有机气体含量的原理示意图；图3是采用PFC电量法测定环境气体中总有机气体含量的原理示意图；图4是PFC饱和光电流法测定装置的示意图；图5是PFC电量法测定装置的示意图；图6是采用PFC饱和光电流法测定的丁烷气体浓度的Ι-t曲线图；图7是一系列浓度的丁烷气体浓度与Inrt之间的关系示意图；图8是采用PFC电量法测定的丁烷气体浓度与测定电量Q3re之间的关系示意图；图9是采用PFC电量法测定的电量Q3re与理论CODprcva论之间的线性关系示意图。
具体实施例方式本发明的目的在于克服现有环境气体中有机气体含量检测技术的不足，提供一种新的采用PFC技术检测环境气体中总有机气体含量的方法。本发明测定环境气体中总有机气体浓度的方法包括饱和光电流法和电量法，这两种方法均是利用PFC光电催化法的装置和原理，质子交换膜(PEM)将阴阳两极隔开，有机气体引入到PFC的光阳极室，光阳极催化剂在光照条件下被激发，有机气体在光阳极催化剂表面被氧化而发生脱氢加氧等氧化反应，氧化过程中产生的H质子能通过PEM快速转移至 PFC阴极室，而产生的电子通过外电路转移至阴极表面，这样H质子与电子复合即产生H2。 降解过程中氧化反应所引起的光电流或电量变化将通过与PFC阴阳两极相连的电化学工作站进行记录，并最终通过相关软件分析光电流或电量与有机气体含量之间的关系，进而达到对气态中总有机气体的含量进行检测。其阴极和阳极的反应方程式见公式(1)，采用 PFC技术测定有机气体浓度的原理见图1。阳极CxHy0zXm+(x-z/2) O2 — xC02+yH++mX>ye"阴极对巧(1)众所周知，常规光催化完全降解有机气体需经历很多步骤，且需很长的时间。本发明中PFC饱和光电流法测定气体中总有机气体的浓度是根据菲克定律，当光阳极表面存在大量有机气体，在整体测定过程中，反应速率是由电极表面有机气体的扩散速率所控制，且测定前后气体的浓度等各方面的性质保持不变，则有机气体的饱和光电流Inrt和其中有机气体的浓度C具备以下公式(2)所表述的关系
权利要求
1.一种采用PFC饱和光电流法测定环境气体中总有机气体浓度的方法，其特征在于， 包括以下步骤51制作PFC三合一电极，PFC三合一电极包括光阳极、质子交换膜和阴极，质子交换膜处于光阳极与阴极之间；52组装PFC饱和光电流测定装置，PFC饱和光电流测定装置包括光阳极室、PFC三合一电极和阴极室，PFC三合一电极位于光阳极室和阴极室之间；53将PFC三合一电极分别与电化学工作站的外接电极连接，并在阴阳两极间施加电压，采用光源对光阳极进行照射激发，电化学工作站对光阳极室的有机气体的饱和光电流进行记录，根据以下公式计算环境气体中总有机气体的浓度T nFAD 1ηL=丁 iWcmi層]其中，Inrt表示光阳极室的有机气体的饱和光电流；η表示有机气体完全矿化所产生的电子数；A表示光阳极的光照面积；F表示法拉第常数；jD表示有机气体的平均扩散系数W 表示有机气体的平均扩散层厚度；CODpfct表示环境气体中总有机气体的浓度。
2.根据权利要求1所述的采用PFC饱和光电流法测定环境气体中总有机气体浓度的方法，其特征在于，步骤S3具体包括在组装好的PFC饱和光电流测定装置的阴极室中装入电解质溶液，使质子交换膜保持湿润，同时也有利于质子在阴极区的传导；将PFC三合一电极的阴阳两极分别与电化学工作站的外电路进行连接；用Ar作为载气，有机气体采用丁烷，配置多种浓度的丁烷有机气体样品；打开光源，采用滤波片使其只透紫外光，对光阳极进行照射激发，同时采用电化学工作站在PFC三合一电极的阴阳两极间施加偏压；将配置的丁烷有机气体样品按浓度由低到高的顺序依次进行测定，采用电化学工作站记录有机气体的饱和光电流与时间之间的关系曲线；绘制饱和光电流与环境气体中总有机气体的浓度之间的关系曲线，计算出环境气体中总有机气体的浓度。
3.根据权利要求2所述的采用PFC饱和光电流法测定环境气体中总有机气体浓度的方法，其特征在于，在PFC三合一电极的阴阳两极间施加的偏压为0. 3V。
4.根据权利要求2所述的采用PFC饱和光电流法测定环境气体中总有机气体浓度的方法，其特征在于，电解质溶液是0. IM的Na2SO4溶液、0. IM的H2SO4溶液、或0. IM的NaNO3溶液。
5.根据权利要求1所述的采用PFC饱和光电流法测定环境气体中总有机气体浓度的方法，其特征在于，光阳极室中的气体传质符合菲克定律，光阳极室中的光阳极反应室的尺寸为45mmX45mmX10mm，阴极室中的阴极反应室的尺寸为45mmX45mmX 10mm。
6.一种采用PFC电量法测定环境气体中总有机气体浓度的方法，其特征在于，包括以下步骤Sl 制作PFC三合一电极，PFC三合一电极包括光阳极、质子交换膜和阴极，质子交换膜处于光阳极与阴极之间；52组装PFC电量测定装置，PFC电量测定装置包括光阳极室、PFC三合一电极和阴极室，PFC三合一电极位于光阳极室和阴极室之间；53将PFC三合一电极分别与电化学工作站的外接电极连接，并在阴阳两极间施加电压，采用光源对光阳极进行照射激发，电化学工作站对光阳极室的有机气体的电量进行记录，根据以下公式计算环境气体中总有机气体的浓度CODpfcv (mg/Σ02) = -β-χ 320004FV其中，CODpfct表示环境气体中总有机气体的浓度；V表示微型反应器的体积；F表示法拉第常数；Q表示光阳极室的有机气体的电量。
7.根据权利要求6所述的采用PFC电量法测定环境气体中总有机气体浓度的方法，其特征在于，步骤S3具体包括在组装好的PFC电量测定装置的阴极室中装入电解质溶液，使质子交换膜保持湿润， 同时有利于质子在阴极区的传导；将PFC三合一电极的阴阳两极分别与电化学工作站的外电路进行连接；用Ar作为载气，有机气体采用丁烷，配置多种浓度的丁烷有机气体样品；打开光源，采用滤波片使其只透紫外光，对光阳极进行照射激发，同时采用电化学工作站在PFC三合一电极的阴阳两极间施加偏压；将配置的丁烷有机气体样品按浓度由低到高的顺序依次进行测定，采用电化学工作站记录有机气体的饱和光电流与时间之间的关系曲线；绘制电量与环境气体中总有机气体的浓度之间的关系曲线，计算出环境气体中总有机气体的浓度。
8.根据权利要求7所述的采用PFC电量法测定环境气体中总有机气体浓度的方法，其特征在于，在PFC三合一电极的阴阳两极间施加的偏压为0. 3V。
9.根据权利要求7所述的采用PFC电量法测定环境气体中总有机气体浓度的方法，其特征在于，电解质溶液是0. IM的Na2SO4溶液、0. IM的H2SO4溶液、或0. IM的NaNO3溶液。
10.根据权利要求6所述的采用PFC电量法测定环境气体中总有机气体浓度的方法，其特征在于，光阳极室中的气体传质符合法拉第计算原理，光阳极室中的光阳极反应室的厚度控制在0. 5mm以下，体积为0. 4ml,阴极室中的阴极反应室的尺寸为20mmX IOmmX 10mm。
全文摘要
本发明公开了一种采用PFC光电催化法测定环境气体中总有机气体浓度的方法，PFC光电催化法具体分为PFC饱和光电流法和PFC电量法。测定方法包括制作PFC三合一电极；组装PFC测定装置；记录光阳极室的有机气体的饱和光电流或电量，根据相应的公式计算环境气体中总有机气体的浓度。本发明采用PFC装置测定环境气体中总有机气体含量，借助于电化学工作站对PFC光电催化有机气体氧化反应的电信号进行记录，并分别以饱和电流法和电量法理论来计算气体中总有机气体的含量。此技术解决了传统的采集、解吸、预处理等繁琐的过程，无需前处理，即可将样品直接用于测定，测定时间短，快速，方便，无二次污染，适用于环境监测及实验室分析。
文档编号G01N27/26GK102305816SQ201110135099
公开日2012年1月4日 申请日期2011年5月23日 优先权日2011年5月23日
发明者习敏, 刘朝晖, 吴梁鹏, 李新军 申请人:中国科学院广州能源研究所