一种大气氧化性指示因子检测装置及检测方法与流程

本发明属于大气环境检测技术领域，具体涉及一种大气氧化性指示因子检测装置及检测方法。

背景技术：

大气光化学烟雾是以臭氧为主的二次污染物所组成的强氧化性污染物。受人类活动增加的影响，城市和区域大气中丰富的氮氧化物和挥发性有机物在太阳照射下发生反应，产生了一些氧化性很强的气体。在中国快速经济发展的区域和特大城市中，大气的氧化性水平较高，检测大气氧化性指标十分必要。

技术实现要素：

本发明实施例的目的在于提供一种大气氧化性指示因子检测装置及检测方法。

本发明实施例提出了一种大气氧化性指示因子检测装置，包括第一空气流路、第二空气流路、第三空气流路、臭氧流路、一氧化氮流路、第一混合室、第二混合室、检测流路、二氧化氮检测器和采样装置；所述采样装置能够经所述第一空气流路、第二空气流路和第三空气流路采集空气样品；所述第一空气流路配置有催化装置，所述催化装置用于将空气样品中的noy催化还原为no；所述臭氧流路配置有臭氧供给装置；所述第一空气流路、第二空气流路和臭氧流路分别与第一混合室连通；所述一氧化氮流路配置有一氧化氮供给装置；所述第三空气流路和一氧化氮流路分别与第二混合室连通；所述第一混合室和第二混合室经检测流路连通二氧化氮检测器。

进一步，所述第一空气流路配置有第一富集装置；所述第二空气流路配置有第二富集装置；所述第三空气流路配置有第三富集装置；所述第一富集装置、第二富集装置和第三富集装置分别用于富集空气样品。

进一步，所述第一富集装置、第二富集装置和第三富集装置均为透明富集腔，所述富集腔的内径大于相应空气流路的管径。

进一步，所述富集腔由石英材料制成。

进一步，所述第二富集装置具有可拆卸的第一遮光部件，所述第三富集装置具有可拆卸的第二遮光部件；所述第二空气流路还与所述第二混合室连通。

进一步，所述第一空气流路配置有第一电控阀；所述第三空气流路配置有第三电控阀；所述臭氧流路配置有第四电控阀；所述一氧化氮流路配置有第五电控阀；所述检测流路配置有第一三通电控阀，或者，所述检测流路包括第一检测流路和第二检测流路，所述第一混合室经第一检测流路与二氧化氮检测器连通，所述第二混合室经第二检测流路与二氧化氮检测器连通，第一检测流路和第二检测流路分别配置有电控阀；所述第二空气流路经第二三通电控阀分别连通第一混合室和第二混合室，或者，第二空气流路经第二电控阀连通第一混合室，经第六电控阀连通第二混合室。

进一步，所述臭氧流路还配置有第一流量控制器；所述一氧化氮流路还配置有第二流量控制器；所述采样装置经采样流路与二氧化氮检测器连通，用于采集空气样品，并将待测气体送入所述二氧化氮检测器，所述采样流路配置有第三流量控制器。

进一步，所述检测装置还包括控制器，所述控制器用于控制采样装置的启闭、臭氧供给装置的启闭、一氧化氮供给装置的启闭、催化装置的启闭和催化温度、二氧化氮检测器的启闭、各电控阀和各流量控制器。

本发明实施例还提出一种利用上述大气氧化性指示因子检测装置检测大气总氧化剂生成速率的方法，包括以下步骤：

s1、空气样品经第三空气流路进入第三富集装置，富集后进入第二混合室，no气体经一氧化氮流路进入第二混合室，与空气样品中的o3反应；

s2、反应所得到的待测气体进入二氧化氮检测器，获得大气中ox的体积分数，经计算，得到大气总氧化剂生成速率dox/dt。

本发明实施例还提出一种利用上述大气氧化性指示因子检测装置检测大气总氧化剂生成效率的方法，包括以下步骤：

s1、空气样品经第一空气流路进入第一富集装置，富集后进入催化装置，空气样品中的noy被催化还原为no后，进入第一混合室，臭氧经臭氧流路进入第一混合室与no反应后，待测气体进入二氧化氮检测器；空气样品经第三空气流路进入第二富集装置，no气体经一氧化氮流路进入第二混合室，与空气样品中的o3反应后，待测气体进入二氧化氮检测器；经检测计算，获得大气中noy的体积分数；

s2、空气样品经第二空气流路进入第二富集装置，富集后进入第一混合室，臭氧经臭氧流路进入第一混合室与空气样品中的no反应后，待测气体进入二氧化氮检测器，经检测计算，获得nox的体积分数；

s3、空气样品经第三空气流路进入第三富集装置，富集后进入第二混合室，no气体经一氧化氮流路进入第二混合室，与空气样品中的o3反应后；待测气体进入二氧化氮检测器，获得ox的体积分数；

s4、根据t时刻与t0时刻的大气中ox、noy、nox的体积分数，得到采样时间内三者的体积分数差值ox(t-t0)，noy(t-t0)和nox(t-t0)，多次检测，获得多个体积分数差值ox(t-t0)，noy(t-t0)和nox(t-t0)，对多个ox(t-t0)和[noy(t-t0)-nox(t-t0)]值进行线性回归，获得线性回归曲线，该曲线的斜率k即为大气总氧化剂生成效率；根据k值能够解析大气中臭氧的来源。

本发明实施例的有益效果：本发明实施例提出的大气氧化性指示因子检测装置能够用于检测大气氧化性指示因子，能够用于总氧化剂来源分析，系统精度高、准确可靠。

附图说明

图1是本发明实施例提出的大气氧化性指示因子检测装置示意图；

图2是本发明实施例提出的大气氧化性指示因子检测装置的控制系统示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。但本领域技术人员知晓，本发明并不局限于附图和以下实施例。

本发明中，符号“ox”代表大气总氧化剂，大气所含多种氧化剂中，o3和no2占绝大多数，因此，本发明采用o3和no2代表大气总氧化剂“ox”，用来表征大气氧化能力。

本发明中，符号“nox”代表no和no2，符号“noz”代表nox的氧化产物，符号“noy”代表nox和noz的集合。

本发明中，大气氧化性指示因子，是指与大气的氧化性相关的参数，包括但不限于总氧化剂生成效率，总氧化剂生成速率，nox、noy、ox、no2等氧化剂在大气中的体积分数。

实施例1大气氧化性指示因子检测装置

参照图1，本实施例提出了一种大气氧化性指示因子检测装置，包括第一空气流路10、第二空气流路20、第三空气流路30、臭氧流路40、一氧化氮流路50、第一混合室60、第二混合室70、二氧化氮检测器90、采样流路s；所述第一空气流路10、第二空气流路20和第三空气流路30用于采集空气样品。

所述第一空气流路10配置有第一富集装置11、催化装置12和第一电控阀13。所述第一富集装置11用于富集空气样品。所述催化装置12用于将空气样品中的noy催化还原为no。

所述第二空气流路20配置有第二富集装置21和第二电控阀22。所述第二富集装置21用于富集空气样品。

所述臭氧流路40配置有臭氧供给装置41、第一流量控制器42和第四电控阀43。所述臭氧供给装置41，例如为臭氧发生器，用于供给臭氧。

所述第一空气流路10、第二空气流路20和臭氧流路40分别与第一混合室60连通，所述第一混合室60用作所述第一空气流路10与臭氧流路40供给的臭氧的反应室，或者，所述第二空气流路20的流出气体与臭氧流路40供给的臭氧的反应室。

所述第三空气流路30配置有第三富集装置31和第三电控阀32。所述第三富集装置31用于富集空气样品。

所述一氧化氮流路50配置有一氧化氮供给装置51、第二流量控制器52和第五电控阀53。所述一氧化氮供给装置51，例如为一氧化氮气瓶或其他能够产生一氧化氮的装置，用于供给过量的一氧化氮气体与臭氧反应。

所述第三空气流路30和一氧化氮流路50分别与第二混合室70连通，所述第二混合室70用作所述第三空气流路30的流出气体与一氧化氮流路50供给的一氧化氮气体的反应室。

所述第一混合室60和第二混合室70经第一三通电控阀t1和检测流路80连通二氧化氮检测器90。在另一个实施方式中，所述检测流路80包括第一检测流路和第二检测流路，所述第一混合室60和第二混合室70也可以分别通过第一检测流路和第二检测流路连通二氧化氮检测器90，在第一检测流路和第二检测流路上分别设置电控阀，以控制流路通断。

所述采样流路s配置有第三流量控制器91和采样装置92，用于采集空气样品，将待测气体送入所述二氧化氮检测器90，所述待测气体是指进入二氧化氮检测器90的气体，例如为空气样品或空气样品经反应后得到的混合气体。所述采样装置92，例如为采样泵，用于采集空气样品。所述二氧化氮检测器90，例如为离子色谱仪或光腔衰荡光谱仪。

所述第一富集装置11、第二富集装置21和第三富集装置31例如为石英材料制成的富集腔，富集腔的内径大于流路的管径。由此，能够加大进样量，流路中的管路收窄后，空气样品迅速通过管路；由于富集腔的内径大于流路的管径，空气中的水蒸气遇冷凝结后，沉积在富集腔内，从而能够排除水汽干扰；采用石英材料制成的富集腔为透明富集腔，方便观察，并且检测大气中ox的体积分数时，由于富集腔透明，在富集腔内能够接受光照，能够测量实际大气光环境下的ox体积分数。

优选的，所述第二空气流路20还与所述第二混合室70连通，例如，第二空气流路20通过第二三通电控阀t2(第二电控阀22替换为第二三通电控阀t2，从而增加第二空气流路与第二混合室70的流路支路)分别与第一混合室60和第二混合室70连通，或者，通过第六电控阀与第二混合室70连通；从而第二空气流路20中的空气样品可以根据分析需要选择进入第一混合室60或第二混合室70；所述第二富集装置21设置有可拆卸的第一遮光部件，第三富集装置31设置有可拆卸的第二遮光部件，所述第一遮光部件和第二遮光部件能够分别使第二富集装置21和第三富集装置31处于暗室状态，不被光照射。可拆卸的第一遮光部件、第二遮光部件可以根据需要安装或卸载。当安装第一遮光部件或第二遮光部件时，样品空气不受光的影响进一步发生光化学反应。

优选的，所述各电控阀为电磁阀。

优选的，所述大气氧化性指示因子检测装置还包括控制器，参照图2所示的控制系统示意图，所述控制器用于控制采样装置的启闭、臭氧供给装置的启闭、一氧化氮供给装置的启闭、催化装置的启闭和催化温度、二氧化氮检测器的启闭、各电控阀和各流量控制器。从而控制空气样品的采集、臭氧和一氧化氮供给、催化装置的启闭和催化温度、空气样品的处理、待测气体的检测和数据处理等。由此，该检测装置实现自动控制，能够根据分析需要，检测与大气氧化性有关的多个不同参数(具体说明如下)。

本实施例的大气氧化性指示因子检测装置的多个流路与第一混合室、第二混合室及二氧化氮检测仪组合，能够用于多种大气氧化性指示因子的检测，包括但不限于大气中noy的体积分数、ox的体积分数和nox的体积分数等大气氧化性指示因子，经数据处理，还能够获得大气总氧化剂生成速率、大气总氧化剂生成效率等大气氧化性指示因子。

第一空气流路10能够用于检测大气中noy的体积分数，空气样品经第一富集装置11富集，再进入催化装置12，空气中的noy被催化还原转化为no后进入第一混合室60，与外加过量o3在第一混合室60中完全反应，生成no2，再利用二氧化氮检测器检测no2，经数据处理，得到大气中noy的体积分数。

同理，第二空气流路20能够用于检测大气中nox的体积分数，第三空气流路30能够用于检测大气中ox的体积分数。

根据空气中ox的体积分数，通过计算，能够获得大气总氧化剂生成速率dox/dt，时间分辨率最小可达2s。

根据t时刻与t0时刻的大气中ox、noy、nox的体积分数，得到采样时间内ox(t-t0)，noy(t-t0)和nox(t-t0)的体积分数差值(t0时刻为采样起始时间，t时刻为采样结束时间，下同)，时间分辨率最小为分钟，多次检测，获得多个ox(t-t0)，noy(t-t0)和nox(t-t0)的体积分数差值，对多个ox(t-t0)值和[noy(t-t0)-nox(t-t0)]值进行线性回归，获得线性回归曲线，该曲线的斜率即为大气总氧化剂生成效率。

利用优选方式中，并联的第二空气流路20、第三空气流路30和一氧化氮流路50及第一遮光部件或第二遮光部件，能够实现检测不同地区的空气在同一光照条件下的大气总氧化剂生成速率dox/dt，能够对比不同地区的空气氧化性状况。具体的，将采集得到的目标地区两份空气样品分别进入第二空气流路20和第三空气流路30，其中一个富集装置被遮光部件遮光，该富集装置内的空气样品不发生光化学反应，预设时间后，经检测获得目标地区的大气总氧化剂生成速率dox/dt，另一流路富集装置中的空气样品经实际光照继续发生光化学反应，经同样预设时间后，检测空气样品，获得目标的大气总氧化剂生成速率dox/dt；两个流路dox/dt的差值为目标地区的臭氧产生率，多个地区dox/dt的对比能够研究区域大气氧化能力的强弱。

下面，本发明通过以下实施例，具体说明如何利用本实施例的大气氧化性指示因子检测装置检测大气氧化性指示因子。

实施例2大气总氧化剂生成速率检测方法

本实施例提出一种大气总氧化剂生成速率检测方法，采用上述实施例1的大气氧化性指示因子检测装置，包括以下步骤：

控制器控制检测装置进入大气总氧化剂生成速率检测状态；

经第三空气流路30采集空气样品，空气样品沿第三空气流路30进入第三富集装置31，富集空气样品，进入第二混合室70；

过量no气体经一氧化氮流路进入第二混合室70，与空气样品中的o3反应，生成no2；

反应得到的待测气体进入二氧化氮检测器90，获得no2的体积分数，即，大气中ox的体积分数，经计算，能够实时获得大气总氧化剂生成速率dox/dt。时间分辨率最小为2s。

利用上述检测装置检测大气总氧化剂生成速率的具体工作方式如下：控制器发出检测大气总氧化剂生成速率的控制指令，检测装置进入大气总氧化剂生成速率检测状态；第三电控阀32打开，第一三通电控阀t1调节为总氧化剂生成速率检测通路；采样泵启动，第三流量控制器91开始运行，采样泵持续运行，空气样品沿第三空气流路30由第三富集装置31富集之后进入第二混合室70；第五电控阀53打开，第二流量控制器52控制no气体流量，no气体进入第二混合室70与空气样品中的o3反应，生成no2；样品自第二混合室70进入二氧化氮检测器90，获得no2的体积分数，即，ox的体积分数，通过计算，实时获得大气总氧化剂生成速率dox/dt，时间分辨率最小为2s。

实施例3大气总氧化剂生成效率检测方法

本实施例提出一种大气总氧化剂生成效率检测方法，采用上述实施例1的大气氧化性指示因子检测装置，包括以下步骤：

控制器控制检测装置进入大气总氧化剂生成效率检测状态；

经第一空气流路10采集空气样品，空气样品进入第一富集装置11，富集后，进入催化装置12，空气样品中的noy被催化还原为no后，样品进入第一混合室60，臭氧供给装置经臭氧流路40向第一混合室60供给过量臭氧，臭氧与气体中的no反应，得到no2，进入二氧化氮检测器90；过量no气体经一氧化氮流路50进入第二混合室70，与空气样品中的o3反应，生成no2，进入二氧化氮检测器90；经检测计算，获得大气中noy的体积分数。

经第二空气流路20采集空气样品，空气样品进入第二富集装置21，富集后进入第一混合室60，臭氧供给装置41经臭氧流路40向第一混合室60供给过量臭氧，臭氧与空气样品中的no转化为no2，再进入二氧化氮检测器90，经检测计算，获得nox的体积分数。

经第三空气流路30采集空气样品，空气样品进入第三富集装置31，富集后进入第二混合室；过量no气体经一氧化氮流路50进入第二混合室70，与空气样品中的o3反应，生成no2；反应后待测气体进入二氧化氮检测器90，获得no2的体积分数，即大气中ox的体积分数。

分别检测t时刻与t0时刻的大气中ox、noy、nox的体积分数，得到采样时间内三者的体积分数差值ox(t-t0)，noy(t-t0)和nox(t-t0)，多次检测，获得多个体积分数差值ox(t-t0)，noy(t-t0)和nox(t-t0)，对多个ox(t-t0)和[noy(t-t0)-nox(t-t0)]值进行线性回归，获得线性回归曲线，该曲线的斜率k即为大气总氧化剂生成效率；当k>8时，nox主导大气中臭氧的产生；当k<8时，vocs(挥发性有机物)主导大气中臭氧的产生，时间分辨率最小为分钟。

检测装置的工作方式与实施例2相似，不再赘述。

结合上述实施例，对本发明的技术效果说明如下：

本发明实施例的大气氧化性指示因子检测装置为一体化检测系统，能够实现在线或离线检测，其采用控制器生成并发送工控指令，对富集空气、流路开关或切换、流量控制器的精确控制、空气样品的采集和分析等进行统一控制，能够根据需要检测不同的大气氧化性指示因子，并能够对大气中臭氧的来源进行解析。

本发明实施例大气氧化性指示因子检测装置，能够原位评估不同时间段大气总氧化剂生成速率并进行臭氧前体物敏感性分析，获得ox、nox和noy的长期同步观测有效数据，适用于研究复合型大气污染等突出环境问题，也适用于实施多种大气污染物综合控制和深化光化学污染控制，也为获取验证模型的实测数据和参数提供了有效的解决方案。

本发明实施例的大气氧化性指示因子检测装置，各流路通过电控阀切换，实现了由一个二氧化氮检测器同时检测ox、nox和noy体积分数，能够兼顾系统标定。通过控制电控阀不同状态的组合，能够分别获取大气总氧化剂生成效率和大气总氧化剂生成效率，能够在大气氧化性指示因子分析和系统标定间转换，为精确测量和数据质量提供了可靠保证。

本发明实施例的大气氧化性指示因子检测装置，系统精度高、准确可靠，能够降低观测人员的劳动强度和工作量。

以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。