一种超低浓度氨气含量的在线检测方法及装置与流程

本发明属于环境监测、工业检测、室内检测、空气监测技术领域，涉及气态污染物在线检测技术，尤其涉及一种超低浓度氨气含量的在线检测方法及装置。

背景技术：

近年来，气态污染物的检测和控制需求日益增加，其中氨(nh3)是危害人类健康和造成严重环境问题的最常见污染物之一。氨气的来源十分广泛，主要有畜禽养殖业、化工行业、农田化肥施用、物质燃烧、人体排放、废物处理及机动车尾气排放。据相关报道，慢性肺病与吸入氨有关。氨气发生氨沉降会引起水体富营养化和土壤酸化，导致森林水土流失和生物多样性减少，危害生态系统。作为大气中含量最丰富的碱性气体，氨气既易与水形成铵根离子(nh4⁺)，又可与so2，nox(no+no2)等致酸前体物反应生成二次气溶胶，对颗粒物的产生有显著影响。在过去的几十年里，so2和nox的排放已经得到一定的控制，但nh3排放的减少量要少于so2和nox。因此，不论是环境保护，还是工业及农业排放管理，氨气的准确测量，对公共健康及环境保护至关重要。

目前，常见的氨气的检测方法有差分光谱法、离子色谱法、气敏电极法和化学显色法。差分光谱法具有较高的时间分辨率而且可进行无接触测量，但其造价高、体积大、维修困难、灵敏度低等特性也限制了其在氨气测定方面的运用；离子色谱法溶液配制简单、灵敏度高，但存在时间分辨率高、体积大的限制；气敏电极法依靠特殊材料对氨气的响应完成检测，具有体积小、测量范围大的优点，但对氨气的检出限过高，不利于超低浓度氨气的测量；化学显色法因其成本低、运行简便且灵敏度高的优点，虽未成为氨气检测的常用方法，但具有很好的应用前景。化学显色法主要包括纳氏试剂分光光度法和水杨酸分光光度法。其中纳氏试剂分光光度法由于试剂中汞的含量较高，测试过程中易对人体及环境造成较大危害，而且其显色产物为不溶性沉淀，容易造成设备吸附与管路堵塞，不利于进行在氨气线检测。水杨酸分光光度法是空气中氨气检测的国家标准方法，此方法所需药品浓度较低，对环境污染小，配制简单，而且具有较低的检出限。标准方法《环境空气氨的测定次氯酸钠-水杨酸分光光度法》(hj534-2009)中，吸收液总体积为10ml，采样体积为25l时，氨的检出限为0.004mg/m³(5.3ppb)。

专利《一种氨气在线快速检测传感器的制备方法及其应用》将能够与氨气反应产出颜色变化的指示剂，固载到基质上制备得到可用于现场快速检测的传感器。通过检测指示剂颜色变化达到定量测定氨气浓度的目的。但其检出限为10ppm，无法进行较低浓度氨气的检测。

专利《一种高温便携式长光程氨气紫外光谱检测方法》利用紫外光的多次反射进行长光程光谱检测，减小了仪器体积并且构造较为简单，但检出限同样较高。

专利《一种用于环境监测氨气排放的气体敏感材料及制备方法》和《一种基于zno/sio2纳米结构的无源无线声表面波氨气传感器》中采用气敏电极法进行快速检测，克服了现有氨气的检测存在易受环境温湿度影响、长期稳定性较差和选择性差等缺点。但仍存在易受其它气体干扰、检出限较高的不足。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种超低浓度氨气含量的在线检测方法及装置，基于气体扩散吸收捕集的湿化学法和吸收光谱检测技术，实现对氨气含量进行超低检出限的实时在线检测，可应用于多种环境(常规大气、室内空气、污染源等)现场在线连续检测气体中的氨气浓度。

本发明的原理是：采用结合湿化学法和光谱法进行超低浓度氨气的在线检测，为氨气在线测量提供一种新型测量技术。氨气捕集过程中，待测气体在真空隔膜泵的作用下通过螺旋管捕集阱，与捕集阱中的吸收液充分接触，待测气体中氨气组分被吸收于吸收液中得到含有铵离子的待测溶液。在亚硝基铁氰化钠存在下，铵离子、水杨酸和次氯酸钠反应生成蓝色络合物靛酚蓝，在波长697nm处具有最强吸光度。经衍生化反应的液相待测样品进入全反射长光程在线流通池，根据朗伯比尔定律，在波长为697nm的特殊光源照射和一定的吸收层厚度下，待测组分的浓度大小与其吸光度成正比。根据吸光度即可实现待测气体中氨气含量的在线检测。本发明还提供了利用湿式气体扩散捕集原理和长光程在线流通池技术的氨气在线检测装置，采用电磁驱动微量泵及恒流蠕动泵，对微量溶液进行精准控制，并减少日常维护，实现超低至中高浓度氨气的快速、在线和连续测量。

本发明提供的技术方案是：

一种超低浓度氨气含量的在线检测方法，包括：

a.溶液配制：包括吸收液、第一显色液、第二显色液；

配制水杨酸-酒石酸钾钠溶液作为吸收液：称取10g水杨酸，10g酒石酸钾钠溶于纯水，加入30g氢氧化钠定容至10l配置成吸收液，混合均匀；

配制次氯酸钠溶液作为第一显色液：根据购买的次氯酸钠溶液实际浓度浓度配制5l有效氯为22mg/l，游离碱190mg/l的第一显色液，若原液稀释后游离碱浓度不足，则加入氢氧化钠来补充；

配制亚硝基铁氰化钠溶液为第二显色液：称取1.0g二水合亚硝基铁氰化钠溶于纯水，定容至10l配制成第二显色液。连续不间断的工作时，以上溶液的使用能够维持12天。

b)测量过程：测量过程包括氨气的捕集过程、反应过程和检测过程。

b1)捕集过程：采用螺旋管捕集阱作为气态污染物捕集阱，以水杨酸-酒石酸钾钠溶液作为吸收液，将待测样气中的氨转化为液相待测样品。捕集过程中，待测气体在真空隔膜泵的作用下通过螺旋管捕集阱，吸收液也从同一端进入螺旋管捕集阱，吸收液依靠液体张力在管壁形成液膜。由于在螺旋管捕集阱中气液界面增大，待测气体中氨气组分在界面间扩散、传质，与吸收液充分接触被吸收。然后在螺旋管捕集阱的另一端实现气液分离，完成氨气的捕集。同时，通过恒温水浴控制螺旋捕集阱的温度，确保捕集阱对氨气捕集效率的稳定。

b2)反应过程：使用次氯酸钠作为氨的第一显色液，亚硝基铁氰化钠作为氨的第二显色液，在反应池中进行显色反应。在亚硝基铁氰化钠存在下，铵溶液(液相待测样品)、水杨酸和次氯酸钠反应生成蓝色络合物靛酚蓝，在波长697nm处的吸收最强。反应池配有恒温模块，温度可以调控。为获得较好的测量稳定性和检出限，上述衍生化反应需在特定温度下进行。同时反应池需要避光设计，防止光照影响反应稳定性。

b3)检测过程：采用适当的全反射长光程在线流通池作为检测池，提高检测灵敏度和检测限。经上述衍生化反应生成的蓝色络合物被连续自动输送到全反射长光程在线流通池，697nm光源产生的光进入流通池被待测蓝色络合物靛酚蓝吸收之后从流通池光路出口被光电探测器检出。本发明采用697nm的单一波长光源，通过选择不同光程的全反射长光程在线流通池可以获得不同的测量范围。光源和光电探测器配有恒温模块，温度可控。检测过程的温度恒定，确保光信号强度检测的稳定性。另外，全反射长光程在线流通池前端引入除气泡功能，避免气泡对后端光学检测的干扰。

c)标零过程：将氮气作为零气通入螺旋管捕集阱，经测量过程中的反应过程和检测过程得到的光信号强度即为零点的光信号强度。

d)标定过程：每次更换步骤a)配制的溶液后需进行标定过程。

标定过程中，首先将氮气作为零气通入螺旋管捕集阱进行标零过程，获得零点的光信号强度；再将实验室制备的梯度浓度的铵离子标准溶液代替吸收液，对零气进行测量过程中的反应过程和检测过程，得到铵标准溶液光信号强度。

e)氨气含量计算：计算得到朗伯比尔定律中的系数k；再根据待测气体样本的光信号强度，计算得到该样本中捕集到的铵离子的含量，即液相铵浓度；

利用标定过程中得到铵标准溶液光信号强度和零点光信号强度，根据朗伯比尔定律，铵的浓度大小与吸光度成正比，吸光度与浓度关系如下：

a＝kc式2

式中，a为吸光度，i0为标零过程得到的零点光信号强度，i为测量得到的铵标准溶液光信号强度，k为系数，c为铵离子的浓度。根据式1和式2，根据测量得到的i0，i，和已知相应的c(铵离子标准溶液中铵离子的浓度)，计算得到系数k。

利用得到的系数k，可以根据测量得到的某气体样本的光信号强度，利用式1和式2计算得到该样本中捕集到的铵离子的含量，即液相铵浓度。

另外，将液相铵浓度换算为气相氨气浓度，即为待测气体氨气浓度，换算方法如下：

式中，p为大气压(101kpa),为氨气的摩尔质量(g/mol)，r为8.314pa·m³·mol^-1·k^-1，t为捕集模块中螺旋管捕集阱中的温度(单位为k)，fl为液体流速，fg为气体流量，γ为螺旋管捕集阱对氨气的捕集效率。

捕集效率γ采用多管串联吸收法进行测试计算。具体实施时，将3个螺旋管捕集阱串联起来，在所需捕集条件下对样气进行检测，分别测定各螺旋管捕集阱的吸收液吸收的铵离子含量为ci(i＝1，2，3)，则第1级吸收管的吸收效率γ1为：

基于上述超低浓度氨气含量的在线检测方法，本发明还提供一种超低浓度氨气含量的在线检测装置，包括机箱、捕集模块、反应模块、检测模块、溶液输送模块、控制与数据采集电路。其中，捕集模块、反应模块、检测模块、溶液输送模块、控制与数据采集电路均集成于机箱内，控制与数据采集电路的显示屏内嵌在机箱上。

所述捕集模块包括电磁单向阀、螺旋管捕集阱、冷凝装置、气液分离装置、流量控制装置和真空隔膜泵。所述反应模块包括第二、第三混合三通、反应釜和除气泡装置。溶液输送模块包括五通道蠕动泵、第一混合三通、第一微量蠕动泵、第二微量蠕动泵和电磁驱动微量泵。捕集模块的螺旋管捕集阱的后端溶液连接反应模块的第三混合三通，再经过溶液输送模块的五通道蠕动泵，与反应模块的反应釜连接；所述检测模块包括微孔过滤膜、全反射长光程在线流通池、光源、光电探测器以及恒温箱。反应釜连接到除气泡装置，除气泡装置与溶液输送模块的五通道蠕动泵连接，再接入微孔过滤膜，之后进入检测模块的全反射长光程在线流通池；溶液输送模块的五通道蠕动泵的第一通道将吸收液与捕集模块相连，蠕动泵第二通道将第一显色液与反应模块的第二混合三通相连，蠕动泵第三通道将第二显色液与反应模块的第三混合三通相连，蠕动泵第四通道将第三混合三通与反应釜相连，蠕动泵第五通道将反应模块的除气泡装置与检测模块的微孔过滤膜相连。电磁驱动微量泵将铵标准溶液与第一混合三通相连，第一微量蠕动泵与捕集模块中的气液分离装置后端相连。第二微量蠕动泵将清洗液与检测模块的长光程流通池前端三通相连。

所述控制与数据采集电路包括开关电源、主电路、控制电路、信号接口、显示屏等。通过主电路板对各模块温度进行控制、对溶液输送模块进行流量控制，并采集和输出各模块温度信息和检测信号，信号数据从usb端口输出。各模块温度、流量、检测信号及样气氨气含量于显示屏上显示。捕集模块用于对待测气体的氨气进行捕集，将待测气体中的氨气转化为液相待测样品，即含有铵根离子的溶液；反应模块用于对液相待测样品进行染色，使含有铵的液相待测样品在恒定温度下与水杨酸和次氯酸钠生衍生化反应生成蓝色待测样品靛酚蓝；检测模块用于检测光信号强度；光信号强度通过控制与数据采集电路转化输出为电压信号数据进行存储，并在显示屏上显示。溶液输送模块用于精确配送吸收液、衍生液和待测组分，并输送标准溶液、清洗溶液和排出废液。

针对上述超低浓度氨气含量的在线检测装置，进一步地：

所述机箱采用铝制材料，整体采用聚四氟涂层进行喷涂加工，以防酸性溶液腐蚀。机箱设显示屏窗口，正面机箱设计为可打开露出可操作窗口，其中所述可操作窗口中放置微量泵、蠕动泵、螺旋管捕集阱以及微孔过滤膜，以便日常维护及测量过程的观察。

所述捕集模块中，使用真空隔膜泵抽取气体样品，通入螺旋管捕集阱中，同时采用1/16”的四氟管将水杨酸-酒石酸钾钠溶液作为氨气吸收液通入螺旋管捕集阱。螺旋管捕集阱一端(左端)是气体和液体的入口，另一端(右端)通入气液分离装置，螺旋管用硬质玻璃管包覆，以增强结构和提供水浴夹层。同时，水浴夹层为捕集阱提供恒温水浴。捕集阱恒温单元保障了待测组分在恒定温度下被捕捉，避免温度变化导致的样品捕集效率波动。所述冷凝装置包括循环水泵、制冷片、小型水箱、风扇、散热片和温度传感器，并通过硅胶管将水泵、水箱与螺旋管捕集阱外部冷凝水相连。

所述反应模块中，第一显色液、第二显色液与吸收氨气的待测溶液同时通过混合三通(聚四氟三通)进入反应釜中，在恒温条件下发生衍生化反应生成蓝色物质靛酚蓝。由于该反应在室温下反应较缓慢，所述反应釜具体采用四氟管盘绕在导热金属圆柱体上制成，内置的加热棒和温度传感器将反应釜温度控制于恒定温度以加速衍生化反应，除泡功能避免了气泡对检测的干扰。

所述检测模块中，全反射长光程在线流通池的核心包括凸透镜、光路液路切入交汇端口、全反射石英毛细柱、光路液路切出分叉端口、恒温等模块。光经过凸透镜后进入光路液路切入交汇端口，使光路与液路混合；为减少死体积及加快测量响应时间，流通池采用全反射石英毛细柱，长度可在0.1～1.5米之间进行择优选择，通过选择不同长度的毛细柱可以获得不同的测量范围。最后光路和液路均经光路液路切出分叉端口流出。为了避免光源发热量较大且频谱随温度波动比较明显，所述光源采用稳定的led冷白光源。根据led的频段特征，选取波长为697nm。所述除气泡装置为微型的除气泡装置，采用玻璃材质。温度不仅影响气体和液体的流速，温度的波动还可能使吸收液中气泡逸出，是数据失效的主要原因，此外，温度造成溶液折射率变化会扰动光的吸收。为了确保光谱吸收及染色反应的稳定性，所述光源和光电探测器置于大容量铝制恒温箱以保持检测单元的温度稳定性，所述恒温箱中内置加热片和温度传感器，温度控制精度在±0.1度。

所述溶液输送模块中五通道恒流蠕动泵用于精确配送吸收液、衍生液和待测组分。电磁驱动微量泵用于精确配送含铵标准溶液，两个微量蠕动泵则分别用于输送清洗溶液和排出废液。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供一种超低浓度氨气含量的在线检测方法及装置，基于气体扩散吸收捕集的湿化学法和吸收光谱检测技术，此技术具有超低检出限，成本低廉，可实现对超低浓度氨气含量进行实时在线检测，可在多种领域进行现场在线连续检测超低浓度氨气含量。

本发明是一种结合湿化学法和光谱法的超低浓度氨气在线检测技术，为环境空气、工业排放、室内空气等多种领域的氨气在线测量提供一种新型测量技术手段。与现有技术相比，本发明的技术优势主要体现为如下几方面：

(一)成本较低，体积小，仅需0.5m²左右的占地面积，结构较简单易于维护。

(二)将湿化学法的反应方法和吸收光谱的检测技术相结合，灵敏度、时间分辨率高于传统湿化学法，检出限低于紫外光谱法和传感器法。

(三)测量范围广，可通过改变反应温度、反应时间来控制反应进程，控制吸光度响应获得不同的测量范围，适合于多种场合(环境空气、室内空气、工业排放等)氨气的检测。

(四)捕集效率高，利用湿式气体扩散补集技术，采用螺旋管作为氨气捕集阱，补集效率高，体积小，结构简单。

(五)灵敏度高，通过使用长光程在线流通池可将溶液吸光度放大，捕捉到极小的浓度变化，适用于超低浓度的氨气检测

附图说明

图1为本发明实施例提供的超低浓度氨气在线检测装置的外观图；

图2为本发明实施例提供的超低浓度氨气在线检测装置的组成结构图；

图3为本发明实施例提供的超低浓度氨气在线检测装置中螺旋管捕集阱的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的超低浓度氨气在线检测装置中反应釜的结构示意图；

图1～图4中，1—可操作窗口；2—显示屏；3—螺旋管捕集阱；4—气液分离装置；5—气体流量计；6—真空隔膜泵；7，15—微型蠕动泵；8—电磁驱动微量泵；9—除气泡装置；10—反应釜；11—五通道恒流蠕动泵；12—全反射长光程在线流通池；13—led光源；14—光电探测器；16—控制板；17—数据输出装置；18—电磁单向阀；19—温度传感器；20—冷凝水泵；21—散热片；22—螺旋管；23—水浴夹层；24—气液分离器；25—温度传感器；26—加热棒；27—反应釜外壳；28—隔热材料；29—导热金属；30—四氟管。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例进一步描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。

本发明提供一种超低浓度氨气在线检测的在线检测方法及装置，基于气体扩散吸收捕集的湿化学法和吸收光谱检测技术，实现多种领域超低浓度氨气含量进行实时在线检测，可现场在线连续检测超低浓度氨气含量。本发明采用全反射长光程在线流通池，溶液在全反射流通池中多次反射吸收光，根据吸光度即可实现超低浓度氨气含量的在线检测，提高检测灵敏度和检测限。本发明提供利用湿式气体扩散捕集原理和长光程在线流通池技术的超低浓度氨气在线检测装置，采用恒流蠕动泵，对微量溶液配比进行精准控制。

图1为本发明实施例提供的超低浓度氨气在线检测装置的外观图；图2所示为装置的组成结构。利用该装置对超低浓度氨气含量进行在线检测，具体实施如下：称取10g水杨酸，10g酒石酸钾钠溶于纯水，加入30g氢氧化钠定容至10l配置成吸收液，混合均匀；根据购买的次氯酸钠溶液实际浓度配制5l有效氯为22mg/l，游离碱190mg/l的第一显色液，原液稀释后不足的游离碱含量通过加入氢氧化钠来补充；称取0.5g二水合亚硝基铁氰化钠溶于纯水，定容至10l配制成第二显色液。

捕集时，电磁单向阀18关闭，样气直接在真空隔膜泵6的作用下，以0.7l/min的采气流量通过螺旋管捕集阱3，螺旋管捕集阱采用内径2mm的玻璃管，绕制成直径为22mm，圈数为10圈的螺纹状结构(图3所示为本实施例中螺旋管捕集阱的结构)。同时吸收液在五通道恒流蠕动泵11第一通道和气流的同时作用下进入螺旋管中并在管壁形成液膜，氨气组分被吸收转移至液相。通过恒温水浴控制捕集温度在20℃。在此条件下，氨气的补集效率可达99％以上。气流通过气体流量计5和气泵6前需经过气液分离装置4除去气体中水分，以防积液损坏流量计和气泵，废液通过第一微量蠕动泵7排出。

第一显色液和第二显色液分别在五通道恒流蠕动泵11第二通道和第三通道的控制作用下通过小型四氟三通并混合，混合后待测样品在五通道恒流蠕动泵11第四通道作用下进入反应釜10中进行显色反应，反应釜具体采用长度为90cm的1/16四氟管盘绕在导热金属圆柱体上制成，内置的加热棒和温度传感器将反应釜温度控制于50℃的恒定温度以加速衍生化反应，混合溶液流量为1ml/min时，在反应釜内的停留时间月为30s(图4所示为本实施例中反应釜的结构)。进入检测模块前，待测样品通入微型气泡去除装置9，以避免气泡对测量的影响。去除气泡后，五通道恒流蠕动泵11第五通道将待测样品推入全反射长光程在线流通池12中，在697nm的特定光源13下，光电探测器14检出待测样品的光信号强度。检测模块温度恒定控制于35℃。在以上条件下，该方法对氨气的检出限为50ppt，检测范围为0.05-100ppb。

标零时，电磁单向阀18开启从而使零气进入系统。零气在真空隔膜泵6的作用下，通过螺旋管捕集阱3，同时吸收液在五通道恒流蠕动泵11第一通道和气流的同时作用下进入螺旋管中。气流通过依次通过气液分离装置4、气体流量计5和气泵6后排出，废液通过第一微量蠕动泵7排出。第一显色液和第二显色液分别在五通道恒流蠕动泵11第二通道和第三通道的控制作用下通过小型四氟三通并混合，混合后待测样品在五通道恒流蠕动泵11第四通道作用下进入反应釜10中，再通入微型气泡去除装置9后，进入检测模块进行零点标定。液相标定时，相同地，电磁单向阀18开启从而使零气进入系统，五通道恒流蠕动泵第一通道关闭，另设置一系列梯度浓度的铵标准溶液，在电磁驱动微量泵8和气流的同时作用下进入螺旋管中。铵溶液和衍生液通过相同的控制和反应步骤依次进入反应模块和检测模块，最后吸光信号被检出。标零时，反应模块、检测模块和溶液输送模块所有控制与捕集时相同。标定时，反应模块、检测模块所有控制与捕集时相同。

清洗时，气泵6和五通道恒流蠕动泵停止工作，第二微量蠕动泵15开启，配制质量浓度为1mol/l的氢氧化钾溶液作为清洗液，清洗液在第二微量蠕动泵的作用下进入长光程检测池中进行清洗检测池内管路。

需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。