环境空气采集及校准和医用气体制备方法与流程

本发明涉及一种采集环境空气和制备校准气体或医用气体的方法，特别是一种在地表边界层（Planetary Boundary Layer）以上采集环境空气并将其制备成用于检测挥发性有机化合物气体浓度的校准气体或医用气体的方法。

背景技术：

空气污染在亚洲的大部分地区，特别是中国东部地区已经是一个十分严重的问题。一种主要的空气污染源是挥发性有机化合物（VOCs）。这些挥发性有机化合物包括苯、甲苯、二甲苯、甲醛等毒害气体，它们的来源十分广泛。在户外，挥发性有机化合物可来自于燃料燃烧和交通运输产生的工业废气、汽车尾气、光化学污染等。在室内，挥发性有机化合物可来自燃煤和天然气等的燃烧产物、吸烟、采暖和烹调等产生的烟雾，建筑和装饰材料等。挥发性有机化合物不仅可能增加地表的烟雾浓度从而形成阴霾天气，恶化全球气候，同时还严重危害着人类的身体健康，对肝脏、肾脏、大脑和神经系统等都会造成损害。某些挥发性有机化合物甚至还具有极强的致癌性、致畸胎性和致突变性。

为了有效地监督和规范气体排放物，准确地测量前述多种挥发性有机化合物在空气中的浓度是必须的。在某些事故现场，也需要能够对挥发性有机化合物气体的浓度进行现场实时监测。

现有技术中常用的挥发性有机化合物浓度现场检测方法都依赖于校准气体。挥发性有机化合物检测仪就如一件天秤，而校准气体就是天秤的砝码。为了准确地测量样本气体中一种或几种挥发性有机化合物的浓度，需要精确地标定校准气体中相应的一种或几种挥发性有机化合物的浓度。因此，提高样本气体中挥发性有机化合物检测准确度的一个直接途径就是提供尽可能准确标定的校准气体。

在过去的几十年间，尽管不同公司已推出了许多成熟的可供现场分析使用的挥发性有机化合物检测仪，但它们基本上都采用了合成气体作为校准气体。所谓合成气体，是指以纯氮气或者氮气-氧气混合物稀释多种不同的挥发性有机化合物（通常是碳氢化合物）而得到的混合气体。如此得到的合成气体能够获得各种挥发性有机化合物的预定浓度。在大部分情况下，采用这种合成气体在测量准确度方面没有太大问题。然而，由于其“非天然”气体的本质，该合成气体和检测仪中的分离/捕集装置的作用方式不同于天然气体和分离/捕集装置的作用方式。上述作用方式的不同使得在某些情况下，检测仪无法获得准确的分析结果。此外，合成气体也难以准确模拟真实的环境空气，现有技术很难做到在合成气体中提供环境空气中存在的所有类型的挥发性有机化合物。特别是某些类型的温室气体是合成气体难以提供的。

除挥发性有机化合物浓度检测需要校准气体之外，其他的气体检测也需要类似的校准气体（Calibration Gases），或是参考气体标准（Reference Gas Standards）或是可追溯气体标准（Traceable Gas Standards）。这些气体检测例如包括大气检测（atmospheric monitoring）、空气质量检测（air quality monitoring）、工业排放检测（industrial emission monitoring）、车辆排放检测（vehicle emission measuring）、吹气式酒精测试（breathe alcohol testing）、温室气体检测（greenhouse gas monitoring）、臭氧层破坏物质检测（ozone depleting substance monitoring）、氟氯碳化物检测（CFC monitoring）、职安气体检测（occupational safety air monitoring）等。为这些气体检测方法所需的校准气体同样面临上述问题。

类似的情形还出现在医疗领域。诸多医疗设备，例如血液气体分析仪，需要定期校准以确保维持高度可靠和准确性，以为患者提供准确的诊断和适当的治疗。因此，提供高质量的校准气体、参考气体标准或可追溯气体标准也是必须的。此外，住院病人和吸入麻醉等医疗手段也需要大量的医用空气。采用合成气体作为医用空气不仅成本较高，还可能导致未知的风险。而以环境空气作为替代则可降低成本和避免这些风险。

技术实现要素：

本发明为此提出了一种新的制备校准气体或医用气体的方法。不同于传统的合成气体，本发明从环境空气中直接采集“天然”的气体来制备校准气体或医用气体。然而这在过去被认为是难以实施的。因为为了收集环境空气，需要利用压缩机将环境空气压缩到气体收集罐中。如果只是简单地进行压缩操作，则环境空气的收集受到压缩机压缩性能的限制。这使得难以以符合成本效益的方式获得大量的环境空气。此外，环境空气质量在不同的地域存在显著差异，并且在同一地点在不同的时间也存在明显不同，上述时间和地域上的空气质量波动导致收集到的环境空气质量不稳定，特别是气体中挥发性有机化合物的浓度可能过高，使其不适合用作校准气体或医用气体。

而本发明则通过以下技术方案解决了上述问题。

在一个实施例中，本发明提供了一种采集环境空气的方法，包括以下步骤：a. 选择空气采集地点，所述空气采集地点位于地表边界层之上；b. 提供空气收集罐，所述空气收集罐包括罐体、阀门和压力计；c. 提供低温流体供应装置，所述低温流体供应装置提供低温流体以冷却所述空气收集罐；以及d. 提供气密泵，其通过第一空气输送管路连接到所述空气收集罐，以向所述空气收集罐泵送环境空气。

在一个进一步的实施例中，所述方法还包括提供第二输送管路的步骤e，所述第二输送管路的一端连接到所述气密泵，另一端远离所述空气收集罐并向风布置以抽取环境空气。

在一个进一步的实施例中，所述方法还包括在步骤c之前进行空气收集罐清洗步骤f，所述空气收集罐清洗步骤f包括至少一次向空气收集罐泵送环境空气，并放空所述空气收集罐。

在一个进一步的实施例中，所述方法还包括提供加热装置的步骤g，所述加热装置对所述空气收集罐的阀门和压力计进行加热，以避免其结冰或堵塞。

在一个进一步的实施例中，所述方法还包括利用空气采样罐进行环境空气采样的步骤h，所述利用空气采样罐进行环境空气采样的步骤h在整个环境空气采集过程中重复多次。

在一个进一步的实施例中，所述方法还包括在步骤d之后使空气收集罐恢复常温，并从中除去水份的步骤i。

在一个进一步的实施例中，在步骤i之后，所述空气收集罐中的压力大于2000 psig。

在一个进一步的实施例中，所述方法还包括在步骤d之后将空气收集罐中的空气分配至多个具有较低压力的空气存储容器的步骤j。

在一个进一步的实施例中，所述低温流体为液氮。

在一个进一步的实施例中，所述气密泵为金属波纹管压力泵。

本发明还提供了一种制备校准气体的方法，包括以下步骤：根据前述的方法采集环境空气；以及k. 分析采集得的环境空气中多种挥发性有机化合物的浓度，从而获得所述校准气体。

在一个进一步的实施例中，所述校准气体为参考气体标准或可追溯气体标准。

在一个进一步的实施例中，所述方法还包括在步骤k之前分析多个空气采样罐中的空气质量波动的步骤l。

在一个进一步的实施例中，所述方法还包括在步骤k之后向所述校准气体掺杂期望浓度的特定挥发性有机化合物气体的步骤m。

在一个进一步的实施例中，所述特定挥发性有机化合物气体包括1,3-丁二烯。

本发明还提供了一种分析环境空气中挥发性有机化合物浓度的方法，包括以下步骤：根据前述的方法制备校准气体；以及n. 在空气检测仪中使用所述校准气体分析样本空气中的挥发性有机化合物浓度。

本发明还提供了一种制备医用气体的方法，包括以下步骤：根据权利要求1-10中任一项所述的方法采集环境空气；以及o. 过滤所述环境空气。

在一个进一步的实施例中，所述方法还包括向所述环境空气中添加医用组分的步骤p。

在一个进一步的实施例中，所述医用组分包括氧气、二氧化碳、麻醉气体中的一种或多种。

在一个进一步的实施例中，所述方法还包括分析多个空气采样罐中的空气质量波动的步骤q。

本发明还提供了一种气体检测方法，包括以下步骤：根据前述的方法制备校准气体；以及利用所述校准气体进行以下检测的至少一种：大气检测、空气质量检测、工业排放检测、车辆排放检测、吹气式酒精测试、温室气体检测、臭氧层破坏物质检测、氟氯碳化物检测以及职安气体检测。

通过上述技术方案，本发明能够以非常低廉的成本采集到大量可用的环境空气，由这些环境空气进一步制备的校准气体或医用气体克服了传统合成气体可能出现的问题。如此获得的校准气体提高了挥发性有机化合物气体的检测准确度。由这些环境空气制备得到的医用气体则降低了病人的使用风险。

附图说明

为了更好地理解本发明，现结合附图对相关实施例进行说明，其中：

图1示出了根据本发明一个实施例的采集环境空气的装置示意图；

图2示出了图1所示装置的一部分，即金属波纹管压力泵的示意图；

图3示出了根据本发明一个实施例的采集环境空气的方法的流程图；

图4示出了根据本发明的一个实施例的制备校准气体和利用校准气体进行挥发性有机化合物浓度现场分析的方法的流程图。

具体实施方式

本发明将在下文中详细介绍本发明方法的操作步骤和相关设备。但本发明并不意图对这些步骤和设备进行限制。对于本领域技术人员在参考以下描述的各步骤和相关设备之后能够设想出的等同替代方式和设备，也在本发明要求保护的范围之中。

采集原理

现有技术中往往采用压缩机将环境空气泵送入气体收集罐中来实现气体采集。随着气体收集罐中压力的升高，进一步泵送空气变得更加困难。本发明通过将气体收集罐中收集到的空气液化的方法来降低罐内压力，从而大大降低了泵送的难度。

特别是，本发明将气体收集管浸没在低温流体，例如液氮中。该低温流体的蒸发使得气体收集罐中的空气的温度被降至沸点以下从而液化。如此，气体收集罐内的压力基本维持在零左右，使得压力泵可以轻易地将环境空气持续地泵送到气体收集罐中。当泵送完成后，令气体收集罐恢复常温，此时收集的空气蒸发，使得罐内的压力逐渐升高，形成高压空气。

采集场所和时间

本发明所采集的环境空气用于制备校准气体或医用气体，其中校准气体可用于挥发性有机化合物检测仪，而医用空气用于病人呼吸或麻醉等医疗用途。如前所述，这些空气检测仪的表现性能在很大程度上取决于校准气体的品质。因此，本发明对采集空气的质量具有很高的要求。

为确保收集到期望质量的环境空气，本发明首先意识到需要在地表边界层之上进行环境空气的收集。地表边界层即大气最靠近地球表面，受到地面摩擦阻力、温度差异等因素的影响的大气层区域。摩擦阻力来自于各种地表的各种粗糙元，如地表形状、植被、建筑和人类活动等，并由于大气中的湍流而向上传递和逐渐减弱。上述因素使得大气的水平向流速在垂向剖面内不均匀分布，形成较为复杂的流场，使得风速、温度和湿度等都有明显的变化。而且，考虑到地面是挥发性有机化合物的主要来源，地表边界层内的空气往往含有较高浓度的挥发性有机化合物。这使得地表边界层内收集到的环境空气质量不稳定且不适合作为校准气体使用。

在地表边界层之上，大气受地表的影响较小，而主要受到地球自转的影响，因此水平流速成均匀分布，大气成分的日变化较小。此外，大气中挥发性有机化合物的浓度也相对较低。因此地表边界层以上区域是校准气体的理想来源。

地表边界层的厚度约在几百米到一千米之间。在地表摩擦阻力较低的区域，地表边界层的厚度往往较低。因此，往往在郊区甚至更加偏远的地区进行环境空气采集，以能够在较低海拔处即到达地表边界层之上。由于较少的人类活动，郊区的环境空气中挥发性有机化合物的浓度也往往较低。

除场所以外，还应合理选择采集时间。一般选择温度变化较小的时间段进行环境空气采集是优选的。在一个实施例中，选择上午11点到下午4点之间进行环境空气的采集工作。

综上可见，本发明的一个关键之处就是在大气的边界层以上进行环境空气的收集。

设备

在本发明的一个实施例中，空气采集装置1需要配置以下设备，其中部分在图1中示出：

空的气体收集罐10，其用于收集和存储环境空气。在完成收集并气化之后，气体收集罐10中的气体压力可超过2000磅/平方英寸（psig）。因此，气体收集罐10需要具有足够的强度。铝制气体收集罐是一种可用的选择，但其他材料制成的气体收集罐也是可能的。此外，需要尽可能避免环境空气中的组分，特别是挥发性有机化合物与气体收集罐10的内壁发生吸附或化学反应。因此，对气体收集罐10的内表面进行钝化处理是优选的。该气体收集罐10的顶部通常具有气体阀门12和压力计11等结构，其中压力计11能够指示罐内气体压力。

低温流体供给装置20，其用于持续地提供低温流体对气体收集罐10进行冷却。常用的低温流体例如包括液氮。液氮的沸点在-195.79°C，能够有效地将收集在气体收集罐10中的环境空气转化为液体。

加热装置（未示出），其用于避免低温流体附近空气中的水蒸汽受到低温流体的影响而在气体收集罐10的气体阀门12和压力计11等结构上结冰，从而导致堵塞。加热装置可采用任何期望的形式，一个非限制性的实施例是热水循环。

气密泵50，其用于向气体收集罐10中泵送空气。为了收集天然的环境空气，需要避免前述冷却用低温流体蒸发时可能导致的污染。本发明意识到，采用金属波纹管压力泵50能够很好地避免蒸发的低温流体对泵体，进而对在其中泵送的环境空气的污染。图2中示出了金属波纹管压力泵50的构造，其包括输入51和输出52接口，金属波纹管54，和位于它们之间的单向阀53。输入51和输出52接口、单向阀53和金属波纹管54进行气密连接，例如焊接。在工作中，致动装置55使得金属波纹管54舒张和压缩，从而实现抽气和送气动作。金属波纹管压力泵50的一个显著优点就是极好的气密性，这使得挥发的低温流体不会污染泵体以及其中的环境空气。当然，其他能够实现良好气密性的压力泵也是可能的。

气体输送管路，该气体输送管路将气体收集罐10流体连接到金属波纹管压力泵50的出口52，以及从金属波纹管压力泵50的入口51延伸至较远处以采集环境空气。在气体收集罐10和金属波纹管压力泵50的出口52之间的第一气体输送管路41可为常见的软管，例如Teflon管；而从金属波纹管压力泵50的入口51延伸至较远处的第二气体输送管路42，因其需要延伸较远的距离，一般为硬管，例如Dekaron管。该第二气体输送管路42一般迎风布置，以便于采集环境空气。当然，其他类型或材料的管也是可能的。气体输送管路还可包括其它必须的管路，例如将低温流体从低温流体供给装置20输送至气体收集罐10附近对其进行冷却的低温流体管路。

气体采样罐60，其相比于气体收集罐10具有更小的体积。该气体采样罐60包括罐体61、开口62、阀门63和压力计64。气体采样罐60也用于收集环境空气，但其目的并非用于制备校准气体或医用气体，而是用于在实验室中对气体收集罐10中收集到的环境空气的可靠性进行校验。为此需要准备多个气体采样罐60，预先对它们进行抽真空处理。在利用空气收集罐10采集空气的过程中，只需要打开气体采样罐的阀门63，即可使得环境空气因为罐体61内的负压被抽吸到气体采样罐60中。同样，优选对该气体采样罐60的内表面进行钝化处理，以避免挥发性有机化合物吸附于气体采样罐60的内壁或与之发生化学反应。

辅助设备，包括但不限于空气收集罐10的载架容器30等。对于该载架容器30，因为需要向其中加入低温流体（液氮）以冷却空气收集罐10，因此具有良好绝热效果的载架是优选的。一个优选的实施例为泡沫容器。当然，其他合适的绝热容器也是可行的。

环境空气采集

现结合图3在以下的实施例中介绍本发明采集环境空气的方法。本领域技术人员能够明白，并非其中的每个步骤都是必须的。各步骤的描述也并非是限制性的，而能够以其他等效的方式进行操作。

首先，需要根据气象和地理条件选择合适的空气采集地点。该采集地点通常位于郊外具有一定海拔高度之处，以确保能够采集到地表边界层之上的环境空气。

在到达空气采集地点之后，完成设备1的安装。此时进行气体收集罐10的清洗操作。利用金属波纹管压力泵50将一定量的环境空气泵送到气体收集罐10之中，再打开阀门12以放空气体收集罐10，如此反复多次直到气体收集罐10中的原始气体基本被替换为采集地点的环境空气。在另一实施例中，也可考虑准备预先抽真空的气体收集罐10，从而可省去清洗步骤。

随后进行气体收集罐10的冷却操作。将低温流体从其供给装置20导入到承载气体收集罐10的载架容器30中，从而将气体收集罐10中的空气液化。低温流体的水平不应超过载架容器30的深度，以避免低温流体溢流对设备1造成损坏和污染采集到的环境空气。该低温流体被持续充分地供给以确保气体收集罐10中的空气基本被完全液化，或者使气体收集罐10维持显著的负压。低温流体的供给速率可通过观察气体收集罐的压力计11控制。一般来说，该压力计11的读数应该保持在零附近。

接着打开气体收集罐10的阀门12和金属波纹管压力泵50进行环境空气的采集工作。由于低温流体的冷却作用，被金属波纹管压力泵50泵入气体收集罐10的空气很快被液化，这使得气体收集罐10内的压力计11基本保持在零或相对于环境显著负压的水平。在此同时，启用加热装置以避免阀门12和压力计11结冰或堵塞。

整个采集过程将持续一段时间（例如3-5小时）。在此期间，以一定的时间间隔利用多个气体采样罐60多次采集环境空气。对每个气体采样罐60进行标记，以在随后的实验室分析中使用。

在完成气体采集后，关闭气体采集罐10的阀门12。随后从气体采集罐10拆除金属波纹管压力泵50及其其他结构，关闭低温流体供给和加热装置。最后将气体收集罐10从载架容器30中取出，置于常温之下。在此过程中，在气体采集罐10中的液态空气随着温度的上升会逐渐气化，最终气体采集罐中的压力将上升至例如2000 psig或更高的水平。最后，还可能需要将气体采集罐10中残留的水份除去。这例如通过倒置气体采集罐10并短暂地打开阀门12实现。

如此便完成了整个环境空气采集流程。如有需要，可重复上述步骤以采集多个气体采集罐10的环境空气，或者可同步进行多个气体采集罐10的采集工作。

随后，可将气体采集罐10送回实验室进行标定。或者，考虑到气体采集罐10内的较高压力，可首先将其中的压缩气体分配至多个具有较小压力的存储容器中，再进行运输。

校准气体制备

在完成环境空气的采集之后，便进行校准气体或医用气体的制备工作。图4示出了其中一个实施例。

在此之前，一个可选的步骤是对在空气采集过程中收集的多个气体采样罐60中的环境空气样本进行分析，以判断在空气采集过程中环境空气质量的是否发生明显变化。如前所述，地表边界层以上的空气环境一般比较稳定，但由于某些气象或人为条件，地表边界层的高度在日间可能发生变化。若在不同时段获得的采样气体的组分发生明显变化，意味着采集场所在采样当日的某些时段中已处于地表边界层以下。由此，气体采集罐10中收集到的环境空气可能不再适合用于制备校准气体，而只能进行重新采集。

若经分析确定气体采集罐10中收集到的环境空气适合用于制备校准气体，则可对其中多种挥发性有机化合物的浓度进行量化分析，由此获得校准气体。在一个实施例中，需要量化分析的挥发性有机化合物可超过100种。

在某些进一步的实施例中，还人为地向校准气体掺杂某些类型的挥发性有机化合物气体。这是因为，部分挥发性有机化合物气体在大气环境中的寿命非常短暂。例如1,3-丁二烯在大气环境中仅具有几个小时的寿命。这使得尽管在采集时获得了这些挥发性有机化合物气体，但它们在量化分析时已经显著分解。而这些挥发性有机化合物气体对于校准气体来说有时是必须的。为此，在使用校准气体之前，可人为向其掺杂特定的挥发性有机化合物气体以实现期望浓度。进行掺杂的另一个原因是，在郊区的地表边界层之上收集到的环境空气中的某些挥发性有机化合物气体浓度可能过低，这对于检测精度来说也是不利的。如发生此种情形，则需要人为地提高校准气体中该种挥发性有机化合物气体的浓度。

如此获得的校准气体即可在气体检测仪中使用。

采用类似的方法还可制备医用气体。例如可对收集到的环境空气进行过滤处理，再加入特定浓度的氧气、二氧化碳、麻醉气体或其他所需的组分从而制得医用气体。

样本气体现场检测

按前述方法制得的校准气体可随后用于现场分析挥发性有机化合物的浓度。这些方法是本领域技术人员熟知的，在此不详细指出。

以上所述仅是本发明的部分实施方式，故凡依本发明申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，或者对本发明的多个实施例的任意组合，均包括于本发明的范围内。