一种在线检测混合有机气体非均相反应产物的方法及其系统和应用

技术领域

本发明属于大气化学技术领域，具体涉及一种在线检测混合有机气体非均相反应产物的方法及其系统和应用。

背景技术

目前大气中有机物污染对环境的危害显著，大气有机物的存在使得大气能见度降低、大气浑浊度增加，从而光照辐射直线下降，因此对动物和植物的发育都产生了重要影响，而大气有机物在大气环境中参与的反应产生的颗粒物能够凝结水气，导致降水量增大，严重影响气候和环境的变化。同时大气环境中的有机物对人类人体健康能够造成巨大伤害，严重可引发人体畸形生长，出现癌变等危害。

大气有机气体与气溶胶颗粒物之间的非均相反应能够直接影响气态前体物的浓度水平，还会对二次有机气溶胶的生成起到促进作用，会在光照下与大气中的氮氧化物等其他物质发生反应，生成二次有机气溶胶导致光化学污染。大气非均相反应是指大气中气体在颗粒物表面发生的反应过程。有机气体在颗粒物表面的非均相反应过程中，在不同的气溶胶存在的条件下发生的化学机理不同，气溶胶能够影响有机气体在非均相反应中的水合、聚合等反应，产生具有低挥发性、高分子量的产物进入粒子相，从而进一步促进二次有机气溶胶的形成。

现有的有关混合大气有机气体反应产物的检测技术大多数是通过对样品进行一系列复杂的前处理并通过气相色谱质谱仪(GC-MS)等离线仪器进行离线检测，大大增加了实验的难度及数据的误差，所研究的体系往往局限于固有的条件，无法满足对瞬态反应的解析，并且目前对于更为复杂的混合反应体系反应产物的在线检测技术还有所欠缺。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的不足和缺点，本发明首要目的在于提供一种在线检测混合有机气体非均相反应产物的方法。

本发明另一目的在于提供一种实现在线检测混合有机气体非均相反应产物的方法的系统。

本发明的再一目的在于提供上述方法的应用。

本发明上述目的通过以下技术方案予以实现：

1.一种在线检测混合有机气体非均相反应产物的方法，包括如下步骤：

S1.将标准有机气体和载气通入气体混合器中得到混合的有机气体；采用种子气溶胶发生器通过无机盐水溶液喷雾得到种子气溶胶；通过活性物种生成器产生活性物种；

S2.将混合的有机气体、种子气溶胶和活性物种分别通入反应装置中进行反应，得到的气体产物通入过滤装置进行除湿和过滤颗粒物；

S3.过滤后得到的气体通入检测装置在线定性定量检测混合有机气体非均相反应产物，即气体中的有机物、无机物和颗粒物。

优选地，步骤S1中所述的载气为氮气、氦气或氩气中的一种以上，流速为1～10L/min；所述标准有机气体为烃、羰基化合物或胺中的一种以上，流速为50～800mL/min。

更为优选地，所述烃为苯乙烯或/和1,3-丁二烯；羰基化合物为丙酮或/和丙烯醛；胺为三甲胺或/和二乙胺。

优选地，步骤S1中所述的混合的有机气体的浓度为50～1000ppb。

优选地，步骤S1中所述的水溶液中无机盐为硫酸铵或氯化钠，所述无机盐水溶液的浓度为1～50g/L。

优选地，步骤S1中所述的活性物种为臭氧或羟基自由基。

一种实现所述的在线检测混合有机气体非均相反应产物的方法的系统，所述系统由配气装置、反应装置、过滤装置和检测装置组成；所述配气装置、反应装置、过滤装置和检测装置之间通过质量流量计和气路管相连。

进一步地，所述配气装置包括单一有机气体发生器、载气发生器、气体混合器、种子气溶胶发生器和活性物种发生器；反应装置包括烟雾箱和流动管；过滤装置包括除水过滤器和颗粒物过滤器；检测装置包括质子转移飞行时间质谱仪、质子转移质谱仪、气态硫酸化学电离质谱仪，氮氧化物检测器、臭氧检测器、一氧化碳检测器、二氧化碳检测器和检测颗粒物的扫描电迁移率粒径谱仪。

进一步地，所述单一有机气体发生器和载气发生器之间并联连接，然后与气体混合器连接；所述种子气溶胶发生器和活性物种发生器之间并联连接；所述烟雾箱和流动管之间并联连接；所述除水过滤器和颗粒物过滤器之间串联连接。

所述的在线检测混合有机气体非均相反应产物的方法在有机物大气反应领域的应用。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明通过由配气、反应、过滤及检测组合的在线检测系统，形成了一套全面的在线检测方法，具有高效、快速、高灵敏度及全面的特性。克服了以往离线检测存在的复杂前处理过程，实现探究大气中混合有机气体非均相反应机理及产物特征的目的。

2.本发明的方法在大气中混合有机气体非均相反应机理及产物特征检测的应用，解决了现有技术中含混合反应体系底物及产物快速检测的技术缺陷，包含了瞬态、稳态两种不同反应状态下的探究，为探究实际的大气中有机物迁移转化提供科学基础。

附图说明

图1为本发明的在线检测混合有机气体非均相反应产物的方法示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。

实施例1

图1为本发明在线检测混合有机气体非均相反应产物的方法示意图。由图1可知，该在线检测系统由配气装置、反应装置、过滤装置和检测装置组成。其中，配气装置包括单一有机气体发生器、载气发生器、气体混合器、种子气溶胶发生器和活性物种发生器；反应装置包括烟雾箱和流动管；过滤装置包括除水过滤器和颗粒物过滤器；检测装置包括检测有机产物的质子转移飞行时间质谱仪、质子转移质谱仪、气态硫酸化学电离质谱仪，检测无机产物的氮氧化物检测器、臭氧检测器、一氧化碳检测器、二氧化碳检测器以及检测颗粒物的扫描电迁移率粒径谱仪，装置之间通过质量流量计和气路管相连。

1.将单一有机气体发生器产生的苯乙烯标准气体、丙烯醛标准气体和载气发生器产生的氮气通过质量流量计分别以400mL/min、400mL/min和6L/min流速通入气体混合器进行混合，得到苯乙烯和丙烯醛混合有机气体；将10g/L的硫酸铵水溶液通过种子气溶胶发生器雾化成硫酸铵种子气溶胶；利用活性物种发生器产生臭氧；

2.将步骤1得到的苯乙烯和丙烯醛混合有机气体、硫酸铵种子气溶胶和臭氧分别通入烟雾箱中进行非均相反应；

3.将步骤2得到的非均相反应产物通入除水过滤器和颗粒物过滤器以过滤水分和颗粒物；

4.将步骤3过滤后得到的产物分别通过有机物检测器、无机物检测器、颗粒物检测器进行在线检测。

实施例2

1.将单一有机气体发生器产生的苯乙烯标准气体、三甲胺标准气体和载气发生器产生的氮气通过质量流量计分别以50mL/min、800mL/min和10L/min的流速通入气体混合器进行混合，得到苯乙烯和三甲胺混合的有机气体；将1g/L的氯化钠水溶液通过种子气溶胶发生器雾化成氯化钠种子气溶胶；利用活性物种发生器产生臭氧；

2.将步骤1得到的苯乙烯和三甲胺混合的有机气体、氯化钠种子气溶胶和臭氧分别通入烟雾箱中进行非均相反应；

3.将步骤2得到的非均相反应产物通入除水过滤器和颗粒物过滤器以过滤水分和颗粒物；

4.将步骤3过滤后得到的产物在质子转移飞行时间质谱仪中进行定性定量检测，检测到的有机产物包括苯甲醛、苯甲酸、甲醛、酰胺等，产物总浓度约为220ppb；在氮氧化物检测器、臭氧检测器、一氧化碳检测器、二氧化碳检测器中对无机产物进行定量检测，检测到氮氧化物、臭氧、一氧化碳、二氧化碳的浓度分别为10ppb、100ppb、50ppb和100ppb；在扫描电迁移率粒径谱仪中对颗粒物进行定量检测，检测到颗粒物的数浓度、质量浓度和平均粒径分别为2×10

实施例3

1.将单一有机气体发生器产生的丙酮标准气体、1,3-丁二烯标准气体和载气发生器产生的氦气分别通过质量流量计控制以800mL/min、80mL/min和10L/min的流速通入气体混合器进行混合得到丙酮和1,3-丁二烯混合的有机气体；将50g/L的硫酸铵水溶液通过种子气溶胶发生器雾化成硫酸铵种子气溶胶；利用活性物种发生器产生羟基自由基；

2.将步骤1得到的丙酮和1,3-丁二烯混合有机气体、硫酸铵种子气溶胶和羟基自由基分别通入流动管中进行非均相反应；

3.将步骤2得到的非均相反应产物通入除水过滤器和颗粒物过滤器以过滤水分和颗粒物；

4.将步骤3过滤后得到的产物在质子转移质谱仪中进行定性定量检测，检测到的有机产物包括三甲基苯、甲醛和丙烯醛等，产物总浓度约为300ppb；在臭氧检测器、一氧化碳检测器、二氧化碳检测器中对无机产物进行定量检测，检测到臭氧、一氧化碳、二氧化碳的浓度分别为200ppb、60ppb和90ppb；在扫描电迁移率粒径谱仪中对颗粒物进行定量检测，检测到颗粒物的数浓度、质量浓度和平均粒径分别为6×10

实施例4

1.将单一有机气体发生器产生的丙烯醛标准气体、二乙胺标准气体和载气发生器产生的氩气分别通过质量流量计控制以800mL/min、800mL/min、1L/min的流速通入气体混合器进行混合得到丙烯醛和二乙胺混合的有机气体；将10g/L的氯化钠水溶液通过种子气溶胶发生器雾化成氯化钠种子气溶胶；利用活性物种发生器产生羟基自由基；

2.将步骤1得到的丙烯醛和二乙胺混合有机气体、氯化钠种子气溶胶和羟基自由基分别通入流动管中进行非均相反应；

3.将步骤2得到的非均相反应产物通入除水过滤器和颗粒物过滤器以过滤水分和颗粒物；

4.将步骤3过滤后得到的产物在在气态硫酸化学电离质谱仪中进行定性定量检测，气态硫酸化学电离质谱仪选用H

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。