一种用于痕量有机污染物在线检测的色谱柱直接进样系统

技术领域

本发明涉及环保在线检测技术领域，尤其涉及一种用于痕量有机污染物在线检测的色谱柱直接进样系统。

背景技术

随着我国在垃圾焚烧、钢铁冶金、水泥、再生有色金属等热处理领域的发展，二噁英等微痕量有机污染物的排放备受关注。尤其在解决我国的垃圾困境和大力推广垃圾清洁焚烧过程中，持久性痕量有机污染物二噁英排放问题更是成为社会关注的热点。二噁英等微痕量有机污染物控制的关键为通过在线检测技术及时准确掌握排放浓度，进而科学评价技术改造减排效果，快速优化燃烧减少污染物生成，科学监督焚烧厂运行状况。

目前二噁英等微痕量有机污染物的监测以离线检测为主。以垃圾焚烧行业为例，现有的离线检测技术HJ77.2-2008存在检测频率低(一年检测四次)、检测耗时长(检测周期＞1月)、检测费用高(样品单格＞1万)等问题。新兴的二噁英长期采样检测技术连续采样一个月以上仅反映该时间段内二噁英排放的平均值，以上离线方法均不能实时反映焚烧炉日常运行过程的二噁英排放，无法实现对垃圾焚烧炉进行快速有效的运行工况调控。

随着有机物检测的分析仪器技术的进步，焚烧烟气中二噁英类痕量有机污染物的在线检测技术逐步出现并进入实际焚烧炉应用尝试，激光电离联合飞行时间质谱检测技术近年来在痕量有机污染在线检测方面展现出巨大发展潜力。飞行时间质谱进样系统作为在线检测技术的重要组成部分，其主要作用将气相色谱分离后的样品，无损高效的传输进入飞行时间质谱，直接影响检测仪器的精度。

目前的在线检测技术中的飞行时间质谱进样系统采用脉冲阀进样，其优点是通过脉冲阀实现超音速射流进样，实现分子的绝热膨胀，降低分子内能，使大部分物质处于基态，提高被测物的电离效率。但依然存在一些问题：(1)脉冲阀内部死体积大，样品残留，影响出峰；(2)脉冲阀需定期清洗维护，更换内部耗材，加大在线检测系统的运维工作；(3)脉冲阀及其控制器成本高昂；(4)脉冲阀无法耐受高温(＞100℃)，痕量有机污染物中的高沸点物质易冷凝吸附。

发明内容

为了解决以上至少一个技术问题，本发明的目的在于提供一种用于痕量有机污染物在线检测的色谱柱直接进样系统。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种用于痕量有机污染物在线检测的色谱柱直接进样系统，包括色谱柱、保护套管、连接件、接头组、法兰底座、法兰喷嘴和加热机构；所述色谱柱包括传输段和出射段，出射段的末尾为尖嘴型，尖嘴型内径缩小，用于实现样品的超音速射流进样；所述保护套管包覆于传输段的外表面，防止色谱柱变形；所述连接件，设置于保护套管的末端；所述接头组的第一端与连接件连接，第二端与法兰底座的一侧连接；所述法兰喷嘴，设置于法兰底座的另一侧；所述色谱柱的出射段穿过接头组向法兰喷嘴的方向延伸直至法兰喷嘴的出射口；所述加热机构设置于色谱柱的周侧，对色谱柱进行加热。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明采用色谱柱代替脉冲阀进行超音速射流进样，死体积小，且免去了昂贵的脉冲阀及配套的控制器，降低了系统成本；同时可对色谱柱进行加热，减少了样品残留，无需定期清洗维护。

进一步的，所述接头组包括第一接头、垫圈、第二接头；所述第一接头与第二接头连接形成内部供出射段穿过的通道；所述垫圈为楔形，设置于第一接头与第二接头的相接处。在第一接头和第二接头安装的过程中，对垫圈进行挤压，垫圈尖端产生形变，进行密封的同时对色谱柱进行了固定。

进一步的，所述垫圈采用石墨、四氟乙烯、聚酰亚胺或以上三种材料中至少两种组成的复合物制成。

进一步的，所述加热机构包括第一加热组件和第二加热组件；所述第一加热组件设置于传输段的周侧，对传输段进行加热至第一温度；所述第二加热组件设置于出射段的周侧，对出射段进行加热至第二温度；实现了色谱柱的分段温度控制，其中第一温度防止传输段内样品冷凝残留，第二温度保证色谱柱中样品正常传输的同时，适当降低温度不影响质谱电离区内的激光电离和监测分析。

进一步的，所述第一加热组件包括缠绕于保护套管外表面的加热丝和包覆于加热丝周侧的保温套管。

进一步的，所述保护套管为不锈钢管、黄铜管或铝管，保护色谱柱的同时兼顾良好的导热性能。

进一步的，所述第二加热组件包括环形导热块及嵌射于环形导热块内部的加热棒。

进一步的，所述环形导热块由两个半月形导热块拼接而成，易于拼接安装。

进一步的，所述环形导热块内部嵌射有温度传感器，用于检测环形导热块的实时温度。

进一步的，所述法兰喷嘴的出射口为喇叭口结构，限定样品经色谱柱分离后的物质射流的扩散范围。

附图说明

图1为本发明一实施例的结构示意图。

图2为本发明一实施例的剖视图。

图3为本发明一实施例的爆炸图。

图4为图2中A处局部放大图。

图5为图2中B处局部放大图。

图6为图2中C处局部放大图。

图中：1、色谱柱；2、保护套管；3、连接件；4、接头组；41、第一接头；42、垫圈；43、第二接头；44、O型圈；5、法兰底座；6、法兰喷嘴；61、出射口；7、加热机构；71、第一加热组件；711、加热丝；712、保温套管；72、第二加热组件；721、半月形导热块；722、加热棒；723、第一安装槽；724、温度传感器；725、第二安装槽；726、螺栓；8、质谱电离区腔体。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1和图2，本实施例提供一种用于痕量有机污染物在线检测的色谱柱直接进样系统，包括色谱柱1、保护套管2、连接件3、接头组4、法兰底座5、法兰喷嘴6和加热机构7。

所述色谱柱1包括传输段和出射段；所述色谱柱的传输段与气相色谱连接，出射段位于质谱电离区腔体8内，将样品从气相色谱传输至质谱电离区腔体8内进行激光电离。

色谱柱1的形状为细长毛细管，为熔融石英或惰性不锈钢材质制成，容易受外力变形，影响样品的传输，为了保护色谱柱1的形状不受外力变形，本实施例设置保护套管2包覆于传输段的外表面，防止色谱柱变形、弯折甚至断裂。优选的，所述保护套管2为不锈钢管、黄铜管或铝管，保护色谱柱的同时兼顾良好的导热性能。

所述连接件3，设置于保护套管2的末端，用于固定连接所述保护套管2，连接件3优选内部带有用于安装保护套管2的安装通道的螺母，螺母与接头组4配套，螺母孔内径与保护套管外径匹配，经螺纹固定连接；将保护套管末端插入螺母中，固定于接头组4。

所述接头组4的第一端与连接件3连接，第二端与法兰底座5的一侧连接。请结合图2至图4，所述接头组4包括第一接头41、垫圈42、第二接头43。所述第一接头41与第二接头43连接形成内部供出射段穿过的通道；所述垫圈42为楔形，采用石墨、四氟乙烯、聚酰亚胺或以上三种材料中至少两种组成的复合物制成，设置于第一接头41与第二接头43的相接处。所述第一接头41的内部设置有台阶结构，用于抵住垫圈42的较粗端，垫圈42的较细端穿入第二接头43内部，在第一接头41和第二接头43安装的过程中，对垫圈42进行挤压，垫圈42产生形变，进行密封，防止外界空气进入质谱电离区腔体8内，同时垫圈42的内部对色谱柱进行了固定。值得一提的是，所述保护套管2的末端延伸至垫圈42的较粗端，通过连接件3头部的楔形结构和第一接头41的挤压变形作用加强了对保护套管2的固定。色谱柱1的出射段依次穿过垫圈42、第二接头43后到达法兰喷嘴6处。本实施例中，所述连接件3与第一接头41、第一接头41与第二接头43、第二接头43与法兰底座5皆经螺纹连接。为了进一步防止空气进入，保证系统密封性，在所述第二接头43与法兰底座5连接处设置有O型圈44。

请参照图2和图6，所述法兰喷嘴6，设置于法兰底座5的另一侧，垂直接近电离源。所述色谱柱1的出射段穿过接头组4向法兰喷嘴的方向延伸直至法兰喷嘴6的出射口；所述色谱柱1为尖嘴色谱柱，色谱柱传输段的内径大约0.25mm，尖嘴处内径缩小至小于100μm，具体为出射段的末尾形成尖嘴型，在载气传输分离后的物质至尖嘴处时，形成压力差，使样品达到超音速射流进样的效果，便于电离。优选的，所述法兰喷嘴6的出射口61为喇叭口结构，限定样品经色谱柱分离后的物质射流的扩散范围。

为了防止样品在色谱柱1内传输分离时温度过低导致样品残留，所述加热机构7设置于色谱柱1的周侧，对色谱柱1进行加热。

优选的，本实施例对色谱柱1的传输段和出射段采用分段式加热。具体的，所述加热机构7包括第一加热组件71和第二加热组件72。

请结合图2和图5，所述第一加热组件71设置于传输段的周侧，对传输段进行加热至第一温度，所述第一温度大于等于180℃，优选180℃，保持传输段的高温，防止样品冷凝吸附。具体的，所述第一加热组件71包括缠绕于保护套管2外表面的加热丝711和包覆于加热丝711周侧的保温套管712，所述保温套管712采用发泡硅胶制成，起隔热和保温作用。

所述第二加热组件72设置于出射段的周侧，对出射段进行加热至第二温度，所述第二温度大于等于150℃，优选150℃，保证色谱柱中样品正常传输的同时，又不会因温度过高从而影响质谱电离区内的激光电离和监测分析。

所述第二加热组件72包括环形导热块及嵌射于环形导热块内部的加热棒722。所述环形导热块由两个半月形导热块712拼接而成，易于在安装好色谱柱、保护套管2、连接件3、接头组4后进行拼接安装，若为整体环形导热块，则需穿过完整的数十米长的色谱柱，操作不便。

所述半月形导热块712上开设有第一安装槽723，加热棒722置于所述第一安装槽723内，实现第二加热组件72的加热效果。

为了实现第二加热组件72内的实时温度检测，所述环形导热块内部嵌射有温度传感器724，用于检测环形导热块的实时温度。同理，所述半月形导热块712上开设有第二安装槽725，温度传感器724置于所述第二安装槽725内。值得一提的是，所述半月形导热块712上开设有若干通孔，经螺栓726固定安装于法兰底座5上。

测试运行时，加热丝711加热至180℃，加热棒722加热至150℃，保持色谱柱1的高温，防止冷凝吸附，色谱柱1内径0.25mm，尖嘴处内径缩至0.05mm，流速0.8mL/min。采集50mL的100ppb浓度的1.2.4-三氯苯标气连续测试7组，并与同等条件下使用脉冲阀进样的系统对比，数据如下：

结果表明，采用本实施例的一种用于痕量有机污染物在线检测的色谱柱直接进样系统后，检测信号的强度提升3倍，信号稳定性显著提高。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。