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便携式TOFMS中VOCs快速富集冷阱研制及其应用研究

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 挥发性有机物概述

1.3 挥发性有机物在线检测技术

1.4 在线监测质谱仪的质量分析器

1.5 电离源

1.6 本研究的目的、主要内容及意义

第二章 便携式TOFMS的研制

2.1引言

2.2 便携式TOFMS的工作原理及性能参数

2.3 便携式TOFMS的设计

2.4 仪器的分辨率

2.5 仪器灵敏度

2.6 本章小结

第三章 快速富集电冷阱研制

3.1引言

3.2 实验器材的选择

3.3 样品前处理装置冷阱的研制

3.4 冷阱的工作流程

3.5 冷阱参数的优化

3.6 多组分混合气检测

3.7 室内环境空气检测

3.8 本章小结

第四章 高压绝缘电器带电运行安全检测系统

4.1 引言

4.2 SF6及其分解产物的性质

4.3 SF6背景气体的检测

4.4 SF6分解产物的特征峰

4.5 冷阱对分解产物的检测效率

4.6 分解产物定量曲线

4.7 本章小结

第五章 总结及展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间参加科研情况及获得的学术成果

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摘要

挥发性有机物(VOCs)是指常压下以气体形式存在的一类有机化合物,是大气中二次有机气溶胶的主要前体物,对人体健康和生态环境有较大危害,因此发展快速高效的VOCs检测方法具有重要的意义。飞行时间质谱(TOFMS)具有结构简单、分析速度快、质量范围宽等特点,同时可实现VOCs的在线监测,实时反映大气中VOCs时空分布特征,为从源头治理有机污染物提供了有效的分析手段。然而,大气中VOCs浓度较低,一般在 pptv~ppbv量级,现场便携式 TOFMS很难对其直接检测。本研究将便携式TOFMS和冷阱技术联用,实现了大气环境低浓度VOCs的在线检测。 论文介绍了TOFMS的结构和工作原理,分析了影响TOFMS性能的主要因素,并由此研制了一台真空紫外(VUV)光电离便携式TOFMS,机体长宽高为37 cm×33 cm×20cm,总重量为17 kg,在m/z92处质量分辨率优于1100,对常见苯系物的检测限可达ppbv量级。该便携式 TOFMS的电离源有两种模式:单光子电离模式(SPI)和光电子电离模式(PEI)。在SPI模式下,样品分子吸收VUV灯发射的光子(10.6 eV)被软电离,产生的离子中分子离子峰占主导,谱图简单,利于复杂样品的快速分析;在PEI模式下,光子照射到金属电极表面上引发光电效应而产生光电子,在静电场的作用下光电子获得较高能量(>10.6 eV),从而实现与样品分子碰撞促使其电离。本仪器可以在SPI和PEI两种电离模式之间进行快速切换,实现不同物质的电离。 大气中VOCs的含量低于ppbv,便携式TOFMS灵敏度不足以直接检测。本研究基于低温富集-高温解吸原理,设计并研制出一台用于在线分析的冷阱富集系统。该冷阱采用电制冷机,最低温度可达-196 oC,制冷效率高,无制冷剂消耗,体积小,携带方便,可长时间连续工作。冷阱主要包括进样系统、富集系统、制冷系统、解吸系统和传输系统。工作流程主要包括:预冲洗、采样、进样和老化。利用冷阱结合在线质谱对苯、甲苯和二甲苯混合气体(BTX)进行了检测,并系统优化了冷阱中各工作参数。实验结果表明:经冷阱富集后,苯、甲苯和二甲苯的质谱信号强度分别提高了212、254和242倍,最低检测限分别可达到7 pptv、8 ppvt和5 pptv,回收率分别为98%、87%和85%,单个样品分析时间为14 min。将冷阱结合便携式TOFMS直接分析含有39种VOCs的EPA TO-14标准混合气和室内环境空气,仪器灵敏度优于国家室内空气中挥发性有机物阈值。电冷阱结合在线质谱可以实现大气、室内环境中痕量VOCs快速检测,在VOCs污染物现场、实时监测中具有重要的应用潜力。 开发了冷阱-便携式TOFMS分析变电站中高压绝缘气体SF6分解产物新方法,实现了高压变电站非停电状态下安全检查。冷阱和便携式TOFMS联用对变电站故障样品气中的SO2、CO2、SO2F2和CS2等典型分解产物进行了分析,冷阱富集后上述分解产物均可被检测到,最低检测限远远低于判定变电站故障时 SF6中分解产物浓度阈值,能够实现故障提前预警。冷阱和TOFMS联用在便携性、灵敏度方面均可满足现场检测要求,在变电站在线故障检查中具有广泛的应用前景。

著录项

  • 作者

    韩笑笑;

  • 作者单位

    西安石油大学;

  • 授予单位 西安石油大学;
  • 学科 化学工艺
  • 授予学位 硕士
  • 导师姓名 张智平,侯可勇;
  • 年度 2018
  • 页码
  • 总页数
  • 原文格式 PDF
  • 正文语种 中文
  • 中图分类
  • 关键词

    便携式; VOCs; 快速富集; 冷阱; 研制;

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