一种过氧乙酰硝酸酯标准气体发生系统的设计与测试_王宏杰.pdf

第4 0卷第1期2 0 2 3年2月河 北 省 科 学 院 学 报J o u r n a l o f t h e H e b e i A c a d e m y o f S c i e n c e sV o l.4 0 N o.1F e b.2 0 2 3收稿日期:2 0 2 2-1 2-2 1基金项目:河北省中央引导地方科技发展资金项目(2 1 6 Z 3 9 0 2 G);河北省科技重大专项项目(2 2 2 9 3 9 0 1 Z)作者简介:王宏杰(1 9 8 6-),男,河北保定人,工程师,研究方向:环境监测.E-m a i l 1 9 0 8 1 1 9 2 9q q.c o m文章编号:1 0 0 1-9 3 8 3(2 0 2 3)0 1-0 0 4 2-0 5一种过氧乙酰硝酸酯标准气体发生系统的设计与测试王宏杰1,平贵忠2,屈晓虎1,崔志旺1,孙 程1(1.河北先河环保科技股份有限公司,河北 石家庄 0 5 0 0 0 0;2.河北省自动化研究所有限公司,河北 石家庄 0 5 0 0 8 1)摘 要:针对当前过氧乙酰硝酸酯(P AN)标准气体制备过程繁琐、易分解、经济性差,不适宜用于在线设备校准的问题,设计了基于光化学反应原理的P AN标准气体发生器。控制部分采用工控机通过M o d b u s通讯总线驱动气体质量流量控制器的方式,上位机软件使用C#语言在V S 2 0 1 2平台进行开发。测试结果表明:该装置合成的标气线性相关系数R2=0.9 9 9 7,合成的0.4 p p b、2.0 p p b、5.0 p p b标气峰面积R S D均小于5%,该装置的准确性、稳定性、经济性较好,能够与P AN分析仪共同搭建起一套完备的光化学组分在线监测系统,实现大气中P AN浓度的在线自动监测。关键词:环境空气;过氧乙酰硝酸酯;标准气体;制备;光化学反应中图分类号:X 8 3 1 文献标识码:AD e s i g n a n d t e s t o f a p e r o x y a c e t y l n i t r a t e s t a n d a r d g a s g e n e r a t i o n s y s t e mWA N G H o n g-j i e1,P I N G G u i-z h o n g2,Q U X i a o-h u1,C U I Z h i-w a n g1,S U N C h e n g1(1.H e b e i X i a n h e E n v i r o n m e n t a l P r o t e c t i o n T e c h n o l o g y C o.,L t d.,S h i j i a z h u a n g H e b e i 0 5 0 0 0 0,C h i n a;2.H e b e i A u t o m a t i o n R e s e a r c h I n s t i t u t e C o.,L t d.,S h i j i a z h u a n g H e b e i 0 5 0 0 8 1,C h i n a)A b s t r a c t:A i m i n g a t s o m e p r o b l e m s o f c u m b e r s o m e p r e p a r a t i o n p r o c e s s o f P AN s t a n d a r d g a s,e a s y d e c o m p o s i t i o n,p o o r e c o n o m y,a n d u n s u i t a b l e f o r o n l i n e e q u i p m e n t c a l i b r a t i o n,a P AN s t a n d a r d g a s p r e p a r a t i o n d e v i c e b a s e d o n p h o t o c h e m i c a l r e a c t i o n p r i n c i p l e i s d e s i g n e d.T h e c o n t r o l p a r t a d o p t s t h e w a y t h a t t h e g a s m a s s f l o w c o n t r o l l e r i s d r i v e n b y t h e i n d u s t r i a l c o n t r o l c o m p u t e r t h r o u g h t h e M o d b u s b u s.T h e u p p e r c o m p u t e r s o f t w a r e i s d e v e l o p e d o n t h e V S 2 0 1 2 p l a t f o r m u s i n g C#l a n g u a g e.T h e t e s t r e s u l t s s h o w t h a t t h e l i n e a r c o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n t o f s t a n d a r d g a s s y n t h e s i z e d b y t h i s d e v i c e i s 0.9 9 9 7,a n d t h e R S D o f s t a n d a r d g a s p e a k a r e a s o f s y n t h e s i z e d 0.4 p p b,2.0 p p b a n d 5.0 p p b c o n c e n t r a t i o n i s a l l l e s s t h a n 5%.T h e d e v i c e h a s g o o d a c c u r a c y,s t a b i l i t y a n d e c o n o m y a n d c a n b u i l d a c o m p l e t e s e t o f p h o t o c h e m i c a l c o m p o n e n t o n l i n e m o n i t o r i n g s y s t e m t o g e t h e r w i t h t h e P AN a n a l y z e r t o r e a l i z e t h e o n l i n e a u t o m a t i c m o n i t o r i n g o f t h e c o n c e n t r a t i o n o f P AN i n t h e a t m o s p h e r e.K e y w o r d s:Am b i e n t a i r;P e r o x y a c e t y l n i t r a t e;S t a n d a r d g a s;P r e p a r a t i o n;P h o t o c h e m i c a l r e a c t i o nDOI:10.16191/ki.hbkx.2023.01.001第1期王宏杰等:一种过氧乙酰硝酸酯标准气体发生系统的设计与测试0 引言过氧乙酰硝酸酯(P AN)是大气环境中的一种重要的二次有机污染物,化学式为CH3C(O)OONO2,大气中的P AN对人类健康以及植物生长具有严重的负面影响1,对人体有较强的刺激作用,严重者会出现呼吸困难,肺功能异常甚至危及生命2。P AN较强的氧化性也会对植物及建筑等产生严重的腐蚀作用3,如腐蚀植物叶片,使其发黄脱落导致植株死亡,氧化橡胶等。P AN 一般来源于挥发性有机物(VO C)和氮氧化物(NOx)进行的光化学反应。因此,P AN是O3以外的一种非常重要的光化学污染指示剂。P AN是热不稳定物质,在大气中浓度处于1 0-9量级,对其监测存在一定的困难。目前对P AN的检测方法主要为气相色谱(G C)结合电子捕获检测器(E C D)法,该方法对电负性化合物具有较高的选择性和灵敏度,在大气 P AN 的外场观测中应用最广泛4。基于该方法的仪器为保证精度需要定期使用标准浓度的P AN气体对设备进行校准,一般采用实验室合成法制备P AN标准气体,再通过渗透装置进行稀释,但制备过程中易发生分解,操作比较繁琐,经济性较差5,而且P AN标准气体不能长期贮存,故不能满足在线设备校准的实际需求。本文设计了一种基于光化学反应原理的P AN标准气体发生器,能够与P AN分析仪共同搭建起一套完备的光化学组分在线监测系统。1 P A N标准气体制备系统的设计本研究设计的大气P AN标准气体合成装置由零空气发生单元、NO气体发生单元、丙酮气体发生单元、稀释器、混合器、气体光化学反应器、流量控制器等组成。系统结构如图1所示。图1 系统结构原理图1.1 合成原理本研究搭建的P AN标准气体制备装置基于光化学合成原理6,相比传统的化学合成渗透方式,具有操作简单、合成时间短、产率高、稳定性好等特点。其核心技术为光化学合成反应模块,利用丙酮和NO气体在紫外光作用下发生光化学反应合成P AN,其反应机理为7:CH3C(O)CH3+h v CH3C(O)+CH3(1)34河北省科学院学报2 0 2 3年第4 0卷CH3C(O)+O2 CH3C(O)OO(2)2 NO+O2 2 NO2(3)CH3C(O)OO+NO2CH3C(O)OONO2(4)标准气体合成时,通过控制丙酮和NO气体流量,可计算出合成的P AN标准气体浓度,再通入零空气进行稀释,可以得到不同浓度梯度的 P AN 校准气体。1.2 硬件组成装置使用三台MF C分别对丙酮、NO、零空气进行流量控制,MF C选用天津吉思特仪器仪表有限公司生产的G T-1 3 0型数字式质量流量控制器(MF C),使用4 8 5接口,标准M o d b u s通讯协议。丙酮和NO选用1 0 0 s c c m量程,零空气选用5 0 0 0 s c c m量程,均为不锈钢材质。采用内壁抛光处理的不锈钢管设计加工标气稀释器(2 0 0 m L)和预混器(2 0 0 m L);光化学反应池采用紫外透光率高的石英玻璃管(4 0 0 m L)加工,可保证紫外光的高效照射;光解光源采用中波段无臭氧型紫外灯(波长为2 8 5 n m),能有效地光解丙酮产生的自由基;零空气使用先河环保生产的XH Z 2 0 0 B零气发生器,控制系统使用小型工控机,运行W i n d o w s 7系统。1.3 控制软件与M F C通信协议设计下一次通讯数据解析数据处理YYCRC校验N接收从机返回数据发送询问帧通讯端口初始化开始图2 软件工作流程图控制软件采用4 8 5接口与装置内部的MF C通信,通信协议使用标准M o d b u s协议,本装置使用的M o d b u s协议地址范围为0 x 0 0-0 x F F,理论上最多可以连接2 5 6个从机设备,在实际使用中只需连接3台MF C即可保证系统正常工作,装置具有良好的拓展性,M o d b u s协议功能位中,不同的功能码实现不同的功能8,本装置需要读写MF C的保持寄存器,因此功能码选用0 x 0 3和0 x 1 0。软件工作流程如图2所示。通信协议主要有读取流量和设定流量两条指令,其数据格式和指令实例见表1和表2。表1 读取流量实例发送数据地址读取功能码数据起始字节C R C校验0 x 0 10 x 0 30 x 8 0 0 E0 x 0 0 0 10 x C C 0 9返回数据地址读取字节数数据C R C校验0 x 0 10 x 0 30 x 0 20 x 0 0 0 00 X B