CN2787290Y - 化学气相发生气液分离装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种化学气相发生气液分离装置，包括混合反应器、气液分离装置和载气输送管。所述气液分离装置的气相输出管的管路中设置气体混合器，所述载气输送管与气体混合器连接。该装置可用于各类原子光谱仪器的化学气相发生系统，有效地消除化学气相发生过程中产生的大量气泡，并降低进入原子化器的待测气中的水份含量，从而提高了仪器的信噪比，有效地改善了仪器的检出下限。该装置采用抽力较强的混气装置，能将气液分离装置中的反应生成气迅速抽出并与载气均匀混合，这样可以显著降低送往原子化器中气体的湿度，其露点大大低于室温，显著提高了仪器的灵敏度和稳定性。

Description

化学气相发生气液分离装置

技术领域

本实用新型涉及一种用于原子光谱测量中的化学气相发生气液分离装置及其方法。

背景技术

化学气相发生法是原子光谱测量中广泛采用的一种高效进样技术，其一般方法是：将含有被测元素的溶液在适当的化学环境中与还原剂溶液混合，混合后的液体在一定尺寸的管道中充分反应，反应形成的气液混合物在分离装置中分成两相，其中液相经由排废管路流出，而气相则被载气送往原子化器中检测。传统的化学气相发生装置以载气来推动混合液体经由反应管流入气液分离装置中，气液分离后的气体送入原子化器中检测。其化学气相发生的过程为：含酸样品或载流和还原剂分别经样品/载流输送管和还原剂输送管被蠕动泵推入混合反应器，在混合反应器中发生化学气相生成反应，生成物和经载气入口导入的一定流量的载气混合为气液共存物，气液共存物流入气液分离装置中分成气、液两相。其中气相送入原子化器中检测，液相经废液排放口蠕动泵排出。

使用这种装置时被测元素的传输效率接近100％，会使被测元素的检测限大幅降低，但此装置存以下两点缺陷：(1)气液分离后得到的气相物中含有大量的水汽，而这些水汽的存在会对信号造成显著的衰减，并且降低信号的稳定性，因此需要采用结构复杂的多级去水装置。从文献报道可知，除水可采用多级气液分离装置，旋风分离或采用膜分离等手段，但其中大部分装置仅能将气体的露点降低到略低于室温，并不能达到原子光谱测量的最佳要求。只有采用“耐分”(Nafion，美国杜邦出品)膜除水，可以在常温下稳定得到露点大大低于室温的气体，而Nafion膜本身价格昂贵，在去水过程中又要消耗大量的干燥气体，且使用寿命不长，从经济角度上成本太高；另一方面Nafion还会吸收碱性氢化物，造成信号的衰减。因此，目前尚无非常理想的适用于化学气相发生原子光谱的气液分离装置；(2)当被测物中有机物含量较高时，往往会生成大量气泡，降低了气液分离效率，严重时甚至会因气泡进入原子化器而损坏仪器。从文献报道可知消泡可采用消泡剂，多孔板，搅拌或超声等方法。这些方法对常见的泡沫都有一定的消除效果，但不能有效的消除生物样品产生的非常细小粘稠的大量泡沫。

实用新型内容

本实用新型的目的是解决上述缺陷，提供一种能消泡的、高效除水的化学气相发生气液分离装置。

本实用新型一种化学气相发生气液分离装置，包括混合反应器、气液分离装置和载气输送管，所述气液分离装置的气相输出管的管路中设置气体混合器，所述载气输送管与气体混合器连接。

在混合反应器和气液分离装置之间设置有液体雾化器。

所述液体雾化器是超声喷雾器或两相流喷雾器。

所述气体混合器包括混气腔和与其连接的气体输入管。

所述气体输入管与混气腔相互垂直或相互成一个角度，两者的中心线相交或相互偏置，其气体输入管必须伸入混气腔内。

所述混气腔套装在气液分离装置的气相输出管上，混气腔和气相输出管的出口端的口径小于自身主体的尺寸。

本实用新型所述的化学气相发生气液分离装置可用于各类原子光谱仪器，包括原子吸收光谱仪(AAS)、原子发射光谱仪(AES)、电感耦合等离子体—质谱仪(ICP-MS)和原子荧光光谱仪(AFS)的化学气相发生系统，整个装置安装在原子化器的前端，可以有效地消除化学气相发生过程中产生的大量气泡，并降低进入原子化器的待测气中的水份含量，从而提高了仪器的信噪比，有效地改善了仪器的检出下限。

本实用新型所述的化学气相发生气液分离装置包括一个抽力较强的混气装置，能将气液分离装置中的反应生成气迅速抽出并与载气均匀混合，这样可以显著降低送往原子化器中气体的湿度，其露点大大低于室温，显著提高了仪器的灵敏度和稳定性。

实测的气体露点示于表1，从表中可以发现本实用新型所使用的技术达到了较为理想的除水效果，脱水率达到了60％，略低于Nafion管75％的脱水率。在此基础上，我们还比较了两种除水方式对As测量的影响，结果示于图3，从图中可以发现采用传统气液分离装置的a段的荧光强度最低；经Nafion管除水的b段的荧光强度有了明显的提高；经Nafion管和本专利技术结合除水的c段的荧光强度比b段又有所提高，但与单纯使用本专利技术除水的d段的荧光值大体持平。这说明对于后续的原子荧光光谱而言，脱水率只要达到60％(本专利水平)，就可以基本消除待测气体中水气含量对测量结果的影响。这说明本专利提供的方法，可以将原子荧光测量的灵敏度提高到与采用Nafion管相同的水平，考虑到Nafion管本身上千美元的价格和至少多出两倍的载气消耗量，本实用新型所提供的除水方法显然是更具优势的。

本实用新型所述的分离器将液体雾化来破坏生成的气泡，使得气液分离装置中无气泡积存。表2中列出了高泡样和无泡样经本实用新型所述气液分离除水的结果，从中可以发现不同泡沫含量的样品采用本实用新型的气液分离装置后，都能保持较高的除水率，只是高泡样品的除水率略有降低。而在使用传统的气液分离装置时，大量泡沫会直接从气液分离器上端出气口直接溢出，远远超出了露点仪的测量范围。这说明本实用新型中采用的雾化器对泡沫消除非常有效。

表1.不同除水方式下混合气(载气和反应生成气)中的含水量

除水方式	不除水条件下		除水条件下		脱水率(％)
						水分压(mmHg)	露点(℃)	水分压(mmHg)	露点(℃)
	实例一a	16.2	18.7	6.4						4.8	60c
Nafiona，b					16.2	18.7	4.0	-2.0	75c

a、此时反应生成气量与载气的流量比约为1∶2，该组数据为连续运行时取得。

b、Nafion管内外气流量比为1∶2；

c、脱水率＝(不除水条件下水分压—除水条件下水分压)÷不除水条件下水分压×100％。

表2.不同样品采用本实用新型气液分离器实例二后的除水效果^a

除水方式	不除水条件下		除水条件下		脱水率(％)
						水分压(mmHg)	露点(℃)	水分压(mmHg)	露点(℃)
	高泡样b	11.6	13.5	4.0						-2.0	64c
无泡样					11.2	13.0	3.8	-2.5	66c

a、此时反应生成气量与载气的流量比约为1∶2，该组数据为断续运行(运行30秒停10秒)时取得；

b、高泡样是将家用洗手液用水1∶2000稀释后得到的；

c、脱水率＝(不除水条件下水分压-除水条件下水分压)÷不除水条件下水分压×100％。

附图说明

图1是本实用新型所述的化学气相发生气液分离装置的一个实施例的示意图；

图2是本实用新型所述的化学气相发生气液分离装置的另一实施例的示意图；

图3是图1和图2中所示的分离装置气体混合器的一个实施例的示意图；

图4是图3的俯视图；

图5是图1和图2中所示的分离装置气体混合器的第2个实施例的示意图；

图6是图5的俯视图；

图7是图1和图2中所示的分离装置的气体混合器第3个实施例的示意图；

图8是图7的俯视图。

具体实施方式

参见图1，本实用新型所述的化学气相发生气液分离装置，包括混合反应器5、气液分离装置6和载气输送管4。所述气液分离装置6的气相输出管7的管路中设置气体混合器11，所述载气输送管4与气体混合器11连接。其化学气相发生的过程为，含酸样品和还原剂分别经载流输送管2和还原剂输送管1被蠕动泵3推入混合反应器5，在混合反应器5中发生化学气相生成反应，生成物进入气液分离装置6中分成气、液两相，其中气相经气相输出管7体混合器11，与载气输送管4导入的一定流量的载气混合后送入原子化器中检测，液相经排废口8、9被蠕动泵3排出。

参见图2，本实用新型所述的分离装置的进一步改进是在混合反应器5和气液分离装置之间设置有液体雾化器10。气液共存物经液体雾化器10雾化，雾滴排入气液分离装置6中。

所述液体雾化器10可以是超声喷雾器或两相流喷雾器。

参见图3至图6，所述的气体混合器11包括混气腔12和气体输入管13。所述气体输入管13与混气腔12相互垂直或相互成一个角度，两者的中心线相交或相互偏置，其气体输入管13必须伸入混气腔12内，至中心位置。

参见图7和图8，所述混气腔12套装在气液分离装置6的气相输出管7上，混气腔12和气相输出管7的出口端的口径小于自身主体的尺寸。

下面列举几种组合，并说明其效果：

1、实施例1，即无雾化器，气体混合器11采用图3、4气体输入管13与混气腔12两者的中心线相互偏置的混气装置，由于大流量载气在气体混合器11中部产生气旋，造成较大负压，可以将其下部气液分离装置中化学气相发生产生含待测元素的气体完全抽入气体混合器11上部，与载气混合后送入原子化器A中检测。

上述气液分离装置对原子荧光光谱仪信号灵敏度的提高效果示于表3。从表中可以发现，上述装置无论是对检测砷还是锑，都确实起到了提高灵敏度的作用。表4中给出了使用该装置后砷、锑两种元素的测量稳定性和检出限，从表中可知，使用上述装置，两种元素的检出限达到了ppt级，而使用传统的装置，对这两种元素的检测限一般为砷：＜20ppt；锑：＜40ppt。这说明上述气液分离装置能够非常有效的提高气相发生原子光谱仪器的性能。

表3.实施例1对AFS信号灵敏度的提高效果

测量元素	空白AFS值		10ppb下AFS值		提高率
						传统方式	实施例1	传统方式	实施例1
	砷	228	206	2267						3781	74％
锑					538	391	3408	4972	60％

^a提高率＝[(除水后10ppb下AFS值-除水后空白AFS值)-(除水前10ppb下AFS值-除水前空白AFS值)]÷(除水前10ppb下AFS值-除水前空白AFS值)×100％

表4.实施例1对AFS信号稳定性的提高效果

	测量元素	blank	4ppb	6ppb	8ppb	10ppb	标准偏差	检出限/ppt
									实施例1	砷	633	4058a	5561a	7596a	9421a	2.25	7.2
锑	491	2947a	4546a	6357a	8153a	2.20	8.1

^a数据已经扣除了空白

2、液体雾化器10采用两相流雾化装置，气体混合器11采用图3、4所示的气体输入管13与混气腔12相互成一个角度的混合器，由于大流量载气在气体混合器11中部产生负压，可以将其下部气液分离装置中化学气相发生产生含待测元素的气体完全抽入气体混合器11上部，与载气混合后送入原子化器A中检测。

上述气液分离装置测量高泡样品时的AFS结果列于下表5中。从表中可以发现，原来无法测量的高泡样品，使用上述装置后，四个不同浓度标样测量值的线性相关系数达到了1.00，检出限为14.3ppt，略高于上述无泡样品的7.2ppt，甚至优于传统气液分离装置下无泡样品的检出限20ppt，这说明此种气液分离装置能够很好的满足气相发生原子光谱仪器测量有泡样品的要求。

表5.实施例2中除水装置测量高泡样品时的AFS结果

测量元素

blank

4ppb

6ppb

8ppb

10ppb

标准偏差

线性相关系数

检出限/ppt

砷

223

549a

1405a

2258a

2761a

1.32

1.00

14.3

a、数据已经扣除了空白

b、高泡样是将家用洗手液用含痕量砷的标准溶液1∶2000稀释后得到的；

3、液体雾化器10采用两相流雾化装置，气体混合器11采用图5、6所示的气体输入管13与混气腔12相互成一个角度的混合器，由于大流量载气在气体混合器11中部产生负压，可以将其下部气液分离装置中化学气相发生产生含待测元素的气体完全抽入气体混合器11上部，与载气混合后送入原子化器A中检测。

4、液体雾化器10采用两相流雾化装置，气体混合器11采用图7、8所述的结构，即混气腔12套装在气液分离装置6的气相输出管7上，气体输入管13的中心线与混气腔12的中心线相互偏置的结构。由于大流量载气在M2中延切向流入，在上部小喷嘴处产生较强负压，可以将其下部气液分离装置中化学气相发生产生含待测元素的气体完全抽入上部，与载气混合后送入原子化器A中检测。

Claims (6)

1、化学气相发生气液分离装置，包括混合反应器(5)、气液分离装置(6)和载气输送管(4)，其特征是所述气液分离装置(6)的气相输出管(7)的管路中设置气体混合器(11)，所述载气输送管(4)与气体混合器(11)连接。

2、根据权利要求1所述的分离装置，其特征是在混合反应器(5)和气液分离装置之间设置有液体雾化器(10)。

3、根据权利要求2所述的分离装置，其特征是所述液体雾化器(10)是超声喷雾器或两相流喷雾器。

4、根据权利要求1、2或3所述的分离装置，其特征是所述气体混合器(11)包括混气腔(12)和与其连接的气体输入管(13)。

5、根据权利要求4所述的分离装置，其特征是所述气体输入管(13)与混气腔(12)相互垂直或相互成一个角度，两者的中心线相交或相互偏置，其气体输入管(13)必须伸入混气腔(12)内。

6、根据权利要求4所述的分离装置，其特征是所述混气腔(12)套装在气液分离装置(6)的气相输出管(7)上，混气腔(12)和气相输出管(7)的出口端的口径小于自身主体的尺寸。

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