电子开发论文：电子装置的开发及应用诌议

作者：卜凡阳 文晓刚 万梅 刘锐 陈吕军 张永明 单位：浙江清华长三角研究院生态环境研究所 嘉兴学院机电学院

干燥剂的筛选根据干燥剂的适用气体范围、吸水能力、干燥速度、经济性和安全性等特性，对常见的有机气体干燥剂进行筛选，选取无水硫酸钠、无水硫酸钙、无水氯化钙、活性氧化铝等4种常见有机气体干燥剂．无水硫酸钠吸水能力大，对有机气体普遍适用，但吸水速度慢，常被用来作为预干燥剂使用;无水硫酸钙与无水硫酸钠相比，吸水速度快，价格便宜且对有机气体普遍适用，但吸水量小;无水氯化钙因其价格低廉、干燥能力强、干燥速度快且能再生而被广泛应用，主要适用于干燥烃、卤代烃、醚硝基化合物、环己胺、腈、二硫化碳等．活性氧化铝是一种多孔性、高分散度的固体材料，有很大的表面积，机械强度大，吸湿性强，吸水后不胀不裂保持原状，无毒、无臭、不溶于水，在有机气体尤其是氯代烃气体干燥方面被广泛应用［26］．干燥剂的选择与干燥管的性能评价实验标准塞/号为14/14的双口管内加满干燥剂，双口管两端用清洁球丝塞紧，防止干燥剂随气流进入管路．将上述制备所得干燥管连接至实验装置中．高纯空气经两段洗气装置加湿后，以0.4L•min－1的流速流经干燥管，用电子鼻中的湿度传感器检测干燥前后的气体湿度，每组平行测定3次取平均值，计算干燥管对于湿度的去除效率，确定干燥剂种类和最佳搭配组合．在此基础上，使用优选出来的无水氯化钙制备干燥管，通气流量为0.4L•min－1，温度30℃．采用三段洗气加湿连续通气考察干燥管的使用寿命．选取1，2-二氯乙烷、四氯化碳、三氯乙烯、四氯乙烯、顺-1，2-二氯乙烯等5种常见挥发性氯代烃为目标化合物，用标准气体发生装置在特定流量下发生特定浓度的混合气体，利用气相色谱法对流经干燥管前后的气体浓度进行检测，平行测定3次，以此考察干燥剂对常见挥发性氯代烃浓度的影响程度．湿度去除率计算公式（式略）干燥预处理装置与电子鼻联用在土壤通风净化过程中的实时监测适用性评价实验长三角地区经济发达，人口密集，氯代烃使用量大面广，土壤污染严重．选取长三角地区的典型水稻土黄斑田为研究对象，将采集土样于室温下风干、碾碎、过2mm土壤筛后，用去离子水将风干土壤调制成一定含水量的湿润土壤，分别取适量放入玻璃容器内，随后加入四氯乙烯纯液体0.5mL，用带有PTFE垫子的旋盖密封保存15d以上，使有机溶剂充分渗透到土壤毛细孔隙中．离实验装置上．打开气泵，以50mL•min－1的流速通入空气．通气大约1min待气流基本均匀稳定后，用电子鼻和气相色谱法同时对通过预处理系统后的分离气体浓度进行实时检测，连续监测10h以上．为了防止通气脱离实验中土壤含水率发生变化，将通入气体通过3段洗气装置和1个缓冲瓶，保证通入气体的湿度稳定在95%左右．

最佳干燥剂及最佳组合的确定通入高纯空气(湿度为0)和两段洗气加湿后的高纯空气(湿度65%)时电子鼻各气敏传感器的基线响应值．PID基线漂移较小，而其余3个传感器的基线值均随湿度变化发生较大漂移，其中TGS2620漂移幅度最大．为消除湿度对电子鼻的影响，设计了5组不同类型的干燥管，每组的干燥剂填装体积相同．其中，A组填装无水硫酸钠;B组填装无水硫酸钙;C组填加活性氧化铝;D组填加无水氯化钙;E组在填加无水氯化钙的基础上加装卤代烃分离管．卤代烃分离管(北京宏昌信科技有限公司，HALOCARBONRAE-SEPTUBES)主要在前期研究［15］中用于去除苯系物等干扰物质，选择性透过VCHs气体，是电子鼻的重要组成部分．卤代烃分离管在去除苯系物的同时，也会吸附掉一部分水分，但其干燥剂填装量少，吸附水分能力有限，影响了分离管的重复使用寿命，增加了预处理成本，因此E的实验目的主要是在纯化预处理单元前增加干燥装置，研究干燥预处理与带有纯化预处理的电子鼻系统结合后的水分去除效果，延长氯代烃分离管的重复使用寿命．A～E组干燥管的干燥效果．各传感器在不同干燥剂预处理条件下的湿度响应平均值如图5所示．A、B组填装无水硫酸钠和无水硫酸钙的干燥管湿度去除效果不佳，3个氧化锡气敏传感器的基线值与高纯空气下的基线值相比均出现较大幅度的漂移，可能是由于无水硫酸钠和无水硫酸钙为粉末状填充，致使气体不能均匀通过干燥管，而是从药品与管壁之间短流通过，使得干燥管干燥效果不理想．C组填装活性氧化铝的干燥管除湿效果较A、B两组有了较大的提高，但湿度的去除仍然不够彻底，致使3个氧化锡气敏传感器的基线漂移幅度仍然较大．D组填装无水氯化钙的干燥管湿度去除率较好，高于95%，各氧化锡传感器的基线漂移幅度显著降低．D组的除湿效果高于C组，可能是由于无水氯化钙与活性氧化铝相比，具有较小的颗粒粒径，因此填充密度较大，干燥剂与气体的接触面积大、时间长的缘故．E组实验把除湿效果最好的D组干燥剂制成干燥管，搭配卤代烃分离管组成新的干燥组合，湿度去除率接近100%，各传感器基线响应值与高纯空气条件下基线值基本一致，基本解决了气敏传感器受湿度影响发生基线漂移的问题，因此确定E组为最佳搭配组合．干燥管使用寿命及干燥过程中对象气体的浓度变化使用图5的E干燥组合，管内的氯化钙填充量为9.64g，填充密度为0.68g•cm－3，填充长度92mm．经活性炭纯化后的空气进行三段连续加湿通气，保持初始湿度75%以上，干燥后的湿度去除效果．

在通气初期，管路中残存部分湿气，经干燥后的空气不断吹扫，湿度在大约5min内降至0，即湿度去除率为100%，此状态一直持续到90min左右;在90～120min，湿度略有上升，但幅度较小，湿度去除率仍保持在95%以上;120min后，随着时间的延长，干燥剂吸附水份增多，200min后通过干燥管的湿度急剧增加，湿度去除率显著下降．因此，从整个实验过程各传感器响应分析，在连续通气湿度为75%条件下干燥管寿命能维持约120min左右，湿度去除率保持在95%以上，120min后3个气敏传感器基线值均发生不同程度漂移，其中以TGS2600、TGS2620最为灵敏．采用气相色谱法对流经干燥管前后的挥发性氯代烃气体浓度进行检测．各组过干燥管前后的气体浓度检测值都极为接近，偏差在3%～5%之间．因此，判定填装干燥剂对挥发性氯代烃气体浓度无影响。干燥预处理在土壤通风净化进程中的适用性研究土壤通气脱附过程中PCE的检测结果如图8所示．在整个通气过程中，通气脱离装置采用环境空气作为吹扫气体，其湿度为50%左右;为保证通气过程中土壤湿度不发生较大变化，在装置前段采用两段洗气加湿;将两者湿度进行加和，则脱附气体湿度可达98%以上．而经过干燥装置后，湿度基本达到1%以下．使用带有干燥预处理装置的电子鼻和使用GC得到的土壤污染物脱附趋势基本一致:脱附气体浓度在通气初期的200min内急剧下降，由几千mg•m－3降至几百mg•m－3;此后下降趋势趋于平缓;通气400min后，气体浓度随通气时间变化非常缓慢，出现拖尾期．GC与电子鼻的检测结果(n=18)线性拟合后判定系数R2＞0.99，有99%的样本检测点散落在了样本回归线上，表明电子鼻与GC检测结果吻合度高，能够较好地描述土壤修复过程中污染物的浓度变化趋势．(1)使用无水氯化钙与卤代烃分离管组合的干燥装置除湿效果最好，最能解决湿度对电子鼻各传感器的基线响应干扰．该干燥装置可连续使用120min以上，湿度去除率高于98%．干燥装置对氯代烃等气体没有吸附，过干燥管前后的气体浓度极为接近．把无水氯化钙与卤代烃分离管组合的干燥装置与电子鼻集成，用于土壤通气脱附净化过程的监测，发现通入饱和蒸汽时，干燥预处理后的气体湿度在120min内基本位于1%以下;电子鼻与GC检测结果高度吻合，线性拟合判定系数R2＞0.99(n=18)．(2)上述干燥预处理装置对于去除湿度干扰、提高电子鼻检测精度具有较好的效果，适用于土壤污染快速诊断和修复过程中挥发性氯代烃的实时监测．