一種大氣氣溶膠捕集方法及裝置的製作方法
2023-09-09 14:23:25
專利名稱：一種大氣氣溶膠捕集方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種大氣氣溶膠捕集方法及裝置。
背景技術：
目前大氣汙染物的種類很多，根據其存在的狀態，可以概括為兩大類即氣 態汙染物和氣溶膠狀態汙染物。氣溶膠是指能懸浮於氣體介質中的固態粒子或液 態粒子，主要有塵、液滴、化學粒子等。目前捕集大氣中氣溶膠的採樣方法一般 為離線採樣方法和在線採樣方法兩種，其中離線採樣方法包括膜釆樣法、撞擊 式分級採樣法等方法，在線採樣方法包括顆粒物-液體轉換採集系統
(Particle-into-liquid sampler,簡稱PILS)、蒸汽噴射氣溶膠收集裝置(Steam Jet Aerosol Collector,簡稱SJAC)等方法。
對於氣溶膠的採樣分析，目前國內外大多採用傳統的膜法採樣，然後稱量、 提取、分析。此方法存在的缺陷有採樣時間長，操作步驟繁瑣，組分在採樣和 保存過程中易改變等。這就使所得到的數據產生偏差，尤其是半揮發性組分的測 量不易得到準確結果。近年來， 一系列新的基於"蒸汽噴射收集技術"原理的氣 溶膠連續收集裝置已經被研製出來，這種技術是氣溶膠細粒子在飽和水蒸汽中快 速吸溼長大，長大後的液滴利用撞擊收集下來。然後與各種可連續分析氣溶膠中 化學成分的自動、半自動分析儀器相連，從而實現氣溶膠中化學成分的自動、半 自動分析。
目前我國對氣溶膠在線採樣技術的研究還處於剛起步階段，國內對氣溶膠化 學成分的測定大部分還停留在使用傳統的濾膜釆樣器或慣性撞擊採樣器的方法， 將氣溶膠收集到濾膜上，人工提取後再分析其中的化學成分。國內只有極少量的 文獻報導了氣溶膠化學成分的連續定點觀測數據，其主要原因是缺乏有效的氣溶 膠快速捕集器及其化學成分在線自動分析設備。
發明內容
針對上述問題，本發明的目的是提供一種可連續採樣、可實現有效快速捕集 的大氣氣溶膠捕集方法及裝置。
為實現上述目的，本發明採取以下技術方案 一種大氣氣溶膠捕集方法，其 是利用電加熱棒對連續恆流的純水加熱使之全部轉化為蒸汽，所述蒸汽在氣溶膠 吸溼長大腔中與大氣氣流相遇，隨著蒸汽氣流在氣溶膠吸溼長大腔中的停留，伴隨著自然冷卻作用，氣溶膠吸溼長大，汽流帶著吸溼長大了的氣溶膠進入蛇形冷 卻器，使熱汽氣流冷卻形成溶液，此過程中氣溶膠被捕集至溶液中，氣流帶著冷 凝形成的溶液在氣溶膠撞擊收集器中實現氣液的分離以及氣溶膠的收集。
一種實現大氣氣溶膠捕集方法的裝置，其特徵在於它包括氣路部件，為所 述氣路提供蒸汽的蒸汽發生部件，為所述氣路循環降溫的冷卻裝置，控制所述蒸 汽發生部件、所述氣路部件和所述冷卻裝置的電路部件；所述氣路部件包括氣溶 膠吸溼長大腔，所述氣溶膠吸溼長大腔通過聚四氟乙烯接口連接蛇形冷卻器，所 述蛇形冷卻器通過聚四氟乙烯接口連接氣溶膠撞擊收集器，所述氣溶膠撞擊收集 器通過三通接口連接真空表、流量調節閥、氣體過濾器和採樣泵，所述氣溶膠撞 擊收集器還連接收集氣溶膠的蠕動泵；所述蒸汽發生部件包括一電加熱棒，所述
電加熱棒通過聚四氟乙烯接口與所述氣溶膠吸溼長大腔連接， 一蠕動泵通過管路 和聚四氟乙烯接口與所述氣溶膠吸溼長大腔連接；所述冷卻裝置包括一循環水容 器，所述循環水容器連接一冷卻泵，所述冷卻泵連接一製冷模塊，所述製冷模塊 連接所述氣溶膠撞擊收集器的冷卻水套，所述循環水容器還連接蛇形冷卻器；所 述電路部件包括一控制電路，所述控制電路連接一固態繼電器，所述固態繼電器 連接所述電加熱棒，所述控制電路還連接一對液面傳感器，所述液面傳感器通過 聚四氟乙烯接口與所述氣溶膠吸溼長大腔連接。
所述製冷模塊包括一銅片，所述銅片表面有凹槽，所述凹槽中裝有冷卻水， 所述銅片上方設置有一矽橡膠片，所述矽橡膠片上方設置有一有機玻璃片，所述 有機玻璃片通過所述矽橡膠片對銅片表面凹槽密封，所述銅片下方設置有半導體 製冷片，半導體製冷片下方設置有散熱片，所述散熱片下方設置有散熱風扇。
所述氣溶膠吸溼長大腔、蛇形冷卻器和氣溶膠撞擊收集器均採用玻璃為材料 加工製作，所述各接口均採用聚四氟乙烯材料製作。
本發明由於採取以上技術方案，其具有以下優點1、本發明由於將純水通過 蠕動泵連續穩定地導向加熱的電熱棒，在單位時間內能產生定量的水蒸汽。2、本 發明由於採用吸溼長大腔，讓飽和水蒸汽與氣溶膠充分接觸，在空氣的自然冷卻 作用下保證氣溶膠充分的吸溼、停留長大。3、本發明採用蛇形冷卻管使吸溼長大 的細粒子隨過飽和水蒸汽冷卻、溶解，實現了溶液對細粒子的捕集。4、本發明由 於採用在氣溶膠撞擊收集器中，溶液隨氣流流過的噴嘴直徑在F1.8-F1.9 (mm)， 使氣流被加速，由於慣性作用，溶液撞擊擋板後在重力作用下往下流，實現氣液 分離，溶液通過蠕動泵連續取出。5、本發明上述噴嘴同時起到限定氣流速度的作 用，通過對抽氣泵旁路閥的調節，可實現對採樣氣流流速的控制。6、本發明裝置整個系統分為三大部分，每部分都可進行拆卸，搬運方便。三部分及連接部件都 是選用了惰性材料(玻璃和聚四氟乙烯等)，保證了採樣過程的樣品性質不發生變 化。7、本發明選用了玻璃結構的部件，有利於觀察內部工作狀況，便於及時發現 和排除故障。8、本發明可連續採樣，攜帶方便，可實現有效快速捕集及其化學成 分在線自動分析。
圖1是本發明結構示意圖
圖2是本發明氣路部件結構示意圖 圖3是本發明蒸汽發生部件結構示意圖 圖4是本發明的製冷裝置流程示意圖 圖5是本發明的製冷模塊結構示意圖 圖6是本發明的蒸汽發生斷水保護結構示意圖
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細的描述。
如圖1所示，本發明包括氣路部件IO，蒸汽發生部件30，冷卻裝置40，電路 部件50。
如圖l、圖2所示，本發明氣路部件10包括一氣溶膠吸溼長大腔11， 一聚四 氟乙烯接口 12， 一蛇形冷卻器13，另一聚四氟乙烯接口 14， 一氣溶膠撞擊收集器 15， 一三通(接口) 16， 一真空表17，另一三通(接口) 18， 一流量調節閥19， 一氣體過濾器20, —採樣泵21， 一蠕動泵22。
如圖2所示，本發明氣溶膠吸溼長大腔11,其一端為氣流入口 111，下部的 一端設置有蒸汽進入管112，在蒸汽進入管112的下部橫向對稱設置有二管路接口 113、 114，在氣溶膠吸溼長大腔11下部的另一端設置有蒸汽與大氣氣溶膠的混合 氣流出口 115，混合氣流出口 115通過聚四氟乙烯接口 12連接蛇形冷卻器13，蛇 形冷卻器13具有一腔體，在腔體下部設置冷卻水進口 131，腔體上部設置冷卻水 出口 132,腔體內部設置蛇形氣流管133，蛇形氣流管133的入口通過聚四氟乙烯 接口 12與氣流出口 115連接，蛇形氣流管133的出口通過聚四氟乙烯接口 14與 氣溶膠撞擊收集器15連接，氣溶膠撞擊收集器15具有一腔體，在腔體一端設置 有氣流入口 151，腔體上部設置氣流出口 152，腔體下部設置一溶液出口 153，溶 液出口 153連接蠕動泵22。在腔體內部設置有一噴嘴154，噴嘴154的另一端則 連接聚四氟乙烯接口 14，與蛇形氣流管133的出口連通。腔體15外部還設置有一 冷卻水套155，在冷卻水套155的下部設置有冷卻水入口 156，在冷卻水套155的上部設置有冷卻水出口 157。氣流出口 152通過三通接口 16與真空表17連接，三 通接口 16的另一接口還與三通接口 18連接，三通接口 18的一個接口連接流量調 節閥19與氣體過濾器20，另一接口則與採樣泵21連接。
如圖3所示，本發明的蒸汽發生部件30包括一電加熱棒31，其通過一聚四氟 乙烯接口32伸入蒸汽進入管112的下口中， 一蠕'動泵33，通過管路34和聚四氟 乙烯接口 35與管路接口 114連接，由於蠕動泵33的轉速恆定，故可為蒸汽發生 部件30提供連續恆流的純水，由於電加熱棒31的功率足夠大，可將純水全部轉 化為蒸汽，所產生的蒸汽順著蒸汽進入管112進入氣溶膠吸溼長大腔11中。本發 明氣路部件10、蒸汽發生部件30和冷卻裝置40中的採樣泵21、蠕動泵22和蠕 動泵33各配有供電電源。
如圖4所示，本發明的冷卻裝置40包括一循環水容器41， 一冷卻泵42， 一 製冷模塊43。蛇形冷卻器13的冷卻水出口 132經管路連接循環水容器41的進水 口，循環水容器41的出水口通過管路與冷卻泵42的入口連接，冷卻泵42的出口 通過管路與製冷模塊43的入口連接，製冷模塊43的出口通過管路與冷卻水套155 的冷卻水入口 156連接，冷卻水套155的冷卻水出口 157通過管路與蛇形冷卻器 13的冷卻水入口 131連接，形成閉路循環。冷卻泵42也配有供電電源。
如圖5所示，製冷模塊43包括一有機玻璃片431， 一矽橡膠片432， 一銅片 433，兩個半導體製冷片434，兩個散熱片435，兩個散熱風扇436。有機玻璃片 431、矽橡膠片432、銅片433、半導體製冷片434、散熱片435和散熱風扇436 用螺絲依次固定構成製冷模塊。
在本實施例的製冷模塊43中，銅片433表面設有凹槽(圖中未示出)，冷卻 水在其中流動，有機玻璃片431通過矽橡膠片432使銅片433上的凹槽密封，半 導體製冷片434為銅片433提供低溫，散熱片435和散熱風扇436使製冷片434 的熱量得以散發，以保證製冷片434正常工作，使在銅片433的凹槽中流動的冷 卻水降溫。 '
如圖4所示，在本實施例中冷卻泵42帶動整個閉路循環的水循環流動，循環 水通過製冷模塊43進行冷卻，依次通過氣溶膠撞擊收集器15的冷卻水套155和 蛇形冷卻器13的冷卻水通道，最後回到循環水容器41中，如此往復循環。
如圖6所示，本發明的電路部件50包括 一控制電路51，其由220V交流電 源供電。控制電路51通過導線連接一固態繼電器52，固態繼電器52通過導線連 接電加熱棒31，控制電路51還通過導線連接一對液面傳感器54，液面傳感器54 通過聚四氟乙烯接口 53和聚四氟乙烯接口 35連接在氣路部件IO的管路接口 113、114上。
在本實施例中，當蠕動泵33為蒸汽發生提供連續恆流的純水時，對稱設置的 液面傳感器54通過純水被導通，控制電路51通過固態繼電器52使電加熱棒31 在220V交流電壓下工作。當由於某些原因未能給蒸汽發生裝置提供純水以發生蒸 汽時，電加熱棒13的電源將被斷開，此時電路對蒸汽發生裝置實施斷水保護。
綜上所述，本發明方法是利用電加熱棒31在連續恆流的純水中加熱產生的蒸 汽，通過管路進入氣溶膠吸溼長大腔11，與進入氣流入口 111的氣流相遇，隨著 氣流在氣溶膠吸溼長大腔ll中的停留(停留時間大於0.3s)，伴隨著自然冷卻作 用，氣溶膠吸溼長大，汽流帶著吸溼長大了的氣溶膠進入蛇形冷卻器13，使熱汽 氣流冷卻形成溶液，此過程中氣溶膠被捕集至溶液中，氣流帶著冷凝形成的溶液 在氣溶膠撞擊收集器15中實現氣溶膠的收集以及氣液的分離，收集到的溶液通過 蠕動泵22從氣溶膠撞擊收集器15的溶液出口 153連續取出，而氣流在採樣泵21 的作用下被從氣溶膠撞擊收集器15的氣流出口 152排出。
如圖2、圖3、圖4及圖6所示，本發明方法的操作步驟如下
1、 啟動過程
首先啟動採樣泵21，再依次打開蠕動泵33和蠕動泵22，並打開所有電源， 採樣泵21、蠕動泵33和蠕動泵22在整個採樣過程中，始終保持運轉狀態。當蒸 汽進入管112中電加熱棒31附近的蒸汽源水逐漸增多，液面傳感器54兩端被導 通，控制電路51通過固態繼電器52控制電加熱棒31工作，發生約1.2g/min的蒸 汽。當蒸汽能穩定發生時，調節流量調節閥19，使得採樣流量維持在16.7L/min。 等待工作狀況穩定，完成啟動，此過程約數分鐘。
2、 採樣過程
電加熱棒31工作產生的蒸汽在蒸汽進入管112中上升，與氣溶膠吸溼長大腔 11的氣流入口 111的氣流相遇，隨著氣流在氣溶膠吸溼長大腔11中的停留，伴隨 著自然冷卻作用，氣溶膠吸溼長大，汽流帶著吸溼長大了的氣溶膠進入蛇形冷卻 器13，使熱汽氣流冷卻形成溶液，此過程中氣溶膠被捕集至溶液中，氣流帶著冷 凝形成的溶液在氣溶膠撞擊收集器15中實現氣溶膠的收集以及氣液的分離，收集 到的溶液通過蠕動泵22從氣溶膠撞擊收集器15的溶液出口 153連續取出，而氣 流在採樣泵21的作用下從氣溶膠撞擊收集器15的氣流出口 152排出。
3、 維護過程
為保持蒸汽發生純水的供應，需要定期觀察真空表17，真空表17的讀數與初 始讀數偏差較大時說明採樣流量不正常，需要調節流量調節闊19。如將調節流量調節閥19開啟至最到限度，仍未達到要求流量，則需更換氣體過濾器20。定期標 定採樣流量。定期測量管路34單位時間純水的流量，即為蒸汽發生量，與初始值 偏差較大時應更換蠕動泵管。當冷卻循環水不足時，需往循環水容器41中添加適 當冷卻用水。
除正常調試維護外，本發明可連續不間斷工作。
本實施例中，氣路部件中的氣溶膠吸溼長大腔、蛇形冷卻器和氣溶膠撞擊收 集器均採用玻璃為材料加工製作，連接部件接口採用惰性材料聚四氟乙烯製作， 保證了採樣過程的樣品性質不發生變化。
本實施例中，氣溶膠撞擊收集器中的噴嘴直徑為F1.8-FL9 (mm)。
權利要求
1、一種大氣氣溶膠捕集方法，其是利用電加熱棒對連續恆流的純水加熱使之全部轉化為蒸汽，所述蒸汽在氣溶膠吸溼長大腔中與大氣氣流相遇，隨著蒸汽氣流在氣溶膠吸溼長大腔中的停留，伴隨著自然冷卻作用，氣溶膠吸溼長大，汽流帶著吸溼長大了的氣溶膠進入蛇形冷卻器，使熱汽氣流冷卻形成溶液，此過程中氣溶膠被捕集至溶液中，氣流帶著冷凝形成的溶液在氣溶膠撞擊收集器中實現氣液的分離以及氣溶膠的收集。
2、 一種實現大氣氣溶膠捕集方法的裝置，其特徵在於它包括氣路部件，為 所述氣路提供蒸汽的蒸汽發生部件，為所述氣路循環降溫的冷卻裝置，控制所述 蒸汽發生部件、所述氣路部件和所述冷卻裝置的電路部件；所述氣路部件包括氣溶膠吸溼長大腔，所述氣溶膠吸溼長大腔通過聚四氟乙 烯接口連接蛇形冷卻器，所述蛇形冷卻器通過聚四氟乙烯接口連接氣溶膠撞擊收 集器，所述氣溶膠撞擊收集器通過三通接口連接真空表、流量調節閥、氣體過濾 器和採樣泵，所述氣溶膠撞擊收集器還連接收集氣溶膠的蠕動泵；所述蒸汽發生部件包括一電加熱棒，所述電加熱棒通過聚四氟乙烯接口與所 述氣溶膠吸溼長大腔連接， 一蠕動泵通過管路和聚四氟乙烯接口與所述氣溶膠吸 溼長大腔連接；所述冷卻裝置包括一循環水容器，所述循環水容器連接一冷卻泵，所述冷卻 泵連接一製冷模塊，所述製冷模塊連接所述氣溶膠撞擊收集器的冷卻水套，所述 循環水容器還連接蛇形冷卻器；所述電路部件包括一控制電路，所述控制電路連接一固態繼電器，所述固態 繼電器連接所述電加熱棒，所述控制電路還連接一對液面傳感器，所述液面傳感 器通過聚四氟乙烯接口與所述氣溶膠吸溼長大腔連接。
3、 如權利要求2所述的一種大氣氣溶膠捕集裝置，其特徵在於所述製冷模塊 包括一銅片，所述銅片表面有凹槽，所述凹槽中裝有冷卻水，所述銅片上方設置 有一矽橡膠片，所述矽橡膠片上方設置有一有機玻璃片，所述有機玻璃片通過所 述矽橡膠片對銅片表面凹槽密封，所述銅片下方設置有半導體製冷片，半導體制 冷片下方設置有散熱片，所述散熱片下方設置有散熱風扇。
4、 如權利要求2或3所述的一種大氣氣溶膠捕集裝置，其特徵在於所述氣溶 膠吸溼長大腔、蛇形冷卻器和氣溶膠撞擊收集器均採用玻璃為材料加工製作，所 述各接口均採用聚四氟乙烯材料製作。
全文摘要
本發明涉及一種大氣氣溶膠捕集方法及裝置，其特徵在於利用電加熱棒在連續恆流的純水中加熱產生蒸汽，所述蒸汽在氣溶膠吸溼長大腔中與大氣氣流相遇，隨著蒸汽氣流在氣溶膠吸溼長大腔中的停留，伴隨著自然冷卻作用，氣溶膠吸溼長大，汽流帶著吸溼長大了的氣溶膠進入蛇形冷卻器，使熱汽氣流冷卻形成溶液，此過程中氣溶膠被捕集至溶液中，氣流帶著冷凝形成的溶液在氣溶膠撞擊收集器中實現氣液的分離以及氣溶膠的收集。所述氣溶膠捕集裝置包括氣路部件，為所述氣路提供蒸汽的蒸汽發生部件，為所述氣路循環降溫的冷卻裝置，控制所述蒸汽發生部件、所述氣路部件和所述冷卻裝置的電路部件。本發明可有效的實現氣溶膠的快速捕集及其化學成分的在線自動分析。
文檔編號G01N1/20GK101315314SQ20081011613
公開日2008年12月3日 申請日期2008年7月3日 優先權日2008年7月3日
發明者吳宇聲, 曾立民 申請人:北京大學