CN101315314B - 一种大气气溶胶捕集方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大气气溶胶捕集方法及装置，其特征在于利用电加热棒在连续恒流的纯水中加热产生蒸汽，所述蒸汽在气溶胶吸湿长大腔中与大气气流相遇，随着蒸汽气流在气溶胶吸湿长大腔中的停留，伴随着自然冷却作用，气溶胶吸湿长大，汽流带着吸湿长大了的气溶胶进入蛇形冷却器，使热汽气流冷却形成溶液，此过程中气溶胶被捕集至溶液中，气流带着冷凝形成的溶液在气溶胶撞击收集器中实现气液的分离以及气溶胶的收集。所述气溶胶捕集装置包括气路部件，为所述气路提供蒸汽的蒸汽发生部件，为所述气路循环降温的冷却装置，控制所述蒸汽发生部件、所述气路部件和所述冷却装置的电路部件。本发明可有效的实现气溶胶的快速捕集及其化学成分的在线自动分析。

Description

一种大气气溶胶捕集方法及装置

技术领域

本发明涉及一种大气气溶胶捕集方法及装置。

背景技术

目前大气污染物的种类很多，根据其存在的状态，可以概括为两大类：即气态污染物和气溶胶状态污染物。气溶胶是指能悬浮于气体介质中的固态粒子或液态粒子，主要有尘、液滴、化学粒子等。目前捕集大气中气溶胶的采样方法一般为离线采样方法和在线采样方法两种，其中离线采样方法包括：膜采样法、撞击式分级采样法等方法，在线采样方法包括：颗粒物-液体转换采集***(Particle-into-liquid sampler，简称PILS)、蒸汽喷射气溶胶收集装置(Steam JetAerosol Collector，简称SJAC)等方法。

对于气溶胶的采样分析，目前国内外大多采用传统的膜法采样，然后称量、提取、分析。此方法存在的缺陷有：采样时间长，操作步骤繁琐，组分在采样和保存过程中易改变等。这就使所得到的数据产生偏差，尤其是半挥发性组分的测量不易得到准确结果。近年来，一系列新的基于“蒸汽喷射收集技术”原理的气溶胶连续收集装置已经被研制出来，这种技术是气溶胶细粒子在饱和水蒸汽中快速吸湿长大，长大后的液滴利用撞击收集下来。然后与各种可连续分析气溶胶中化学成分的自动、半自动分析仪器相连，从而实现气溶胶中化学成分的自动、半自动分析。

目前我国对气溶胶在线采样技术的研究还处于刚起步阶段，国内对气溶胶化学成分的测定大部分还停留在使用传统的滤膜采样器或惯性撞击采样器的方法，将气溶胶收集到滤膜上，人工提取后再分析其中的化学成分。国内只有极少量的文献报道了气溶胶化学成分的连续定点观测数据，其主要原因是缺乏有效的气溶胶快速捕集器及其化学成分在线自动分析设备。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种可连续采样、可实现有效快速捕集的大气气溶胶捕集方法及装置。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种大气气溶胶捕集方法，其是利用电加热棒对连续恒流的纯水加热使之全部转化为蒸汽，所述蒸汽在气溶胶吸湿长大腔中与大气气流相遇，随着蒸汽气流在气溶胶吸湿长大腔中的停留，伴随着自然冷却作用，气溶胶吸湿长大，汽流带着吸湿长大了的气溶胶进入蛇形冷却器，使热汽气流冷却形成溶液，此过程中气溶胶被捕集至溶液中，气流带着冷凝形成的溶液在气溶胶撞击收集器中实现气液的分离以及气溶胶的收集。

一种实现大气气溶胶捕集方法的装置，其特征在于：它包括气路部件，为所述气路提供蒸汽的蒸汽发生部件，为所述气路循环降温的冷却装置，控制所述蒸汽发生部件、所述气路部件和所述冷却装置的电路部件；所述气路部件包括气溶胶吸湿长大腔，所述气溶胶吸湿长大腔通过聚四氟乙烯接口连接蛇形冷却器，所述蛇形冷却器通过聚四氟乙烯接口连接气溶胶撞击收集器，所述气溶胶撞击收集器通过三通接口连接真空表、流量调节阀、气体过滤器和采样泵，所述气溶胶撞击收集器还连接收集气溶胶的蠕动泵；所述蒸汽发生部件包括一电加热棒，所述电加热棒通过聚四氟乙烯接口与所述气溶胶吸湿长大腔连接，一蠕动泵通过管路和聚四氟乙烯接口与所述气溶胶吸湿长大腔连接；所述冷却装置包括一循环水容器，所述循环水容器连接一冷却泵，所述冷却泵连接一制冷模块，所述制冷模块连接所述气溶胶撞击收集器的冷却水套，所述循环水容器还连接蛇形冷却器；所述电路部件包括一控制电路，所述控制电路连接一固态继电器，所述固态继电器连接所述电加热棒，所述控制电路还连接一对液面传感器，所述液面传感器通过聚四氟乙烯接口与所述气溶胶吸湿长大腔连接。

所述制冷模块包括一铜片，所述铜片表面有凹槽，所述凹槽中装有冷却水，所述铜片上方设置有一硅橡胶片，所述硅橡胶片上方设置有一有机玻璃片，所述有机玻璃片通过所述硅橡胶片对铜片表面凹槽密封，所述铜片下方设置有半导体制冷片，半导体制冷片下方设置有散热片，所述散热片下方设置有散热风扇。

所述气溶胶吸湿长大腔、蛇形冷却器和气溶胶撞击收集器均采用玻璃为材料加工制作，所述各接口均采用聚四氟乙烯材料制作。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于将纯水通过蠕动泵连续稳定地导向加热的电热棒，在单位时间内能产生定量的水蒸汽。2、本发明由于采用吸湿长大腔，让饱和水蒸汽与气溶胶充分接触，在空气的自然冷却作用下保证气溶胶充分的吸湿、停留长大。3、本发明采用蛇形冷却管使吸湿长大的细粒子随过饱和水蒸汽冷却、溶解，实现了溶液对细粒子的捕集。4、本发明由于采用在气溶胶撞击收集器中，溶液随气流流过的喷嘴直径在F1.8-F1.9(mm)，使气流被加速，由于惯性作用，溶液撞击挡板后在重力作用下往下流，实现气液分离，溶液通过蠕动泵连续取出。5、本发明上述喷嘴同时起到限定气流速度的作用，通过对抽气泵旁路阀的调节，可实现对采样气流流速的控制。6、本发明装置整个***分为三大部分，每部分都可进行拆卸，搬运方便。三部分及连接部件都是选用了惰性材料(玻璃和聚四氟乙烯等)，保证了采样过程的样品性质不发生变化。7、本发明选用了玻璃结构的部件，有利于观察内部工作状况，便于及时发现和排除故障。8、本发明可连续采样，携带方便，可实现有效快速捕集及其化学成分在线自动分析。

附图说明

图1是本发明结构示意图

图2是本发明气路部件结构示意图

图3是本发明蒸汽发生部件结构示意图

图4是本发明的制冷装置流程示意图

图5是本发明的制冷模块结构示意图

图6是本发明的蒸汽发生断水保护结构示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明包括气路部件10，蒸汽发生部件30，冷却装置40，电路部件50。

如图1、图2所示，本发明气路部件10包括一气溶胶吸湿长大腔11，一聚四氟乙烯接口12，一蛇形冷却器13，另一聚四氟乙烯接口14，一气溶胶撞击收集器15，一三通(接口)16，一真空表17，另一三通(接口)18，一流量调节阀19，一气体过滤器20，一采样泵21，一蠕动泵22。

如图2所示，本发明气溶胶吸湿长大腔11，其一端为气流入口111，下部的一端设置有蒸汽进入管112，在蒸汽进入管112的下部横向对称设置有二管路接口113、114，在气溶胶吸湿长大腔11下部的另一端设置有蒸汽与大气气溶胶的混合气流出口115，混合气流出口115通过聚四氟乙烯接口12连接蛇形冷却器13，蛇形冷却器13具有一腔体，在腔体下部设置冷却水进口131，腔体上部设置冷却水出口132，腔体内部设置蛇形气流管133，蛇形气流管133的入口通过聚四氟乙烯接口12与气流出口115连接，蛇形气流管133的出口通过聚四氟乙烯接口14与气溶胶撞击收集器15连接，气溶胶撞击收集器15具有一腔体，在腔体一端设置有气流入口151，腔体上部设置气流出口152，腔体下部设置一溶液出口153，溶液出口153连接蠕动泵22。在腔体内部设置有一喷嘴154，喷嘴154的另一端则连接聚四氟乙烯接口14，与蛇形气流管133的出口连通。腔体15外部还设置有一冷却水套155，在冷却水套155的下部设置有冷却水入口156，在冷却水套155的上部设置有冷却水出口157。气流出口152通过三通接口16与真空表17连接，三通接口16的另一接口还与三通接口18连接，三通接口18的一个接口连接流量调节阀19与气体过滤器20，另一接口则与采样泵21连接。

如图3所示，本发明的蒸汽发生部件30包括一电加热棒31，其通过一聚四氟乙烯接口32伸入蒸汽进入管112的下口中，一蠕动泵33，通过管路34和聚四氟乙烯接口35与管路接口114连接，由于蠕动泵33的转速恒定，故可为蒸汽发生部件30提供连续恒流的纯水，由于电加热棒31的功率足够大，可将纯水全部转化为蒸汽，所产生的蒸汽顺着蒸汽进入管112进入气溶胶吸湿长大腔11中。本发明气路部件10、蒸汽发生部件30和冷却装置40中的采样泵21、蠕动泵22和蠕动泵33各配有供电电源。

如图4所示，本发明的冷却装置40包括一循环水容器41，一冷却泵42，一制冷模块43。蛇形冷却器13的冷却水出口132经管路连接循环水容器41的进水口，循环水容器41的出水口通过管路与冷却泵42的入口连接，冷却泵42的出口通过管路与制冷模块43的入口连接，制冷模块43的出口通过管路与冷却水套155的冷却水入口156连接，冷却水套155的冷却水出口157通过管路与蛇形冷却器13的冷却水入口131连接，形成闭路循环。冷却泵42也配有供电电源。

如图5所示，制冷模块43包括一有机玻璃片431，一硅橡胶片432，一铜片433，两个半导体制冷片434，两个散热片435，两个散热风扇436。有机玻璃片431、硅橡胶片432、铜片433、半导体制冷片434、散热片435和散热风扇436用螺丝依次固定构成制冷模块。

在本实施例的制冷模块43中，铜片433表面设有凹槽(图中未示出)，冷却水在其中流动，有机玻璃片431通过硅橡胶片432使铜片433上的凹槽密封，半导体制冷片434为铜片433提供低温，散热片435和散热风扇436使制冷片434的热量得以散发，以保证制冷片434正常工作，使在铜片433的凹槽中流动的冷却水降温。

如图4所示，在本实施例中冷却泵42带动整个闭路循环的水循环流动，循环水通过制冷模块43进行冷却，依次通过气溶胶撞击收集器15的冷却水套155和蛇形冷却器13的冷却水通道，最后回到循环水容器41中，如此往复循环。

如图6所示，本发明的电路部件50包括：一控制电路51，其由220V交流电源供电。控制电路51通过导线连接一固态继电器52，固态继电器52通过导线连接电加热棒31，控制电路51还通过导线连接一对液面传感器54，液面传感器54通过聚四氟乙烯接口53和聚四氟乙烯接口35连接在气路部件10的管路接口113、114上。

在本实施例中，当蠕动泵33为蒸汽发生提供连续恒流的纯水时，对称设置的液面传感器54通过纯水被导通，控制电路51通过固态继电器52使电加热棒31在220V交流电压下工作。当由于某些原因未能给蒸汽发生装置提供纯水以发生蒸汽时，电加热棒13的电源将被断开，此时电路对蒸汽发生装置实施断水保护。

综上所述，本发明方法是利用电加热棒31在连续恒流的纯水中加热产生的蒸汽，通过管路进入气溶胶吸湿长大腔11，与进入气流入口111的气流相遇，随着气流在气溶胶吸湿长大腔11中的停留(停留时间大于0.3s)，伴随着自然冷却作用，气溶胶吸湿长大，汽流带着吸湿长大了的气溶胶进入蛇形冷却器13，使热汽气流冷却形成溶液，此过程中气溶胶被捕集至溶液中，气流带着冷凝形成的溶液在气溶胶撞击收集器15中实现气溶胶的收集以及气液的分离，收集到的溶液通过蠕动泵22从气溶胶撞击收集器15的溶液出口153连续取出，而气流在采样泵21的作用下被从气溶胶撞击收集器15的气流出口152排出。

如图2、图3、图4及图6所示，本发明方法的操作步骤如下：

1、启动过程：

首先启动采样泵21，再依次打开蠕动泵33和蠕动泵22，并打开所有电源，采样泵21、蠕动泵33和蠕动泵22在整个采样过程中，始终保持运转状态。当蒸汽进入管112中电加热棒31附近的蒸汽源水逐渐增多，液面传感器54两端被导通，控制电路51通过固态继电器52控制电加热棒31工作，发生约1.2g/min的蒸汽。当蒸汽能稳定发生时，调节流量调节阀19，使得采样流量维持在16.7L/min。等待工作状况稳定，完成启动，此过程约数分钟。

2、采样过程：

电加热棒31工作产生的蒸汽在蒸汽进入管112中上升，与气溶胶吸湿长大腔11的气流入口111的气流相遇，随着气流在气溶胶吸湿长大腔11中的停留，伴随着自然冷却作用，气溶胶吸湿长大，汽流带着吸湿长大了的气溶胶进入蛇形冷却器13，使热汽气流冷却形成溶液，此过程中气溶胶被捕集至溶液中，气流带着冷凝形成的溶液在气溶胶撞击收集器15中实现气溶胶的收集以及气液的分离，收集到的溶液通过蠕动泵22从气溶胶撞击收集器15的溶液出口153连续取出，而气流在采样泵21的作用下从气溶胶撞击收集器15的气流出口152排出。

3、维护过程：

为保持蒸汽发生纯水的供应，需要定期观察真空表17，真空表17的读数与初始读数偏差较大时说明采样流量不正常，需要调节流量调节阀19。如将调节流量调节阀19开启至最到限度，仍未达到要求流量，则需更换气体过滤器20。定期标定采样流量。定期测量管路34单位时间纯水的流量，即为蒸汽发生量，与初始值偏差较大时应更换蠕动泵管。当冷却循环水不足时，需往循环水容器41中添加适当冷却用水。

除正常调试维护外，本发明可连续不间断工作。

本实施例中，气路部件中的气溶胶吸湿长大腔、蛇形冷却器和气溶胶撞击收集器均采用玻璃为材料加工制作，连接部件接口采用惰性材料聚四氟乙烯制作，保证了采样过程的样品性质不发生变化。

本实施例中，气溶胶撞击收集器中的喷嘴直径为F1.8-F1.9(mm)。

Claims (4)

1.一种大气气溶胶捕集方法，其是利用电加热棒对连续恒流的纯水加热使之全部转化为蒸汽，所述蒸汽在气溶胶吸湿长大腔中与大气气流相遇，随着蒸汽气流在气溶胶吸湿长大腔中的停留，伴随着自然冷却作用，气溶胶吸湿长大，大气气流带着吸湿长大了的气溶胶进入蛇形冷却器，使蒸汽气流冷却形成溶液，此过程中气溶胶被捕集至溶液中，大气气流带着冷凝形成的溶液在气溶胶撞击收集器中实现气液的分离以及气溶胶的收集。

2.一种大气气溶胶捕集装置，其特征在于：它包括气路部件，为所述气路提供蒸汽的蒸汽发生部件，为所述气路循环降温的冷却装置，控制所述蒸汽发生部件、所述气路部件和所述冷却装置的电路部件；

所述气路部件包括气溶胶吸湿长大腔，所述气溶胶吸湿长大腔通过聚四氟乙烯接口连接蛇形冷却器，所述蛇形冷却器通过聚四氟乙烯接口连接气溶胶撞击收集器，所述气溶胶撞击收集器通过三通接口连接真空表、流量调节阀、气体过滤器和采样泵，所述气溶胶撞击收集器还连接收集气溶胶的蠕动泵；

所述蒸汽发生部件包括一电加热棒，所述电加热棒通过聚四氟乙烯接口与所述气溶胶吸湿长大腔连接，一蠕动泵通过管路和聚四氟乙烯接口与所述气溶胶吸湿长大腔连接；

所述冷却装置包括一循环水容器，所述循环水容器连接一冷却泵，所述冷却泵连接一制冷模块，所述制冷模块连接所述气溶胶撞击收集器的冷却水套，所述循环水容器还连接蛇形冷却器；

所述电路部件包括一控制电路，所述控制电路连接一固态继电器，所述固态继电器连接所述电加热棒，所述控制电路还连接一对液面传感器，所述液面传感器通过聚四氟乙烯接口与所述气溶胶吸湿长大腔连接。

3.如权利要求2所述的一种大气气溶胶捕集装置，其特征在于所述制冷模块包括一铜片，所述铜片表面有凹槽，所述凹槽中装有冷却水，所述铜片上方设置有一硅橡胶片，所述硅橡胶片上方设置有一有机玻璃片，所述有机玻璃片通过所述硅橡胶片对铜片表面凹槽密封，所述铜片下方设置有半导体制冷片，半导体制冷片下方设置有散热片，所述散热片下方设置有散热风扇。

4.如权利要求2或3所述的一种大气气溶胶捕集装置，其特征在于所述气溶胶吸湿长大腔、蛇形冷却器和气溶胶撞击收集器均采用玻璃为材料加工制作，所述各接口均采用聚四氟乙烯材料制作。

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