CN110146523A - 一种大气气态污染物与颗粒物原位反应装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大气气态污染物与颗粒物的原位反应装置及检测方法，属于大气多相反应检测技术领域，解决了现有技术中缺乏基于实际环境的气态污染物与颗粒物的原位反应装置及检测方法。本发明的原位反应装置包括依次连接的进样单元、反应单元和采样单元，进样单元用于大气气态污染物与颗粒物进样；反应单元包括结构相同的第一反应室、第二反应室和第三反应室；第一反应室内设有第一载物台，第一载物台上设有第一孔槽，第一孔槽用于固定第一颗粒物装载片；采样单元用于检测气体流速和累计流量。本发明能够基于实际环境的气态污染物和颗粒物进行反应模拟和产物检测。

Description

一种大气气态污染物与颗粒物原位反应装置及检测方法

技术领域

本发明涉及大气多相反应检测技术领域，尤其涉及一种大气气态污染物与颗粒物的原位反应装置及检测方法。

背景技术

大气中的气态污染物，包括NOx、SO₂、O₃、无机酸(硫酸、硝酸等)、有机酸(甲酸、乙酸等)等成分。这些气态污染物，在颗粒物表面发生多相反应形成复杂的二次无机气溶胶及二次有机气溶胶。

由于真实大气中的成分非常复杂，包括无机气体、有机挥发性气体、以及一次排放的黑炭、矿物、粉煤灰等颗粒物。现有的研究主要基于外场观测以及实验室模拟，缺乏基于实际环境的气体污染物与颗粒物的原位反应装置。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种大气气态污染物与颗粒物的原位反应装置及检测方法，用以解决现有技术中缺乏基于实际环境的气态污染物与颗粒物的原位反应装置。

本发明公开了一种大气气态污染物与颗粒物的原位反应装置，包括依次连接的进样单元、反应单元和采样单元，进样单元用于大气气态污染物与颗粒物的进样；反应单元包括结构相同的第一反应室、第二反应室和第三反应室；第一反应室内设有第一载物台，第一载物台上设有第一孔槽，第一孔槽用于固定第一颗粒物装载片；采样单元用于检测气体流速和累计流量。

在一种可能的设计中，第一反应室为暗反应室；第二反应室为光源照射反应室；第三反应室为空白对照反应室；第一反应室至第三反应室的进口和出口处对应设有用于调节气态污染物流量的第一阀门、第二阀门和第三阀门；光源包括氙灯、紫外灯管、卤素灯、氘灯或LED灯。

在一种可能的设计中，反应单元还包括第四反应室，第四反应室为重污染空气反应室；第四反应室的进口和出口处均设有用于调节空气流量的第四阀门。

在一种可能的设计中，第一颗粒物装载片用于承载矿物和金属氧化物的颗粒物；矿物和金属氧化物用于与气态污染物反应生成新的颗粒物。

在一种可能的设计中，第一颗粒物装载片包括铜网、硅片或111玻璃。

在一种可能的设计中，采样单元包括采样泵和气体流速控制器；采样泵用于将大气气态污染物和颗粒物抽入反应单元中；气体流速控制器用于检测通过采样泵的气体瞬时流速和累计流量。

在一种可能的设计中，进样单元包括气体管路和颗粒物去除装置，颗粒物去除装置包括滤膜，滤膜的材质为聚四氟乙烯、石英和玻纤中的一种。

在一种可能的设计中，气体流速控制器为质量流量计、浮子流量计或限流孔。

本发明还公开了一种大气气态污染物与颗粒物的原位检测方法，采用上述的大气气态污染物与颗粒物的原位反应装置，该原位检测方法包括：

步骤S1.利用采样单元将气体抽入反应单元内，气体经进样单元后去除空气中颗粒物后成为气态污染物；

步骤S2.将气态污染物引入暗反应室和光源照射反应室内并与其内的颗粒物反应生成新的颗粒物，空白对照反应室内设有与暗反应室和光源照射反应室相同的颗粒物；

步骤S3.对光源照射反应室和暗反应室内新生成的颗粒物分别采用透射电子显微镜TEM和EDX能谱仪进行表征和分析。

进一步地，在步骤S2中，同时将大气气态污染物引入重污染空气反应室，重污染空气反应室内的颗粒物与暗反应室和空白对照反应室内的颗粒物相同。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

(1)本发明的原位反应装置设有光源照射反应室、暗反应室、空白对照反应室和重污染空气反应室，其中，空白对照反应室能够实现与暗反应和光源照射下气固反应的鲜明对比。通过设定不同测定条件的反应室能够基于实际环境的大气气体污染物与颗粒物进行原位反应，实现大气中气态污染物与选取的固态颗粒物样品反应，并通过透射电镜或扫描电镜形貌、EDS测试反应后样品的形貌和元素分析。

(2)通过设置与反应单元连接的采样单元，不仅能够准确检测通过流量调节阀的瞬时流速和累计流量，采样泵还可以以恒定的流速将大气气态污染物抽入对应反应室内，保证原位反应顺利进行。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书实施例以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为实施例1提供的大气气态污染物与颗粒物的原位反应装置示意图；

图2为实施例1提供的第一反应室的结构示意图；

图3为本发明实施例3提供的在LED灯照射下生成的新的颗粒物的透射电子显微镜测试图；

图4为本发明实施例3提供的空白对照反应室内的颗粒物样品的透射电子显微镜测试图。

附图标记：

1-采样泵；2-气体流速控制器；3-第四载物台3；4-第四颗粒物装载片4；5-颗粒物去除装置；6-气体管路；7-暗反应室；8-光源反应室；9-空白对照反应室；10-重污染空气反应室；11-第三阀门；12-滤光片；13-第一载物台；14-第一反应室。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

本实施例公开了一种大气气态污染物与颗粒物的原位反应装置，如图1和图2所示，包括依次连接的进样单元、反应单元和采样单元，进样单元用于大气气态污染物与颗粒物进样；反应单元包括结构相同的第一反应室14、第二反应室和第三反应室；第一反应室14内设有第一载物台13，第一载物台13上设有第一孔槽，第一孔槽用于固定第一颗粒物装载片；采样单元用于检测气体流速和累计流量。

示例性地，本发明的反应装置包括依次连接的进样单元、反应单元和采样单元，其中，大气气态污染物和颗粒物首先进入进样单元，进样单元将大气中的颗粒物过滤后只剩下气体污染物，该部分气态污染物进入与进样单元连接的反应单元中；反应单元包括结构相同的第一反应室14、第二反应室和第三反应室，第一反应室14内设有第一载物台13，第一载物台13上设有第一孔槽，第一孔槽内设有第一颗粒物装载片，第一孔槽用于固定该第一颗粒物装载片，另外，第一反应室上设有第一滤光片，第一滤光片用于同时密封第一反应室；对应的，第二反应室内设有第二载物台，第二载物台上设有第二孔槽，第二孔槽内设有第二颗粒物装载片，第二孔槽同样用于固定第二颗粒物装载片；第三反应室内设有第三载物台，第三载物台上设有第三孔槽，第三孔槽内设有第三颗粒物装载片，第三孔槽同样用于固定第三颗粒物装载片；由进样单元进入的气态污染物分别进入第一反应室和第二反应室内，并与第一反应室和第二反应室内的第一颗粒物装载片和第二颗粒物装载片上的对应颗粒发生反应，生成新的颗粒物；反应后剩余的气体通过采用单元排出，采样单元用于检测气体流速和累计流量。

与现有技术相比，本发明能够基于实际环境的气体污染物与颗粒物进行原位的反应模拟及产物检测，好处在于去除了大气中已有颗粒物，使得只有大气中污染气体与选用颗粒样品作用。通过检测反应后产物确定何种污染形成过程占主要，其中，颗粒物样品可以采用单一成分，如石英、碳酸钙、高岭土等，通过与大气气态污染物反应后，测定颗粒物表面成分的变化、形貌等性质的变化；也可以采用实际颗粒物，如直接排放的粉煤灰、烟尘等；或者环境中直接采集的颗粒物样品。本发明研究的核心在已经表征的颗粒物表面，研究实际气态污染物及湿度光照条件下，颗粒物上的反应过程。

需要注意的是，第二反应室的第一滤光片12可以采用石英、玻璃、金属等不同材质，第一滤光片不仅可以作为密封，同时能够对光的不同波长进行截止和通过，如石英能够实现所有波长为200nm以上紫外光的通过，玻璃的截止波长为350nm左右，仅让波长为350nm以上的光通过。

为了研究特定条件下的大气气态污染物和颗粒物，反应单元的第一反应室14为暗反应室7；第二反应室为光源照射反应室8；第三反应室可以为空白对照反应室9(根据反应实际需要可以进行调整)；第一反应室14至第三反应室的进口和出口处对应设有用于调节空气流量的第一阀门11至第三阀门11。

具体地，当需要研究在黑暗条件下和特定光照条件下的气态污染物和颗粒物的反应时，利用锡箔遮盖住第一反应室14，此时第一反应室14为暗反应室7；将第二反应室设定在特定光照条件下，此时第二反应室为光源照射反应室8；当第三反应室不通入气体时为空白对照组；需要说明的是，为了精确控制进入第一反应室14至第三反应室内的气态污染物的流量，第一反应室14至第三反应室的进口和出口处对应设有用于调节气态污染物流量的第一阀门11、第二阀门和第三阀门11；另外，光源包括配有特定滤光片的氙灯、紫外灯管、卤素灯、氘灯、LED灯等光源。

为了研究重污染条件下的大气气态污染物和颗粒物，反应单元还包括与第一反应室14结构相同的第四反应室，第四反应室为重污染空气反应室10；第四反应室的进口和出口处均设有用于调节空气流量的第四阀门11。

具体地，当遇到重污染天气时，大气中的气态污染物和颗粒物含量会明显高于平时，利用进样单元过滤掉该重污染空气中的颗粒物，得到气态污染物，该气态污染物被引入重污染空气反应室10内，其中，第四反应室内设有第四载物台3，第四载物台3上设有第四孔槽，第四孔槽内设有第四颗粒物装载片，第四孔槽用于固定第三颗粒物装载片；气态污染物与第四颗粒物装载片4上的颗粒物进行反应，生成新的颗粒物，反应后剩余的气体通过采用单元排出，采样单元用于检测气体流速和累计流量。

需要强调的是，对于暗反应室7，大气气态反应物进入暗反应室7与并与其内的颗粒物产生作用，该作用会改变颗粒物形貌，形成新的颗粒物，通过采用透射电子显微镜(TEM)和EDX能谱仪对新的颗粒物进行分析。

对于光源反应室，光反应可以使颗粒物表面的反应更加复杂，光反应包括激发态及自由基等一系列过程，但其更贴近实际环境，比如光照条件下含铁及钛的颗粒物会吸收光发生光催化反应，使得颗粒物表面活性变高，会有更多的气态污染物被氧化。

对于空白对照反应室9，空白组内同样设有颗粒物样品，但关闭进气阀门11，不存在持续进气条件；空白对照反应室9内的颗粒物样品能够与光源反应室和暗反应室7内的颗粒样品形成对比。

为了更好的承载颗粒物，第一颗粒物装载片用于承载矿物和金属氧化物的颗粒物；矿物和金属氧化物为用于与气态污染物反应生成新的颗粒物；其中，第一颗粒物装载片为铜网、硅片或玻璃；矿物和金属氧化物包括高岭土、方解石、石英、硅铝酸盐、真实土壤、粉煤灰和沙化土壤样品等等。

为了将采集去除颗粒物的大气气态污染物输送至反应单元，采样单元包括采样泵1和气体流速控制器2；采样泵1用于将大气气态污染物和颗粒物抽入反应单元中；气体流速控制器2用于检测通过采样泵1的气体瞬时流速和累计流量。

为了去除大气中的颗粒物，进样单元包括气体管路6和颗粒物去除装置5，颗粒物去除装置5包括滤膜，滤膜的材质为聚四氟乙烯、石英和玻纤中的一种。具体地，大气气体通过气体管路6进入颗粒物去除装置5且其中的颗粒物被脱除，形成大气气态污染物，通过采样单元将该大气气态污染物引入对应的反应室，并与各对应反应室内的颗粒物发生相应的反应，产生新的颗粒物。

本发明的采样泵1采用隔膜泵、活塞泵或者旋片泵中的一种，采样泵1将抽入的大气气态污染物引入对应的反应室并反应后，通过采样泵1的出口进入外界空气中。

为了以恒定的流速将气体抽入反应单元，采用单元使用气体流速控制器2调节流量，使得气体以设定的速率抽入各个反应室中，其中，气体流速控制器2为质量流量计、浮子流量计或限流孔中的一种。

实施例2

本实施例公开了一种大气气态污染物与颗粒物的原位检测方法，采用实施例1提供的大气气态污染物与颗粒物的原位反应装置，该原位检测方法包括：

步骤S1.利用采样单元将大气抽入反应单元内，气体通过进样单元去除空气中颗粒物后成为大气气态污染物；

步骤S2.大气气态污染物分别进入暗反应室7、光源照射反应室8和重污染空气反应室10内，并与其内的颗粒物发生反应，生成新的颗粒物；其中，暗反应室7、光源照射反应室8、空白对照反应室9和重污染空气反应室内的颗粒物相同，

步骤S3.对步骤S2新生成的不同颗粒物分别采用透射电子显微镜(TEM)和EDX能谱仪进行分析。

需要注意的是，透射电子显微镜(TEM)，可以看到在光学显微镜下无法看清的小于0.2um的细微结构；EDX能谱仪是电子显微镜(扫描电镜、透射电镜)的重要附属配套仪器，结合电子显微镜，能够在1～3分钟之内对测试材料的微观区域的元素分布进行定性定量分析。

与现有大气气态污染物的检测方法相比，本发明提供的大气气态污染物与颗粒物的原位反应装置能够直接连接原位红外、拉曼、紫外、荧光和光学显微镜等表征手段，进而实时检测颗粒物表面的反应过程；而现有的检测方法是采取反应完成后将样品取出，由电镜和XPS等进行离线分析，无法实时监测样品的反应情况。

实施例3

本实施例是采用实施例1提供的大气气态污染物与颗粒物的原位反应装置和实施例2提供的大气气态污染物与颗粒物的原位检测方法，对大气气态污染物和颗粒物进行了反应模拟和产物检测，本实施例的反应单元的各反应室内的颗粒物样品为粉煤灰，对新生成的颗粒物的检测结果如图3所示，空白对照结果如图4所示，具体步骤如下：

步骤S1.利用气体管路6和颗粒物去除装置5将大气样品中的颗粒物除去，然后通过采样泵1将产生的大气气态污染物引入光源照射反应室8，光源照射反应室和空白对照反应室9内的颗粒相同，但关闭空白对照反应室9的进气阀门11，不对空白对照反应室9设定持续进气条件；大气气态污染物与光源照射反应室8内的颗粒物样品-粉煤灰发生反应，生成新的颗粒物；

步骤S3.对步骤S2生成的新的颗粒物采用透射电子显微镜(TEM)和EDX能谱仪进行分析。

需要说明的是，本实施例中的光源照射反应室8采用太阳光照射，将对比太阳光照射的产生的新的颗粒物和空白对照反应室9内的颗粒物样品进行表征和分析；例如，采用EDS测试对其进行表征和测试，分析结果以及各元素质量分数比，得到如下结果：

通过对太阳光照射反应室内的新的颗粒物进行测试，检测到S元素质量百分含量为3.52％(图3)，空白对照反应室9内的颗粒物样品的S元素质量百分含量为0.53％(图4)，这说明含硫气体污染物与粉煤灰作用生成了硫酸盐，即证明了大气气态污染物中存在S元素富集现象。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种大气气态污染物与颗粒物的原位反应装置，其特征在于，包括依次连接的进样单元、反应单元和采样单元，所述进样单元用于大气气态污染物与颗粒物的进样；

所述反应单元包括结构相同的第一反应室、第二反应室和第三反应室；所述第一反应室内设有第一载物台，所述第一载物台上设有第一孔槽，所述第一孔槽用于固定第一颗粒物装载片；

所述采样单元用于检测气体流速和累计流量。

2.根据权利要求1所述的大气气态污染物与颗粒物的原位反应装置，其特征在于，所述第一反应室为暗反应室；所述第二反应室为光源照射反应室；所述第三反应室为空白对照反应室；

所述第一反应室、第二反应室和第三反应室的进口和出口处对应设有用于调节气态污染物流量的第一阀门、第二阀门和第三阀门；

所述光源包括氙灯、紫外灯管、卤素灯、氘灯、LED灯。

3.根据权利要求2所述的大气气态污染物与颗粒物的原位反应装置，其特征在于，所述反应单元还包括第四反应室，所述第四反应室为重污染空气反应室；所述第四反应室的进口和出口处均设有用于调节空气流量的第四阀门。

4.根据权利要求3所述的大气气态污染物与颗粒物的原位反应装置，其特征在于，所述第一颗粒物装载片用于承载矿物和金属氧化物的颗粒物；所述矿物和金属氧化物的颗粒物用于与气态污染物反应并生成新的颗粒物。

5.根据权利要求4所述的大气气态污染物与颗粒物的原位反应装置，其特征在于，所述第一颗粒物装载片为铜网、硅片或玻璃。

6.根据权利要求5所述的大气气态污染物与颗粒物的原位反应装置，其特征在于，所述采样单元包括采样泵和气体流速控制器；所述采样泵用于将大气气态污染物和颗粒物抽入反应单元中；

所述气体流速控制器用于检测通过采样泵的气体瞬时流速和累计流量。

7.根据权利要求1或6所述的大气气态污染物与颗粒物的原位反应装置，其特征在于，所述进样单元包括气体管路和颗粒物去除装置，所述颗粒物去除装置包括滤膜，所述滤膜的材质为聚四氟乙烯、石英和玻纤中的一种。

8.根据权利要求7所述的大气气态污染物与颗粒物的原位反应装置，其特征在于，所述气体流速控制器为质量流量计、浮子流量计或限流孔中的一种。

9.一种大气气态污染物与颗粒物的原位检测方法，其特征在于，采用权利要求1至8所述的大气气态污染物与颗粒物的原位反应装置，所述原位检测方法包括：

步骤S1.利用采样单元将气体抽入反应单元内，气体经进样单元后去除空气中颗粒物后成为气态污染物；

步骤S2.将气态污染物引入暗反应室和光源照射反应室内并与其内的颗粒物反应生成新的颗粒物，空白对照反应室内设有与暗反应室和光源照射反应室相同的颗粒物；

步骤S3.对光源照射反应室和暗反应室内新生成的颗粒物分别采用透射电子显微镜TEM和EDX能谱仪进行表征和分析。

10.根据权利要求9所述的大气气态污染物与颗粒物的原位检测方法，其特征在于，在步骤S2中，同时，将大气气态污染物引入重污染空气反应室，重污染空气反应室内的颗粒物与暗反应室和空白对照反应室内的颗粒物相同。