CN112630123B - 一种评价空气净化膜对纳米级气溶胶去除效果的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种评价空气净化膜对纳米级气溶胶去除效果的装置及方法。一种评价空气净化膜对纳米级气溶胶去除效果的装置，包括用于提供负压和保持测试过程达到一定风量的真空泵、用于放置吸收液的气溶胶收集器、用于去除气溶胶中的水分的冷凝装置、用于提供气溶胶运动传输的通道的试验风道和用于产生纳米气溶胶的气溶胶发生装置，所述的真空泵、气溶胶收集器、试验风道、冷凝装置和气溶胶发生装置依次相连，所述的试验风道设有用于引入气溶胶的引入窗口和固定空气净化膜的净化膜固定装置。本发明提出的评价空气净化膜对纳米级气溶胶去除效果的方法快速、准确，填补目前空气净化膜对纳米级气溶胶过滤效率评价的技术空白。

Description

一种评价空气净化膜对纳米级气溶胶去除效果的装置及方法
技术领域
本发明涉及空气净化产品检测技术领域，尤其涉及一种评价空气净化膜对纳米级气溶胶去除效果的装置及方法。
背景技术
气溶胶是指悬浮在气体分散介质中的固体颗粒物或者液态颗粒，大气中的颗粒污染物主要包括烟尘、细菌、病毒等，漂浮在空气中颗粒物可以通过呼吸作用进入人体导致呼吸道疾病或其他不良的生物效应，且粒径越小，进入部位越深，在肺泡中的沉积率越高。其中，纳米级(1-100nm)的颗粒物进入人体后可通过细胞膜渗透至细胞内导致体内一些激素和酶的活性丧失或致使遗传物质发生突变致使肿瘤发病率升高，其对人体的生物效应作用的大小与颗粒的数量浓度和粒径大小密切相关。因此，大气中纳米颗粒物的去除对于公众健康保障具有重大的意义。
被动吸附过滤式的空气净化是一种常见的室内空气净化技术，其通过风机将待净化空气抽入至空气净化器内，然后通过内置的滤网或者净化膜的过滤作用从待净化空气中拦截和捕集颗粒物实现空气净化。因此，基于被动吸附过滤式的空气净化器对于颗粒物的去除效果很大程度上取决于净化膜的过滤性能，其中，颗粒物的过滤效率是评价空气净化膜过滤颗粒物性能的重要指标之一。
中华人民共和国轻工标准《空气浄化器用滤网式过滤器》(QB/T 5365-2019)提供了一种气态污染物过滤效率的试验方法，该方法通过盐性气溶胶发生器产生气溶胶，通过收集待测净化膜的上游和下游颗粒物，再采用激光尘埃粒子计数器测定上游和下游颗粒物的浓度，根据被截留的颗粒物与上游颗粒物浓度的比率计算过滤效率。由于盐性气溶胶发生器产生的气溶胶颗粒粒径范围为20-2000nm，主要分布于100nm以上，且激光尘埃计数器的粒径测定范围为0.3-10μm。因此，现行的标准方法不适用于评价净化膜对空气中纳米级(1-100nm)的颗粒物的过滤效率。
同时由于现有技术中缺少针对纳米级气溶胶去除效果评价的装置和方法，因此，目前对空气中的纳米级气溶胶的去除效果评价方法存在技术缺失。
发明内容
本发明提供了一种评价空气净化膜对纳米级气溶胶去除效果的装置及方法，本发明通过使用纳米颗粒物溶液和气溶胶发生装置产生纳米级气溶胶，部分气溶胶经过待测空气净化膜被截留，其余部分被收集于吸收液中，然后采用纳米颗粒分析技术测定吸收液中颗粒物的浓度，本发明提出的评价空气净化膜对纳米级气溶胶去除效果的方法快速、准确，填补目前空气净化膜对纳米级气溶胶过滤效率评价的技术空白。
本发明的目的是提出了一种评价空气净化膜对纳米级气溶胶去除效果的装置，包括用于提供负压和保持测试过程达到一定风量的真空泵、用于放置吸收液的气溶胶收集器、用于去除气溶胶中的水分的冷凝装置、用于提供气溶胶运动传输的通道的试验风道和用于产生纳米气溶胶的气溶胶发生装置，所述的真空泵、气溶胶收集器、试验风道、冷凝装置和气溶胶发生装置依次相连，所述的试验风道设有用于引入气溶胶的引入窗口和固定空气净化膜的净化膜固定装置。
优选地，所述的气溶胶发生装置出气端冷凝装置进样口距离为1-5cm。
优选地，所述的试验风道由若干节长方体直通管道或圆柱体直通管道组成。
进一步优选，所述的长方体直通管道或圆柱体直通管道通过法兰连接。
进一步优选，所述的净化膜固定装置通过法兰固定于长方体直通管道或圆柱体直通管道之间，所述的净化膜固定装置包括空气净化膜和设置于空气净化膜两侧的固定板。
进一步优选，所述的冷凝装置为双层套管结构，所述的双层套管结构包括设置有冷凝剂的外套管和设置有气溶胶的内管。冷凝装置为双层套管结构，通过在外套管和内管的环隙通入冷凝剂使内管降温，去除进入试验风道中气溶胶的水分。
本发明还保护一种评价空气净化膜对纳米级气溶胶去除效果的方法，通过上述评价空气净化膜对纳米级气溶胶去除效果的装置来实现，包括如下步骤：
S1：制备金属纳米颗粒物溶液；
S2：根据标准风量以及待测试的空气净化膜的实际测定展开面积，按照比例等比例换算气体流量；
S3：气溶胶收集器中加入纳米颗粒物吸收液，开启真空泵，调节真空泵功率使其达到测试风量；气溶胶发生装置中加入金属纳米颗粒溶液；
S4：试验风道不加入待测空气净化膜，依次启动冷凝装置，气溶胶发生装置以及真空泵，通过施加负压将外部大气和气溶胶抽吸至气溶胶收集器中并维持一段时间后，将得到吸收液样品记录为“Ua”；
S5：更换纳米颗粒物吸收液，试验风道中加入待测空气净化膜，依次启动冷凝装置，气溶胶发生装置以及真空泵，通过施加负压将外部大气和气溶胶抽吸至气溶胶收集器中并维持一段时间后，将得到吸收液样品记录为“Da”；
S6：采用纳米颗粒物测定方法测定纳米颗粒物吸收液中纳米颗粒物的数量浓度，根据公式
Figure BDA0002837071630000041
计算空气净化膜的过滤效率Ea。
步骤S2中，采用低流速(32L/min)和高流速(80L/min)模式对待测空气净化膜进行测试，按照标准面积(100cm2)以及实际测试净化膜面积(25cm2)进行换算，实际测试过程的气体流量为8L/min(低流速)和20L/min(高流速)。
步骤S4中，所述的抽吸时间为5min，维持3min；抽吸完成后，使用纳米颗粒物吸收液将气溶胶收集器与试验风道之间的气管润洗，使沉积于管道中的颗粒物合并至纳米颗粒物吸收液中。
优选地，所述的金属纳米颗粒物溶液选自纳米银氧化物溶液、纳米金氧化物溶液、纳米二氧化钛氧化物溶液、纳米氧化锌氧化物溶液、纳米二氧化硅氧化物溶液和纳米三氧化二铝氧化物溶液中的一种。
优选地，所述的纳米颗粒物吸收液为高纯水，所述的冷凝装置内设置的冷凝剂为高纯水。
步骤S3中，所述的纳米颗粒物吸收液为高纯水，体积为500mL；所述的测试风量为8L/min或20L/min；所述的气溶胶发生装置为超声雾化气溶胶发生装置；所述的冷凝剂为高纯水，高纯水经过低温循环冷却水仪器冷却后从冷凝剂入口进入并从冷凝剂出口流出循环至冷却水机。
优选地，所述的纳米颗粒物测定方法为单颗粒电感耦合等离子体质谱法、纳米颗粒追踪分析法或单粒子瞬态脉冲方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明提出的评价空气净化膜对纳米级气溶胶去除效果装置易于搭建，通过超声雾化纳米颗粒溶液可以即可形成稳定的纳米级气溶胶，方法便捷。
2、本发明采用纳米颗粒物吸收液吸收和富集气溶胶，使用单颗粒电感耦合等离子体质谱法、或纳米颗粒追踪分析法，或紫外吸收光谱法可快速、准确获得100nm气溶胶的浓度以及粒径分布，解决了现有气体颗粒物测量技术(激光尘埃粒子计数法)无法测定纳米级(100nm以下)气溶胶的技术缺陷。
附图说明
图1是本发明一种空气净化膜对纳米级颗粒物去除效果的评价装置结构示意图；
图2是图1中试验风道的横截面结构示意图；
图3是图1中净化膜固定装置横截面结构示意图；
图4是实施例1中低流速过滤前后纳米颗粒粒径分布图；
图5是实施例1中高流速条件过滤前后纳米颗粒物分布数量图；
附图标记说明：1、真空泵；2、气溶胶收集器；21、气溶胶收集器上端接口；22、气溶胶收集器下端接口；3、冷凝装置；31、冷凝剂入口；32、冷凝剂出口；33、冷凝装置进样口；4、试验风道；41、法兰；42、净化膜固定装置；43、引入窗口；5、气溶胶发生装置；51、气溶胶发生装置出气端。
具体实施方式
以下实施例是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。除特别说明，本发明使用的设备和试剂为本技术领域常规市购产品。
实施例1
本实施例采用的空气净化膜样品选自市售的某品牌的空气净化器的过滤模块。
如图1-3所示，一种评价空气净化膜对纳米级气溶胶去除效果的装置，包括：包括用于提供负压和保持测试过程达到一定风量的真空泵1、用于放置吸收液的气溶胶收集器2、用于去除气溶胶中的水分的冷凝装置3、用于提供气溶胶运动传输的通道的试验风道4和用于产生纳米气溶胶的气溶胶发生装置5，真空泵1、气溶胶收集器2、试验风道4、冷凝装置3和气溶胶发生装置5依次相连，试验风道4设有用于引入气溶胶的引入窗口43和固定空气净化膜的净化膜固定装置42。
气溶胶收集器上端接口21和气溶胶收集器下端接口22分别通过气管连接真空泵1和试验风道4。气溶胶发生装置出气端51接近冷凝装置进样口33。试验风道4由若干节长方体或圆柱体直通管道组成(如图2和图3所示)，长方体直通管道或圆柱体直通管道通过法兰41连接。试验风道4的长短通过实际情况确定，在本实施例中试验风道4由3节圆柱体直通管道组成。净化膜固定装置42固定于其中两节圆柱体直通管道之间，净化膜固定装置42包括空气净化膜和设置于空气净化膜两侧的固定板。冷凝装置3为双层套管结构，双层套管结构包括设置有冷凝剂的外套管和设置有气溶胶的内管，外套管的一侧设置有冷凝剂入口31，另一侧设置有冷凝剂出口32，通过在外套管和内管的环隙通入冷凝剂使内管降温，去除进入试验风道中气溶胶的水分。
评价空气净化膜对纳米级气溶胶去除效果的装置的方法，通过上述装置来实现，包括以下步骤：
S1：制备纳米银颗粒物溶液：具体采用硼氢化钠水相还原制备纳米银(AgNPs)溶液，将37.83mg的硼氢化钠溶解在18mL的水中，然后加入2mL柠檬酸钠溶液(300mmol/L)，得到硼氢化钠与柠檬酸钠混合溶液；再向92mL水中加入1mL的柠檬酸钠溶液(300mmol/L)和2mL硝酸银溶液(50mmol/L)，混合均匀后加入5mL硼氢化钠与柠檬酸钠混合溶液搅拌反应30min，得到纳米银颗粒物溶液。
S2：根据标准风量以及待测试的空气净化膜的实际测定展开面积，按照比例等比例换算气体流量；在该步骤中采用低流速(32L/min)和高流速(80L/min)模式对待测净化膜进行测试，按照标准面积(100cm2)以及实际测试净化膜面积(25cm2)进行换算，实际测试过程的气体流量为8L/min(低流速)和20L/min(高流速)。
S3：气溶胶收集器2中加入500mL高纯水；开启真空泵1，调节真空泵1功率使其达到测试风量，测试风量为8L/min或20L/min；气溶胶发生装置5中加入纳米银颗粒物溶液，气溶胶发生装置5为超声雾化气溶胶发生装置；向冷凝装置3中通入高纯水，高纯水经过低温循环冷却水仪器冷却后从冷凝剂入口31进入并从冷凝剂出口32流出循环至冷却水机。
S4：试验风道4不加入待测空气净化膜，启动气溶胶发生装置5以及真空泵1，通过施加负压将外部大气抽吸5min至气溶胶收集器中并维持1min后，得到吸收液样品记录为“Ua”。
抽吸完成后，使用高纯水将气溶胶收集器2与试验风道4之间的气管润洗，使沉积于管道中的颗粒物合并至高纯水中。
S5：更换高纯水，试验风道4中加入待测空气净化膜，启动气溶胶发生装置5以及真空泵1，通过施加负压将外部大气抽吸5min至气溶胶收集器中并维持1min后，将得到吸收液样品记录为“Da”。
S6：扣除空白值后，采用纳米颗粒物测定方法测定吸收液中纳米颗粒物的数量浓度，然后换算成颗粒物的总量，根据公式
Figure BDA0002837071630000071
计算过滤效率Ea。
本实施例中，纳米颗粒物的测试方法为单颗粒电感耦合等离子质谱法(SP-ICP-MS)，使用采用安捷伦8800ICP-MS/MS测定，质谱条件如下表所示：
表1 8800ICP-MS仪器单颗粒测定模式工作条件
Figure BDA0002837071630000081
表2低流速(8L/min)实验结果(n＝3)
平行实验 Ua(particles) Da(particles) 去除率Ea(％)
1 5.24×10<sup>7</sup> 1.17×10<sup>5</sup> 99.78
2 3.20×10<sup>7</sup> 2.93×10<sup>4</sup> 99.91
3 4.22×10<sup>7</sup> 8.80×10<sup>4</sup> 99.79
表3高流速(20L/min)实验结果(n＝3)
平行实验 Ua(particles) Da(particles) 去除率Ea(％)
1 1.50×10<sup>8</sup> 8.96×10<sup>4</sup> 99.94
2 1.31×10<sup>8</sup> 2.99×10<sup>4</sup> 99.98
3 1.43×10<sup>8</sup> 5.97×10<sup>4</sup> 99.96
由图4、图5、表2和表3得出，低流速(8L/min)和高流速(20L/min)的测试结果如下：两种风速模式下，过滤前均可以明显观察到纳米银的粒径分布于30-90nm之间，呈正态分布。过滤后由于大部分颗粒物气溶胶已被净化膜拦截，因此呈脉冲状的粒径分布。高流速和低流速模式下，待测净化膜对纳米级气溶胶的过滤效率均高于99.8％，表明待测净化膜能有效阻隔纳米级气溶胶。
上述实验结果表明，通过本发明的空气净化膜对纳米级颗粒物去除效果评价装置及方法可以形成分散良好的纳米级气溶胶，本发明提出的装置和方法可以有效评价空气净化膜对空气中纳米级气溶胶的去除效果。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种评价空气净化膜对纳米级气溶胶去除效果的方法，其特征在于，通过评价空气净化膜对纳米级气溶胶去除效果的装置来实现，所述的装置，包括用于提供负压和保持测试过程达到一定风量的真空泵、用于放置吸收液的气溶胶收集器、用于去除气溶胶中的水分的冷凝装置、用于提供气溶胶运动传输的通道的试验风道和用于产生纳米气溶胶的气溶胶发生装置，所述的真空泵、气溶胶收集器、试验风道、冷凝装置和气溶胶发生装置依次相连，所述的试验风道设有用于引入气溶胶的引入窗口和固定空气净化膜的净化膜固定装置，所述的净化膜固定装置包括空气净化膜和设置于空气净化膜两侧的固定板；
所述的方法，包括如下步骤：
S1：制备金属纳米颗粒物溶液；
S2：根据标准风量以及待测试的空气净化膜的实际测定展开面积，按照比例等比例换算气体流量；
S3：气溶胶收集器中加入纳米颗粒物吸收液，开启真空泵，调节真空泵功率使其达到测试风量；气溶胶发生装置中加入金属纳米颗粒溶液；
S4：试验风道不加入待测空气净化膜，依次启动冷凝装置，气溶胶发生装置以及真空泵，通过施加负压将外部大气和气溶胶抽吸至气溶胶收集器中并维持一段时间后，将得到吸收液样品记录为“Ua”；
S5：更换纳米颗粒物吸收液，试验风道中加入待测空气净化膜，依次启动冷凝装置，气溶胶发生装置以及真空泵，通过施加负压将外部大气和气溶胶抽吸至气溶胶收集器中并维持一段时间后，将得到吸收液样品记录为“Da”；
S6：采用纳米颗粒物测定方法测定纳米颗粒物吸收液中纳米颗粒物的数量浓度，根据公式
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，计算空气净化膜的过滤效率
Figure DEST_PATH_IMAGE004
，其中Ua表示步骤S4吸收液样品的颗粒物总量，Da表示步骤S5吸收液样品的颗粒物总量。
2.根据权利要求1所述的评价空气净化膜对纳米级气溶胶去除效果的方法，其特征在于，所述的气溶胶发生装置出气端与冷凝装置进样口距离为1-5 cm。
3.根据权利要求1所述的评价空气净化膜对纳米级气溶胶去除效果的方法，其特征在于，所述的试验风道由若干节长方体直通管道或圆柱体直通管道组成。
4.根据权利要求3所述的评价空气净化膜对纳米级气溶胶去除效果的方法，其特征在于，所述的长方体直通管道或圆柱体直通管道通过法兰连接。
5.根据权利要求3所述的评价空气净化膜对纳米级气溶胶去除效果的方法，其特征在于，所述的净化膜固定装置通过法兰固定于长方体直通管道或圆柱体直通管道之间。
6.根据权利要求1所述的评价空气净化膜对纳米级气溶胶去除效果的方法，其特征在于，所述的冷凝装置为双层套管结构，所述的双层套管结构包括设置有冷凝剂的外套管和设置有气溶胶的内管。
7.根据权利要求1所述的评价空气净化膜对纳米级气溶胶去除效果的方法，其特征在于，所述的金属纳米颗粒物溶液为纳米银颗粒物溶液或纳米金颗粒物溶液。
8. 根据权利要求1或7所述的评价空气净化膜对纳米级气溶胶去除效果的方法，其特征在于，所述的纳米颗粒物粒径范围为1-100 nm。
9.根据权利要求1所述的评价空气净化膜对纳米级气溶胶去除效果的方法，其特征在于，所述的纳米颗粒物吸收液为高纯水，所述的冷凝装置内设置的冷凝剂为高纯水或乙醇。
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