CN102500559A - 一种在线分级纳米级粒子粒径的装置 - Google Patents

Abstract

一种在线分级纳米级粒子粒径的装置，包括有高压电源装置、中和放射源、采样装置、进气装置、电迁移装置、采集头、过滤装置。进气装置的设计能获得较稳定气流，减少了粒子扩散运动的影响，内置过滤模块大幅度减小了仪器体积和复杂程度，本发明采用粒子的电迁移原理，即带电荷量相同的不同粒径的粒子在电场中迁移率不同，可以对采样气体进行实时的粒径分级，结合凝结核粒子技术测量出不同粒径的粒子数浓度。本发明装置结构紧凑小巧，适用性强，可为各种纳米级粒子存在及应用的领域提供可靠的粒径和数浓度信息。

Description

一种在线分级纳米级粒子粒径的装置

技术领域

本发明涉及一种利用差分电迁移理论实现纳米级粒子粒径分级的装置，应用于大气、环保等各种存在纳米级粒子的测量领域。

背景技术

颗粒物的污染不仅对城市大气环境造成很严重的影响，如能见度降低等，还将直接或间接的影响全球大气环境及人体健康，相关研究表明，与大粒子相比，粒径较小的纳米级粒子能对人体产生更严重危害。而进行颗粒物粒径分级是进行浓度测量的首要问题。

目前，针对于粒径在1μm以下的细粒子，粒径测量技术主要有两种：一种是收集实验测量所用的气溶胶粒子，另一种是进行直接、原位测量。第一测量方法，虽然稳定有效，其分析结果往往分级精度较低，且缺乏时效性。

目前，只有如美国、德国等少数发达国家拥有在线测量纳米级粒子的技术，而国内对纳米级粒子的监测技术的研究尚处于起步阶段。目前国内常用的在线测量装置一般是基于粒子的散射光特性进行分析，但是由于粒径小于1μm的细粒子的散射光很弱，很难将该技术应用于粒径低于1μm的纳米级粒子粒径分级测量中。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种在线分级纳米级粒子粒径的装置，可以对1μm以下粒径范围的纳米级粒子进行准确地分级测量，实现不同粒径的粒子数浓度的测量。

本发明所采用的技术方案是：一种在线分级纳米级粒子粒径的装置，其特征在于包括：样气气流通道、鞘气气流通道、进气装置、电迁移装置、采集装置、过滤装置、可控高压电源和计算机；所述进气装置包括样气进气装置和鞘气进气装置，进气装置和鞘气装置用螺栓联接；所述样气气流通道包括第一气泵、第一流量计、采样器和放射源；所述鞘气气流通道包括第二气泵和第二流量计；采样气体作为样气气流进入样气气流通道的第一气泵、第一流量计进入采样器，在采样器中进行粒径切割粗分级，得到小于切割粒径的样气气流，粗分级后的样气气流进入放射源，通过放射源衰变放出射线使空气电离并最终完成样气气流的重新荷电，然后进入样气进气装置得到平滑和均匀分布的样气气流；同时鞘气气流经过第二气泵和第二流量计进入鞘气进气装置，得到平滑和均匀分布的鞘气气流；样气气流随着匀速稳定的鞘气气流向下混合流动，以最大限度的减少样气气流扩散运动的影响；计算机控制可控高压电源给内部导电元件加负电压，使电迁移装置内电极带负电压，电迁移装置外电极接地形成电场，样气气流中的带电粒子在电场中发生偏转，只有一定粒径的粒子在给定电场中偏转后正好被采集装置采集，采集到的粒子可以进入凝结核计数器(CPC)或法拉第杯静电计(FCE)测量粒子数浓度；计算机控制可控高压电源改变电压值，则不同粒径的粒子就会相继被采集，实现控制电压自动连续改变，自动化实现在线实时分级，从而后续实现在线分析纳米级粒子的粒度分布；样气和鞘气混合后剩余气流流入过滤装置，过滤后进入第二气泵，再进入鞘气进气装置，实现鞘气气路的循环。

所述采样器为冲击式采样器。

所述放射源为放射元素镅241(²⁴¹Am)；所述放射源采用金属外壳密闭封装，金属壳体内部设环形通道，传输需采集气体进入环形通道，使采集气体中粒子荷电，从出口通入所述样气进气装置。

所述样气进气装置包括一个带孔圆环，所述带孔圆环卡在样气环形通道处，所述带孔圆环上设有一圈均匀分布的36或24个直径小于1mm的通孔，以确保获得较均匀稳定的样气气流。

所述带孔圆环的材质为铝。

所述鞘气进气装置包括内置一个铝制压盖和过滤网，使鞘气通过压盖与气流通道的狭缝流出，再通过过滤网，确保得到均匀稳定的流速方向沿轴向方向的鞘气气流。

为确保气流状态稳定，所述样气进气装置和鞘气进气装置的气流通道部件连接处均做圆滑过渡及抛光处理，表面粗糙度Ra值保证在2.0um以下。

所述电迁移装置包括内电极，即内筒和外电极，即外筒，根据理论公式和所需分级的粒径范围确定内外电极的长度和半径。

所述电迁移装置的内电极外壁和外电极内壁加工精度要求严格，粗糙度Ra值保证在0.8um以下，即加工表面质量达到镜面程度。

所述过滤装置设计成过滤纸卷成螺旋状，使鞘气和样气混合气体气流从螺旋中心开始经过若干层过滤后被收集循环使用，提高了过滤效率。

所述装置需要密封的地方全部采用O型圈密封。

本发明的基本原理在于：如图3所示的粒子电迁移原理，电迁移装置分为内电极和外电极，内外半径分别为R₁和R₂，粒子运动的有效距离为L，内电极和外电极之间加电压V，根据公式：

$Z^{*}=\frac{(Q_{\mathrm{sh}}+Q_{\mathrm{ex}})\ln \frac{R_2}{R_1}}{4\mathrm{\πVL}}$

$D_p=\frac{\mathrm{ne}{C}^{*}}{3\mathrm{\π\η}{Z}^{*}}$

Qa-样气流速，Qs-采集气体流速，Qsh-鞘气流速，Qex-剩余气体流速，V-内、外电极间电压，R₁-内电极半径，R₂-外电极半径，L-有效长度，Dp-粒子粒径，C^*-坎宁安指数，η-气体粘滞度，Z^*-电迁移率，n-元电荷数。

由公式可看出，规定了R₁、R₂、L这些几何尺寸后，给定稳定的Qsh后(设计中假定流量平衡，则Qsh＝Qex)，通过改变电压值，则可以采集到不同粒径的粒子，实现在线粒径分级。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明是一种居于粒子电迁移理论、自主设计的在线纳米级粒子粒径分级装置，对1μm以下粒径范围的纳米级粒子进行准确地分级测量；借助于凝结核计数器(CPC)或法拉第杯静电计(FCE)，实现不同粒径的粒子数浓度的测量。

(2)本发明的鞘气和样气进气装置的设计确保粒径分级区(内、外电极区)气流呈较稳定的层流，减小了紊流和纳米级粒子扩散运动的负面影响；

(3)本发明内置过滤模块，使得整个装置体积减小，携带更方便。

附图说明

图1为本发明结构组成框图；

图2为本发明进气装置和电迁移装置的结构装配示意图；

图3为本发明进气装置、电迁移装置的原理图；

图4为本发明的采集器原理图；

图5为本发明的过滤装置内部结构图。

具体实施方式

如图1所示，本发明总体上讲，气路分为两路：一路为采样气流经过气泵1，流量计1(监控流量维持在1L/min)，进入冲击式采样器采样装置进行粒径切割，获得粒径小于1μm的小粒子，大于此切割粒径的粒子将留在冲击板上，粗分级后的小粒子随气流从冲击板与喷嘴的缝隙中进入中和放射源，中和源中²⁴¹Am衰变放出α射线使空气电离并最终完成粒子的重新荷电；同时另一路鞘气气流，流量计2监控流量维持在10L/min，气流进去鞘气进气装置；样气随着匀速稳定的鞘气气流向下流动，以最大限度的减少粒子扩散运动的影响。计算机控制的可控高压电源(0～10000V)给内部导电元件6(在图2中已经标出，主要作用就是将外加的负电压引到内电极上，使内电极带负电压)加负电压，使得电迁移装置内电极4带负电压，外电极3接地形成电场，样气中的带电粒子在电场中发生偏转，只有一定粒径的粒子在给定电场中偏转后正好被采集装置采集，采集到的样气气流粒子进入凝结核计数器(CPC)或法拉第杯静电计(FCE)测量粒子数浓度。计算机控制改变可控高压电源的电压值，则不同粒径的粒子就会相继被采集，若实现控制电压自动连续改变，则能完全自动化实现在线实时分级，后续实现在线分析纳米级粒子的粒度分布。另外剩余的样气气流随着竖直向下的鞘气气流一同流入过滤装置中心，通过内置的卷成螺旋状的滤纸层层过滤，从过滤装置外端接出，进入气泵2，再进入鞘气装置，气路实现循环。

如图2所示，鞘气进气装置1包括内置一个压盖7和过滤网8，过滤网8为双层过滤网，压盖7上端与鞘气进气装置1留有缝隙，鞘气Q_sh从缝隙中流出，再通过过滤网8的微孔中流出，以确保鞘气气流的平滑和均匀分布。样气进气装置2包括一个带孔圆环9(铝制)，带孔圆环9卡在样气环形通道处的锥形槽内，带孔圆环9上设有一圈均匀分布的36或24个直径小于1mm的通孔，以确保获得较均匀稳定的样气气流；带孔圆环9两端用O型圈密封，同样保证样气Q_a只能从圆环上的均匀分布的小孔中流出。鞘气进气装置1和样气进气装置2用螺栓联接，O型圈密封。电迁移装置包括电迁移装置外电极3和电迁移装置内电极4，样气从电迁移装置外电极3和样气进气装置2的斜切口流出，与鞘气混合由鞘气包围着避免与加载了高压的内电极接触，以避免粒子的损失。电迁移装置外电极3的内壁和电迁移装置内电极4的外壁表面越光滑越好，粗糙度Ra值保证在0.8um以下(即加工表面质量达到镜面程度)，作用一是确保气流能够尽量满足固壁面不滑移条件(速度连续条件)，即贴近壁面的流速等于内部流速，作用二是降低高压电场下导致的气体击穿(绝缘物质在电场的作用下发生剧烈放电或导电的现象)。采集装置5一端与电迁移装置内电极4螺纹联接，另一端与内部导电元件6螺纹联接，都用O型圈密封。狭缝处径向均匀分布36或24个直径小于1mm的小孔，被采集的粒子流Q_s通过小孔进入，之后接入CPC或FCE中。电迁移装置内电极4加电压，电迁移装置外电极3接地，产生电场。10为绝缘材料聚四氟，确保电迁移装置内电极4与电迁移装置外电极3的严格绝缘。剩余气体Q_ex从缝隙流出后被收集循环使用。

如图3所示，粒子电迁移原理，电迁移装置分为内电极和外电极，内外半径分别为R₁和R₂，粒子运动的有效距离为L，内电极和外电极之间加电压V，根据公式：

$Z^{*}=\frac{(Q_{\mathrm{sh}}+Q_{\mathrm{ex}})\ln \frac{R_2}{R_1}}{4\mathrm{\πVL}}$

$D_p=\frac{\mathrm{ne}{C}^{*}}{3\mathrm{\π\η}{Z}^{*}}$

Qa-样气流速，Qs-采集气体流速，Qsh-鞘气流速，Qex-剩余气体流速，V-内、外电极间电压，R₁-内电极半径，R₂-外电极半径，L-有效长度，Dp-粒子粒径，C^*-坎宁安指数，η-气体粘滞度，Z^*-电迁移率，n-元电荷数。

由公式可看出，规定了R₁、R₂、L这些几何尺寸后，给定稳定的Qsh后(设计中假定流量平衡，则Qsh＝Qex)，通过改变电压值，则可以采集到不同粒径的粒子，实现在线粒径分级。

如图4所示，冲击式采样器由一个喷嘴和一个冲击板组成，用于得到小于切割粒径的粒子，喷嘴直径和切割粒径、流速有关。采集到的气体以一定流速进去喷嘴，大于切割粒径的大粒子被留在冲击板上，小于切割粒径的小粒子随着气流带走。

如图5所示，过滤装置内部设过滤纸卷成螺旋状，使鞘气和样气混合气体气流从螺旋中心开始经过若干层过滤后被收集循环使用，提高了过滤效率。

本发明中的采样器、进气装置、电迁移装置、采集装置、过滤装置的主体均采用不锈钢材质，防腐蚀，其他零件的材质采用铝制，以便于加工和减轻质量。

Claims (11)

1.一种在线分级纳米级粒子粒径的装置，其特征在于包括：样气气流通道、鞘气气流通道、进气装置、电迁移装置、采集装置、过滤装置、可控高压电源和计算机；所述进气装置包括样气进气装置和鞘气进气装置，进气装置和鞘气装置用螺栓联接；所述样气气流通道包括第一气泵、第一流量计、采样器和放射源；所述鞘气气流通道包括第二气泵和第二流量计；采样气体作为样气气流进入样气气流通道的第一气泵、第一流量计进入采样器，在采样器中进行粒径切割粗分级，得到小于切割粒径的样气气流，粗分级后的样气气流进入放射源，通过放射源衰变放出射线使空气电离并最终完成样气气流的重新荷电，然后进入样气进气装置得到平滑和均匀分布的样气气流；同时鞘气气流经过第二气泵和第二流量计进入鞘气进气装置，得到平滑和均匀分布的鞘气气流；样气气流随着匀速稳定的鞘气气流向下混合流动，以最大限度的减少样气气流扩散运动的影响；计算机控制可控高压电源给内部导电元件加负电压，使电迁移装置内电极带负电压，电迁移装置外电极接地形成电场，样气气流中的带电粒子在电场中发生偏转，只有一定粒径的粒子在给定电场中偏转后正好被采集装置采集，采集到的粒子可以进入凝结核计数器(CPC)或法拉第杯静电计(FCE)测量粒子数浓度；计算机控制可控高压电源改变电压值，则不同粒径的粒子就会相继被采集，实现控制电压自动连续改变，自动化实现在线实时分级，从而后续实现在线分析纳米级粒子的粒度分布；样气和鞘气混合后剩余气流流入过滤装置，过滤后进入第二气泵，再进入鞘气进气装置，实现鞘气气路的循环。

2.根据权利要求1所述的在线分级纳米级粒子粒径的装置，其特征在于：所述采样器为冲击式采样器。

3.根据权利要求1所述的在线分级纳米级粒子粒径的装置，其特征在于：所述放射源为放射元素镅241(²⁴¹Am)；所述放射源采用金属外壳密闭封装，金属壳体内部设环形通道，传输需采集气体进入环形通道，使采集气体中粒子荷电，从出口通入所述样气进气装置。

4.根据权利要求1所述的在线分级纳米级粒子粒径的装置，其特征在于：所述样气进气装置包括一个带孔圆环，所述带孔圆环卡在样气环形通道处，所述带孔圆环上设有一圈均匀分布的36或24个直径小于1mm的通孔，以确保获得较均匀稳定的样气气流。

5.根据权利要求4所述的在线分级纳米级粒子粒径的装置，其特征在于：所述带孔圆环的材质为铝。

6.根据权利要求1所述的在线分级纳米级粒子粒径的装置，其特征在于：所述鞘气进气装置包括内置一个压盖和过滤网，使鞘气通过压盖与气流通道的狭缝流出，再通过过滤网，确保得到均匀稳定的流速方向沿轴向方向的鞘气气流。

7.根据权利要求1所述的在线分级纳米级粒子粒径的装置，其特征在于：为确保气流状态稳定，所述样气进气装置和鞘气进气装置的气流通道部件连接处均做圆滑过渡及抛光处理，表面粗糙度Ra值保证在2.0um以下。

8.根据权利要求1所述的在线分级纳米级粒子粒径的装置，其特征在于：所述电迁移装置包括内电极，即内筒和外电极，即外筒，根据理论公式和所需分级的粒径范围确定内外电极的长度和半径。

9.根据权利要求8所述的在线分级纳米级粒子粒径的装置，其特征在于：所述电迁移装置的内电极外壁和外电极内壁加工精度要求严格，粗糙度Ra值保证在0.8um以下，即加工表面质量达到镜面程度。

10.根据权利要求1所述的在线分级纳米级粒子粒径的装置，其特征在于：所述过滤装置设计成过滤纸卷成螺旋状，使鞘气和样气混合气体气流从螺旋中心开始经过若干层过滤后被收集循环使用，提高了过滤效率。

11.根据权利要求1所述的在线分级纳米级粒子粒径的装置，其特征在于：所述装置需要密封的地方全部采用O型圈密封。

Images