CN103033400A - 一种大气气溶胶细粒子及气态前体物的采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大气气溶胶细粒子及气态前体物的采集装置，在大气进气口设置了一个锐切气旋分离器，可以将大气中较大粒径的气溶胶粒子从样品中过滤掉，以防止大粒子在采集过程中影响采集结果；该装置环形扩散管内管为可抽插式，减少了传统环形扩散管涂层时外管也被涂层造成的误差，提高了采集效率。该装置实用方便、成本低、采集效率高，可同时收集气态污染物和气溶胶颗粒。

Description

一种大气气溶胶细粒子及气态前体物的采集装置

技术领域

本发明涉及一种大气气溶胶细粒子质量浓度和化学成分以及气态前体物的采集装置，特别涉及一种采集气态前体物的扩散管。

背景技术

近年来，关于大气气溶胶细粒子质量浓度及其化学成分，以及大气中碱性气体NH₃和酸性气体H₂SO₄、HNO₃、HONO和HCl的采集装置已经有了极大的改进，比如李力争在1992年扩散管技术在大气采样中的应用（分析化学，20(2):226-236）中详细描述了圆形扩散管、环形扩散管的制作及其在大气采样中的应用。C Perrino等在2001年发表的Monitoring acidic air pollutants near Rome by means of diffusion lines: development of a specific quality control procedure（Atmospheric Environment，35(2):331-341）中认为环形扩散管-层叠膜是非常有效的同时采集气态和颗粒态污染物的方法。环形扩散管-层叠膜法是以质量流量控制器来控制采样流速，在恒定流速下，气团首先流经两个串联的扩散管，除去大气中碱性气体NH₃和酸性气体H₂SO₄、HNO₃、HONO和HCl，然后依次流经特氟龙膜、尼龙膜和浸渍纤维膜，分别采集颗粒物、颗粒物分解产生的HNO₃和NH₃。扩散管和层叠膜采样时沿垂直方向放置，来减少颗粒物重力沉降的影响。该方法有效地解决了大气中气溶胶细粒子及气态前体物的采集问题，但还存在不足之处：1、大气进气口没有作相关的切割处理，将所有的气溶胶和气体全部通入环形管，而不同粒径的气溶胶粒子在同一流速下的扩散系数不同，因此不能保证环形管所采集完全为气体；2、环形管涂层时在外环形表面也有涂层，这将影响环形管实际采集效率的计算；3、所用环形管在连续采样期间需整根进行更换。此外，该方法目前还没有简便实用的成品采集装置。

发明内容

解决的技术问题：本发明提供的一种大气气溶胶细粒子和气态前体物的采集装置，在大气进气口设置了锐切气旋分离器过滤大粒子，将环形扩散管内管设置为可抽插式，减少了采样误差，简化了采样过程，提高了采集效率。

技术方案：一种大气气溶胶细粒子和气态前体物的采集装置，它包括前期过滤装置、气体收集装置、气溶胶收集装置、流量控制装置和动力装置五个部分；前期过滤装置为一个锐切气旋分离器；气体收集装置为两个串联的环形扩散管：采集碱性气体环形扩散管和采集酸性气体环形扩散管；气溶胶收集装置为一个气溶胶撞击器；流量控制装置为一个流量控制器；动力装置为一个抽气泵；各装置间用连接管顺序连接；

所述环形扩散管由玻璃材质制成，包括外管和内管：内管为可抽插式，为两端封闭的玻璃管，头部成锥形状，尾部通过活塞与外管磨砂连接，活塞外侧设有把手；内管分为出气段、采样段和进气段，出气段和进气段作光滑处理，采样段作磨砂处理；外管头部设有锥形进气口，出气口位于内管出气段相对的外管管壁上。

所述气溶胶撞击器包括第一层撞击器、第二层撞击器和第三层撞击器，第一层撞击器和第三层撞击器为流线型锥体结构，三层撞击器之间通过螺纹固定连接，并使用O型胶圈密封，每层撞击器都设有采集板，采集板上均匀分布喷口，气体从第一层撞击器进入，从第三层撞击器流出。

有益效果：（1）本发明装置在大气进气口设置了锐切气旋分离器，可以将大气中较大粒径的气溶胶粒子从样品中过滤掉，以防止大粒子在采集过程中影响采集结果。

（2）本发明装置的环形扩散管内管为可抽插式，使用时只需将内管采样部分进行涂层收集气体，且在连续采样时只需更换内管即可。与传统环形扩散管相比，减少了涂层时外管非采样部分也被涂层造成的误差。传统环形扩散管在连续采样期间需要整根更换环形扩散管，即需将气体采集装置整个取下，不便于长时间大量采样。环形扩散管内管中气体层流和湍流相互转换的过渡区作光滑处理，避免气溶胶颗粒物在湍流环境下的惯性作用吸附在采样区对测量结果造成误差。

（3）本发明装置结构简单，制造成本低，采集精度高，气体收集和气溶胶收集装置可以拆开使用，还可以加到其它观测仪器中，并且不受观测场地及观测环境的限制。

附图说明

图1为采集装置的结构示意图；

图2为环形扩散管结构示意图；

图3为气溶胶撞击器结构示意图。

其中，11-锐切气旋分离器，12-采集碱性气体环形扩散管，13-采集酸性气体环形扩散管，14-气溶胶撞击器，15-连接管，16-流量控制器，17-抽气泵；21-外管，22-内管，211-进气口，212-出气口，221-活塞，222-把手，223-出气段，224-采样段，225-进气段；31-第一层撞击器，32-第二层撞击器，33-第三层撞击器，34-采集板，35-喷口。

具体实施方式

实施例1

本发明提供的一种大气气溶胶细粒子和气态前体物的采集装置包括前期过滤装置、气体收集装置、气溶胶收集装置、流量控制装置和动力装置五个部分；前期过滤装置为一个锐切气旋分离器11；气体收集装置为两个串联的环形扩散管：采集碱性气体环形扩散管12和采集酸性气体环形扩散管13；气溶胶收集装置为一个气溶胶撞击器14；流量控制装置为一个流量控制器16；动力装置为一个抽气泵17；各装置间用连接管15顺序连接。

所述环形扩散管由玻璃材质制成，包括外管21和内管22：内管22为可抽插式，为两端封闭的玻璃管，头部成锥形状，尾部通过活塞221与外管21磨砂连接，活塞221外侧设有把手222；内管22分为出气段223、采样段224和进气段225，出气段223和进气段225作光滑处理，采样段224作磨砂处理；外管21头部设有锥形进气口211，出气口212位于内管22出气段223相对的外管管壁上。

所述气溶胶撞击器包括第一层撞击器31、第二层撞击器32和第三层撞击器33，第一层撞击器31和第三层撞击器33为流线型锥体结构，三层撞击器之间通过螺纹固定连接，并使用O型胶圈密封，每层撞击器都设有采集板34，采集板上均匀分布喷口35，气体从第一层撞击器31进入，从第三层撞击器33流出。

所述锐切气旋分离器11生产厂家为美国BGI Incorporated公司，型号为SCCA-PM_2.5，应用于连续颗粒监测仪进气口、室内空气质量采样进气口、空气中有毒物质的分离采样和实验室气溶胶分离研究等领域，清洗一次可以连续30天24小时采样，可以干采样（无油条件下），锐切回旋设计使其具有更好的渗透性和切割性能，清洗过程简单，并且PM_2.5的采样通过了美国EPA的认证。

实施例2

采样时抽气泵17抽气让大气中的气溶胶颗粒经锐切气旋分离器11，对大颗粒进行过滤；然后剩余的颗粒物和气体进入环形扩散管，通过环形扩散管时，气流为层流，由于气体分子在层流中的扩散系数远大于颗粒物的扩散系数，因此气态污染物通过扩散过程被收集，而气溶胶颗粒物则随采样气流一起进入下一装置。不同的化合物对不同气体的吸附效率相差较大，因此可通过在采样段224用不同的化合物进行涂层来收集不同的气态污染物。在采集碱性气体环形扩散管12和采集碱性气体环形扩散管13分别采用柠檬酸和Na₂CO₃作为吸收气体的涂层物质，通过该涂层吸附大气中的碱性气体NH₃和酸性气体H₂SO₄、HNO₃、HONO和HCl；然后剩余气溶胶颗粒物随采样气流进入气溶胶撞击器14中进行收集，在采集板34上分别放置微孔滤膜，当采样气体透过滤膜时，颗粒物由于惯性作用撞击到滤膜上从而被收集，气体分子由于分子直径远小于滤膜微孔，因此大多透过滤膜很少被吸附，但是不同材质的滤膜气体分子的吸附作用不同。特氟隆滤膜对颗粒物透过捕集效率高、空白低、不吸收气体；尼龙膜对HNO₃的吸收效率超过95%；浸渍纤维膜是采集NH₃常用的方法，具有简单、方便、采集效率和选择性高等特点。第一层膜采集的硝酸盐和铵盐的挥发以及气体的作用会造成HNO₃和NH₃的损失，因此分别在第一层撞击器31、第二层撞击器32和第三层撞击器33上放置特氟隆滤膜、尼龙膜、浸渍纤维膜，依次采集颗粒物、颗粒物分解产生的HNO₃和NH₃，第二层撞击器32和第三层撞击器33所采集的HNO₃和NH₃用来校正第一层撞击器31中所采集颗粒物的数据；整个采样过程通过流量控制器16进行流量控制，该过程可以是间隔的亦可以是连续的；最后环形扩散管采集的气体成分和气溶胶撞击器14收集的气溶胶滤膜可以在实验室中通过天平进行称重以及化学成分分析。

本装置使用涂渍1%Na₂CO₃水溶液的环形扩散管同时采集H₂SO₄、HNO₃、HONO和HCl的24h平均吸收效率分别为95.3%、95.9%、87.3%和91.4%，使用涂渍5%柠檬酸溶液的环形扩散管采集NH₃的24h平均吸收效率达到96.4%。

对涂渍备用的扩散管和滤膜的空白值分别进行了7次测定，本装置设置采样流速为10l/min，连续采集3h，分别采集得到了7组气体数据和气溶胶数据，本装置所用扩散管对气态H₂SO₄、HNO₃、HONO、HCl和NH₃检出限(3σ)分别为0.011μg/m³、0.021μg/m³、0.018 μg/m³、0.013μg/m³和0.041μg/m³，对颗粒物质量浓度、颗粒物分解产生的HNO₃和NH₃的检出限(3σ)分别为0.239μg/m³、0.042μg/m³和0.079μg/m³。

Claims (3)

1.一种大气气溶胶细粒子和气态前体物的采集装置，其特征在于它包括前期过滤装置、气体收集装置、气溶胶收集装置、流量控制装置和动力装置；前期过滤装置为一个锐切气旋分离器（11）；气体收集装置为两个串联的环形扩散管：采集碱性气体环形扩散管（12）和采集酸性气体环形扩散管（13）；气溶胶收集装置为一个气溶胶撞击器（14）；流量控制装置为一个流量控制器（16）；动力装置为一个抽气泵（17）；各装置间用连接管（15）顺序连接。

2.一种大气气溶胶细粒子和气态前体物的采集装置，其特征在于所述环形扩散管由玻璃材质制成，包括外管（21）和内管（22）：内管（22）为可抽插式，为两端封闭的玻璃管，头部成锥形状，尾部通过活塞（221）与外管（21）磨砂连接，活塞（221）外侧设有把手（222）；内管（22）分为出气段（223）、采样段（224）和进气段（225），出气段（223）和进气段（225）作光滑处理，采样段（224）作磨砂处理；外管（21）头部设有锥形进气口（211），出气口（212）位于内管（22）出气段(223)相对的外管管壁上。

3.一种大气气溶胶细粒子和气态前体物的采集装置，其特征在于所述气溶胶撞击器包括第一层撞击器（31）、第二层撞击器（32）和第三层撞击器（33），第一层撞击器(31)和第三层撞击器(33)为流线型锥体结构，三层撞击器之间通过螺纹固定连接，并使用O型胶圈密封，每层撞击器都设有采集板(34)，采集板上均匀分布喷口(35)，气体从第一层撞击器(31)进入，从第三层撞击器(33)流出。

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