CN103257060B - 高效雾化捕集采样器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高效雾化捕集采样器，主要由储液室、雾化捕集室和气雾分离室三部分组成。其中，储液室用来盛装吸收液，雾化捕集室将吸收液转化成粒径具有气溶胶尺寸特征的细雾，气雾分离室则防止细雾溢出采样器。由于细雾具有足够大的气-液界面之间交换的接触表面积，因而能够与空气中的污染物高效地混合均匀，有效地提升了污染物从气态向液态的转化效率，使得环境空气中的污染物能够被高效地吸收和捕集。本发明采样器由玻璃质惰性材料制作，对所采集样品无污染无干扰，采样流量范围大且流量稳定，样品采集时间短，采样效率高，外界环境因子的变化不会影响采样；而且，采样成本低，样品提取便捷，方便野外及室内操作。
Description
技术领域
本发明属于大气污染物采集技术领域，尤其涉及一种高效雾化捕集采样器，采集对象包含挥发性、半挥发性有机气体和大气颗粒物，主要用来采集大气醛酮污染物样品。
背景技术
目前，国际上普遍采用EPA TO-11A方法检测醛酮污染物的大气浓度，但该方法中使用硅胶管采样存在以下缺陷：⑴硅胶采样管中载体硅胶本身是高分子量醛酮污染物的重要来源；⑵空气中氧化剂(如O3)能够降解采样管中的DNPH及其衍生物而影响定量分析，且采样过程中空气中的异戊二烯和O3也可在硅胶载体表面发生反应生成甲醛而影响定量；⑶硅胶管采样流量小（一般≤2L/min）、采样时间长（≥120min），DNPH硅胶采样管制作极其繁琐，且其在保存过程中容易受到外界环境污染。其它采样方法，如玻璃吸附管及采样罐等多用于采集C5以上高分子量醛酮，但样品采集后稳定性差；低温冷阱装置虽然具有高采样效率（≥90%），然其最佳采样流量只有0.2L/min且采样效率随着采样流量的增加而下降，野外操作和样品低温储存（≤–18℃）与运输等都不容易达到；环蚀-滤膜系统可以达到较高的采样流量（4–10L/min）和采样效率（82–97%），但局限于采集气/固态共存的半挥发性高分子量醛酮。可见，现有针对醛酮污染物的采样方法均有其自身局限性，难以满足科学研究的深层次要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种高效雾化捕集采样器，实现了采样无污染无干扰、采样流量高、采样流量稳定、采样时间短、采样效率高、样品提取便捷且成本低、方便野外及室内操作。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：高效雾化捕集采样器，主要由储液室、雾化捕集室和气雾分离室三部分组成，它们分别位于采样器下部、中部和上部且同中心轴线，储液室与雾化捕集室直接相连通，雾化捕集室顶与气雾分离室底以蛇形连通管相连通；气雾分离室顶部有出气管与外界环境空气相连通，连通处为出气口；气雾分离室内壁固定有圆盘形薄层微孔砂板；蛇形连通管位于气雾分离室底部且紧贴雾化捕集室顶部外壁，其上连通口位于气雾分离室底部中心，上连通口处置有Tedlar阻尼球，下连通口伸入雾化捕集室内紧贴取样管；雾化捕集室顶部内壁设置有取样管和取样口瓶盖；储液室内设雾化器，雾化器由气流管和液流管组成，气流管外壁以连接支架与液流管外壁相连接；雾化器喷口包括气流管顶部的气流喷口与液流管顶部的液流喷口，均位于储液室顶与雾化捕集室底连通处的中心轴线上且液流喷口高出气流喷口；气流管下部的进气口穿透储液室底部中心与外界环境空气相通，液流管下部的进液口位于储液室底。
该采样器使用玻璃质惰性材料制作。
玻璃质惰性材料是钢化玻璃。
储液室、雾化捕集室、气雾分离室为圆柱体形。
针对现有大气环境中醛酮污染物样品采集工作存在的问题，发明人设计了本发明高效雾化捕集采样器，它主要由储液室、雾化捕集室和气雾分离室三部分组成。其中，储液室用来盛装吸收液，雾化捕集室将吸收液转化成粒径具有气溶胶尺寸特征的细雾，气雾分离室则防止细雾溢出采样器。当环境空气被动地进入雾化捕集采样器后，盛装在储液室内的物理吸收试液能够有效地溶解吸收污染物或化学吸收试液能与污染物发生快速化学反应而固定污染物，迅速转化成极其微小的细雾。由于该细雾具有足够大的气-液界面之间交换的接触表面积（≥8500cm2），因而能够与空气中的污染物高效地混合均匀，有效地提升了污染物从气态向液态的转化效率，使得环境空气中的污染物能够被高效地吸收和捕集。采完样后的环境空气先由蛇形连通管进入气雾分离室内，然后经由阻尼球和微孔砂板通过，最后从采样器顶部出气口流出。本发明采样器由玻璃质惰性材料制作，对所采集样品无污染无干扰，采样流量范围大（1–50L/min）且流量稳定，高的采样流量不仅能缩短采样时间，也利于观测大气浓度的短期波动与暴露水平、利于采集含量极低的半挥发性高分子量的多羰基醛酮，而且短的采样时间（5min）能有效地降低和排除环境空气中氧化剂O3干扰大气样品采集；采样效率高（≥85%）；外界环境因子的变化不会影响采样；而且，采样成本低，样品提取便捷，方便野外及室内操作。
附图说明
图1是本发明高效雾化捕集采样器的结构示意图。
图中：1储液室，2雾化捕集室，3气雾分离室，4连接支架，5进气口，6气流管，7液流管，8进液口，9气流喷口，10液流喷口，11取样管，12蛇形连通管，13Tedlar阻尼球，14下连通口，15上连通口，16圆盘形薄层微孔砂板，17出气管，18出气口，19取样口瓶盖。
具体实施方式
如图1所示，本发明的高效雾化捕集采样器使用钢化玻璃制作，整体呈圆柱体形，主要由储液室1（容积25mL、壁厚2mm、内径2cm、高度8cm）、雾化捕集室2（壁厚2mm、内径2cm、高度30cm）和气雾分离室3（壁厚2mm、内径1cm、高度1cm）三部分组成，它们分别位于采样器下部、中部和上部且同中心轴线，储液室1与雾化捕集室2直接相连通，雾化捕集室2顶与气雾分离室3底以蛇形连通管12（内径2mm）相连通；气雾分离室3顶部中心处有出气管17（长1cm）与外界环境空气相连通，连通处为出气口18；气雾分离室3中部内壁固定有圆盘形薄层微孔砂板16（孔径1-2μm、厚度1-2mm）；蛇形连通管12位于气雾分离室3底部且紧贴雾化捕集室2顶部外壁，其上连通口15位于气雾分离室3底部中心，上连通口15处置有Tedlar阻尼球13（直径3mm），下连通口14伸入雾化捕集室2内紧贴取样管11，且距离雾化捕集室2内壁3mm；雾化捕集室2顶部内壁设置有取样管11（内径3mm、长度0.5cm）和取样口瓶盖19；储液室1内设雾化器，雾化器由气流管6（内径3mm、外径4mm）和液流管7（内径1mm、外径2mm）组成，气流管6为直形且高度与储液室1一致，气流管6外壁以连接支架4与液流管7外壁相连接；雾化器喷口包括气流管6顶部的气流喷口9与液流管7顶部的液流喷口10，均位于储液室1顶与雾化捕集室2底连通处的中心轴线上且液流喷口10高出气流喷口2mm；气流管6下部的进气口5穿透储液室1底部中心（距离底部外壁1cm）与外界环境空气相通，液流管7下部的进液口8位于储液室1底，距离底部2mm。
储液室的作用盛装能够有效地采集污染物的物理或化学吸收液。实际应用中，圆柱体形的设计可方便生产加工及野外采样作业携带。由于使用吸收液的体积范围为4–25mL，储液室容积为25mL，其内径为2cm，根据所需吸收液体积，计算储液室的设计高度为8cm。
雾化捕集室的功能是将吸收液转化成粒径极其微小的细雾（粒径为3–7μm），以高效地采集气态污染物。由于形成的大部分气溶胶细雾达到的最大高度为30cm，故其高度为30cm。另外，小内径的雾化捕集室内部空间基本上全部被气溶胶细雾所占据，有利于气态污染物的雾化捕集，故其内径应与储液室一致为2cm。
气雾分离室的作用是俘获所生成的、有可能会逃逸出系统的气溶胶细雾粒子，以提高采样效率。气雾分离室底部上连通口处设Tedlar阻尼球，用来有效地防止气溶胶细雾粒子进入气雾分离室；气雾分离室中部的圆盘形薄层微孔砂板用以俘获可能逃逸出系统的气溶胶细雾。
本发明高效雾化捕集采样器工作过程
先从取样管装入一定量的吸收液至储液室，用取样口瓶盖密封取样管。采样时，将出气口连接采样抽气泵，在采样泵的抽气作用下，一定流量的环境空气气流从进气口被抽入气流管后从雾化器气流喷口流出，空气气流经过雾化器液流喷口时使液流管内形成负压，储液室内的吸收液在负压作用下由进液口被吸入，从液流喷口溢出。溢出的吸收液在气流喷口处空气气流的作用下，在雾化捕集室内形成吸收液的细雾。如此，环境空气中醛酮污染物可有效地被所形成的细雾捕集吸收，转化成液滴从而被保存在采样器的储液室中。采集完醛酮污染物的环境空气及少量逃溢出雾化捕集室的细雾，先从下连通口进入蛇形连通管，流经上连通口后进入气雾分离室，此时，上连通口处的Tedlar阻尼球能吸附和阻尼回流逃溢出的细雾。然后，处理过的环境空气在空气气流的作用下再经过圆盘形薄层微孔砂板过滤，经由出气管从出气口被抽出采样器。采样结束后，打开取样口瓶盖，从取样管取出采集完样品的吸收液保存待检测。
研究表明(见表1)，应用上述高效雾化捕集采样器，采样无污染无干扰、采样流量高（1–50L/min）且稳定、采样时间短（5min）、采样效率高（≥85%）、样品提取便捷且成本低、方便野外及室内操作。
表1采用本发明进行模拟捕集大气醛酮污染物甲醛的采样效率实验（%）
Claims (4)
1.一种高效雾化捕集采样器，其特征在于主要由储液室、雾化捕集室和气雾分离室三部分组成，它们分别位于采样器下部、中部和上部且同中心轴线，储液室与雾化捕集室直接相连通，雾化捕集室顶与气雾分离室底以蛇形连通管相连通；气雾分离室顶部有出气管与外界环境空气相连通，连通处为出气口；气雾分离室内壁固定有圆盘形薄层微孔砂板；蛇形连通管位于气雾分离室底部且紧贴雾化捕集室顶部外壁，其上连通口位于气雾分离室底部中心，上连通口处置有Tedlar阻尼球，下连通口伸入雾化捕集室内紧贴取样管；雾化捕集室顶部内壁设置有取样管和取样口瓶盖；储液室内设雾化器，雾化器由气流管和液流管组成，气流管外壁以连接支架与液流管外壁相连接；雾化器喷口包括气流管顶部的气流喷口与液流管顶部的液流喷口，均位于储液室顶与雾化捕集室底连通处的中心轴线上且液流喷口高出气流喷口；气流管下部的进气口穿透储液室底部中心与外界环境空气相通，液流管下部的进液口位于储液室底。
2.根据权利要求1所述的高效雾化捕集采样器，其特征在于该采样器使用玻璃质惰性材料制作。
3.根据权利要求2所述的高效雾化捕集采样器，其特征在于：所述玻璃质惰性材料是钢化玻璃。
4.根据权利要求1所述的高效雾化捕集采样器，其特征在于：所述储液室、雾化捕集室、气雾分离室为圆柱体形。
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