CN103476195A - 一种提高大气细颗粒物高效荷电的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种提高大气细颗粒物高效荷电的装置及方法，首先利用高压场致电离的方法产生足量自由电荷，然后利用外加迁移电场将自由电荷迁移至粒子荷电区，用于实现大气细颗粒物的高效荷电。本发明包括撞击式粒子切割器、颗粒物荷电腔、高压电源。本发明结构紧凑，维护方便，可实现1μm以下大气细颗粒物的高效荷电。本发明可用于基于电迁移特性监测仪器的颗粒物前期荷电并使其达到波尔兹曼电荷平衡分布。
Description
技术领域
本发明涉及一种提高大气细颗粒物荷电效率的装置及方法，属于大气气溶胶监测技术领域。
背景技术
近年来，国内工业经济快速发展的同时，也带来严重的环境污染问题。以大气污染为例，在当今复合污染背景条件下，臭氧和大气细颗粒物浓度不断升高已经成为其主要特征，传统的颗粒物质量浓度监测已经不能完全反应其污染特征，加强颗粒物粒径和浓度测量具有重要现实意义。由人类生产生活直接排放到大气中的颗粒物，由于其粒径较大，可以利用光学方法等直接测量其粒径及浓度；而由大气中污染气体通过光化学反应转化而来的二次颗粒物，往往具有颗粒物粒径小、浓度高、对生态系统影响更大的特点，且光学方法无法实现监测。目前，基于颗粒物电迁移特性的粒径分级及测量装置，已经作为一种成熟技术被广泛应用于环境细颗粒物监测领域。但通常情况下，自然环境下的细颗粒物荷电状态时未知，这给颗粒物粒径及浓度测量带来很大的不确定性，因此需要借助外加辅助方法实现颗粒物的重新荷电并达到已知的荷电状态（波尔兹曼电荷平衡分布），此类装置常被称为电荷中和源。
长期以来，放射性物质作为一种稳定的电离源被应用于实现颗粒物的稳定高效荷电。出于安全性的考虑，此类电荷中和源在国内使用受到严格的管理和控制。专利200710059569.5中设计了一种气溶胶静电中和器，用于在不改变粒径档的比例的条件下，平衡气溶胶所带电荷。该中和器包括静电中和箱体、高压电源输出装置、两个高压电极，在静电中和箱体上设置有进气口、出气口和混合空气口，进气口、出气口的位置相对，两个高压电极为集束针状电极，分别固定在箱体两侧，箱体内部固定有柱状接地板，所述高压电源输出装置的输出接到两个高压电极。高压电源输出装置用于输出0～±10KV的可调节电压。该电荷中和源为双极性电荷中和源，很难实现大气细颗粒物特别是纳米级超细颗粒物的高效荷电。同时，由于未设计任何粒径切割装置，环境空气中大粒径颗粒物的进入将获取大量的自由电荷从而降低小颗粒物的荷电效率。
发明内容
本发明的目的是：克服现有技术的不足，提供一种提高大气细颗粒物高效荷电的装置及方法，使其能够用于大气复合污染条件下基于颗粒物电迁移特性的粒径谱快速分级测量，结构简单，后期维护方便，实现空气中1μm以下细颗粒物的高效荷电。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种提高大气细颗粒物高效荷电的装置，主要原理是：利用颗粒物惯性切割原理，通过合理化设计样气进气口直径及其到撞击台面的距离，在实现气流流速精确控制的前提下，首先实现颗粒物的粒径分离（粒径在1μm以上的颗粒物被截留在惯性撞击室内）。利用高电压将电荷源腔体内钨针电极周围空气电离，同时在迁移电场的作用下，自由电荷被输运至迁移电极外部空间，待测气溶胶气样进入荷电区以后，瞬间与高浓度的单极性粒子完成荷电过程。
具体包括：撞击式粒子切割器1、颗粒物荷电腔2和高压电源3；所述的撞击式粒子切割器1外部均为圆柱体结构，内部为圆柱形中空结构，由样气进气管4、切割器盖5、切割器壁6和惯性撞击台7组成，所述的样气进气管4与割器盖5一体化设计，所述的切割器盖5端部有挡沿，通过螺纹与切割器壁6连接，连接处有O形密封圈；所述惯性撞击台7位于切割器壁6底部，并与切割器壁6一体化设计，所述惯性撞击台7与切割器盖5、样气进气管4共轴安装。
所述的颗粒物荷电腔2外部为长方体结构，内部空间为圆柱形中空结构，由高压电极固定基座8、荷电腔壁9、接地电极10、迁移电极11和高压放电电极12组成；所述高压电极固定基座8端部有挡沿，前部为圆台结构，后部为圆柱体结构，所述高压电极固定基座8通过螺纹与荷电腔壁9连接，连接处有O形密封圈；所述接地电极10通过螺纹与荷电腔壁9连接，连接处有O形密封圈；接地电极10外端为样气出气口；所述的迁移电极11和高压放电电极12固定在高压电极固定基座8上。
所述高压电源3分别与迁移电极11和高压放电电极12相连接，提供0～±5KV直流高压。
所述样气进气管4外端为圆柱形，用于连接外界采样管；另一端为小孔加速喷口设计，用以实现样气中颗粒物的瞬间加速。
所述的惯性撞击台7上部为经过粗糙化处理的金属薄层，下层为中空圆柱形结构，且圆柱面上开有矩形狭缝，实现惯性切割器腔体与撞击台内部空间的联通。
所述的接地电极10外形为圆柱体结构，端部有挡沿；接地电极10外端为样气出气口；内部为倒圆锥形结构，表面经过抛光处理。
所述的迁移电极11为不锈钢材质，连接固定基座8一端为中空圆柱形结构，另一端为半球面结构，且半球面上均匀分布自由电荷逸出小孔。
所述的高压放电电极12连接固定基座8一端为圆柱形结构，另一端为针形结构。
所述的高压电极固定基座8、荷电腔壁9、接地电极10、迁移电极11、高压放电电极12同轴安装。
所述荷电腔壁9靠近高压电极固定基座8一端内部圆柱空间直径大于靠近接地电极10一端，过渡连接处与高压电极固定基座8圆台部分构成环形腔13，环形腔13上端与惯性撞击台7内部空间贯通连接。
所述的撞击式粒子切割器1内样气进气管4、切割器盖5、切割器壁6、惯性撞击台7均采用铝质。
所述的颗粒物荷电腔2内部高压电极固定基座8采用聚四氟乙烯材质，荷电腔壁9采用铝制，接地电极10、迁移电极11采用不锈钢材质，高压放电电极12采用钨质。
一种提高大气细颗粒物高效荷电的方法，利用撞击式粒子切割方法，实现环境大气颗粒物的粒径切割，去除大颗粒物对自由电荷的过量吸附及对荷电腔体的污染；利用场致电离的方式获取自由电荷，并外加迁移电场将自由电荷迁移至荷电区，降低电离区粒子静电吸附损失，实现颗粒物的高效荷电；
具体实现如下：采样气流经样气进气管4并经喷口加速后进入撞击式粒子切割器1，粒径较大的颗粒物由于离心力的作用撞击并被截留在惯性撞击台7上，而粒径较小的颗粒物随气流进入惯性撞击台7内部，进而进入颗粒物荷电腔2内；
高压放电电极12在高压电源3提供的高压下，将周围空气电离，由于高压电源3为直流线性电源，高压放电电极12附近只能产生单极性电荷，单极性电荷在迁移电极11产生的迁移电场作用下向远离高压放电电极12的方向运动，并通过迁移电极11上的逸出小孔运动至迁移电极外，瞬间实现颗粒物的高效荷电，荷电后的颗粒物在气流的作用下进入接地电极10，并由后端的样气出口离开颗粒物荷电腔2。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
（1）本发明基本原理为场致电离放电，彻底解决大气细颗粒物监测领域放射性荷电中和源的使用弊端。
（2）本发明撞击式粒子切割器，在实现颗粒物粒径精确分级的前提下，大大降低了气溶胶大粒径粒子对荷电系统的污染问题及自由电子的吸附损失。
（3）本发明迁移电极的引入，将自由电荷疏运至颗粒物荷电区，大大降低荷电腔体内部的高压静电吸附损失，进一步提高大气细颗粒物的荷电效率。
（4）本发明结构紧凑，维护方便，可实现1μm以下大气细颗粒物的高效荷电，可用于基于电迁移特性监测仪器的颗粒物前期荷电并使其达到波尔兹曼电荷平衡分布。
附图说明
图1为本发明装置结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的大气细颗粒物高效荷电装置实施例包括：包括撞击式粒子切割器1、颗粒物荷电腔2、高压电源3。撞击式粒子切割器1外部为圆柱体结构，内外为圆柱形中空结构，由样气进气管4、切割器盖5、切割器壁6、惯性撞击台7组成。样气进气管4外端为圆柱形，用于连接外界采样管；另一端为小孔加速喷口设计，用以实现样气中颗粒物的瞬间加速。切割器盖5与样气进气管4为一体化设计，端部有挡沿，且通过螺纹与切割器壁6连接，连接处有O形密封圈。惯性撞击台7上部为经过粗糙化处理的金属薄层，下层为中空圆柱形结构，且圆柱面上开有矩形狭缝，可以实现惯性切割器腔体与撞击台内部空间的联通。惯性撞击台7与切割器壁6为一体化设计，且与切割器盖5、样气进气管4共轴安装。
颗粒物荷电腔2外部为长方体结构，内部为圆柱体中空结构，由高压电极固定基座8、荷电腔壁9、接地电极10组成。高压电极固定基座8为聚四氟乙烯材质，端部有挡沿，前部为圆台结构，后部为圆柱体结构，且通过螺纹与荷电腔壁9连接，连接处有O形密封圈。荷电腔壁9为铝制，表面经过导电氧化处理，且其外部结构为长方体，内部结构为圆柱形。接地电极10为不锈钢材质，外形为圆柱体结构，端部有挡沿；接地电极10外端为样气出气口，内部为倒圆锥性结构，表明经过抛光处理；接地电极10通过螺纹与荷电腔壁9连接，连接处有O形密封圈。迁移电极11和高压放电电极12固定在高压电极固定基座8上，且分别与高压电源3相连接。迁移电极11为不锈钢材质，连接固定基座8一端为中空圆柱形结构，另一端为半球面结构，且半球面上均匀分布着自由电荷逸出小孔；高压放电电极12为钨电极，连接固定基座8一端为圆柱形结构，另一端为针形结构。荷电腔壁9靠近高压电极固定基座8一端内部圆柱空间直径大于靠近接地电极10一端，过渡连接处与高压电极固定基座8圆台部分构成环形腔13，环形腔13上端与惯性撞击台7内部空间贯通连接。高压电极固定基座8、荷电腔壁9、接地电极10、迁移电极11、高压放电电极12同轴安装。
所述的高压电源3为线性直流高压电源，分别与迁移电极11和高压放电电极12相连接，可提供0～±5KV直流高压。。
本发明装置的工作过程为：采样气流经样气进气管4并经喷口加速后进入撞击式粒子切割器1，粒径较大的颗粒物由于离心力的作用撞击并被截留在惯性撞击台7上，而粒径较小的颗粒物随气流通过惯性撞击台7侧壁上的狭缝进入惯性撞击台7内部，进而进入颗粒物荷电腔2的环形腔13并实现样气气流在环形腔13的均匀分布，最后进入颗粒物荷电腔2内。
高压放电电极12在高压电源3提供的高压下，将周围空气电离。由于高压电源3为直流线性电源，因此高压放电电极12附近只能产生单极性电荷。单极性电荷在迁移电极11产生的迁移电场作用下向远离高压放电电极12的方向运动，并通过迁移电极11半球面上的自由电荷逸出小孔运动至迁移电极外，瞬间实现颗粒物的高效荷电。荷电后的颗粒物在气流的作用下进入接地电极10的圆锥形气流整形腔体，并由后端的样气出口离开颗粒物荷电腔2。
总之，本发明利用撞击式粒子切割方法，实现环境大气颗粒物的粒径切割，去除大颗粒物对自由电荷的过量吸附及对荷电腔体的污染；利用场致电离的方式获取自由电荷，并外加迁移电场将自由电荷迁移至荷电区，降低电离区粒子静电吸附损失，实现颗粒物的高效荷电，
本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知常识。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，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 (10)
1.一种提高大气细颗粒物高效荷电的装置，其特征在于包括：撞击式粒子切割器（1）、颗粒物荷电腔（2）和高压电源（3）；所述的撞击式粒子切割器（1）外部均为圆柱体结构，内部为圆柱形中空结构，由样气进气管（4）、切割器盖（5）、切割器壁（6）和惯性撞击台（7）组成，所述样气进气管（4）与切割器盖（5）一体化设计，所述的切割器盖（5）端部有挡沿，通过螺纹与切割器壁（6）连接，连接处有O形密封圈；所述惯性撞击台（7）位于切割器壁（6）底部，并与切割器壁（6）一体化设计，所述惯性撞击台（7）与切割器盖（5）、样气进气管（4）共轴安装；
所述的颗粒物荷电腔（2）外部为长方体结构，内部空间为圆柱形中空结构，由高压电极固定基座（8）、荷电腔壁（9）、接地电极（10）、迁移电极（11）和高压放电电极（12）组成；所述高压电极固定基座（8）端部有挡沿，前部为圆台结构，后部为圆柱体结构，所述高压电极固定基座（8）通过螺纹与荷电腔壁（9）连接，连接处有O形密封圈；所述接地电极（10）通过螺纹与荷电腔壁（9）连接，连接处有O形密封圈；接地电极（10）外端为样气出气口；所述的迁移电极（11）和高压放电电极（12）固定在高压电极固定基座（8）上。
所述高压电源（3）分别与迁移电极（11）和高压放电电极（12）相连接，提供0～±5KV直流高压。
2.根据权利要求1所述的一种提高大气细颗粒物高效荷电的装置，其特征在于：所述样气进气管（4）外端为圆柱形，用于连接外界采样管；另一端为小孔加速喷口设计，用以实现样气中颗粒物的瞬间加速。
3.根据权利要求1所述的一种提高大气细颗粒物高效荷电的装置，其特征在于：所述的惯性撞击台（7）上部为经过粗糙化处理的金属薄层，下层为中空圆柱形结构，且圆柱面上开有矩形狭缝，实现惯性切割器腔体与撞击台内部空间的联通。
4.根据权利要求1所述的一种提高大气细颗粒物高效荷电的装置，其特征在于：所述的接地电极（10）外形为圆柱体结构，端部有挡沿；内部为倒圆锥形结构，表面经过抛光处理。
5.根据权利要求1所述的一种提高大气细颗粒物高效荷电的装置，其特征在于：所述的迁移电极（11）为不锈钢材质，连接固定基座（8）一端为中空圆柱形结构，另一端为半球面结构，且半球面上均匀分布自由电荷逸出小孔。
6.根据权利要求1所述的一种提高大气细颗粒物高效荷电的装置，其特征在于：所述的高压放电电极（12）连接固定基座（8）一端为圆柱形结构，另一端为针形结构。
7.根据权利要求1所述的一种提高大气细颗粒物高效荷电的装置，其特征在于：所述的高压电极固定基座（8）、荷电腔壁（9）、接地电极（10）、迁移电极（11）、高压放电电极（12）同轴安装。
8.根据权利要求1所述的一种提高大气细颗粒物高效荷电的装置，其特征在于：所述荷电腔壁（9）靠近高压电极固定基座（8）一端内部圆柱空间直径大于靠近接地电极（10）一端，过渡连接处与高压电极固定基座（8）圆台部分构成环形腔（13），环形腔（13）上端与惯性撞击台（7）内部空间贯通连接。
9.根据权利要求1所述的一种提高大气细颗粒物高效荷电的装置，其特征在于：所述的撞击式粒子切割器（1）内样气进气管（4）、切割器盖（5）、切割器壁（6）、惯性撞击台（7）均采用铝质；所述的颗粒物荷电腔（2）内部高压电极固定基座（8）采用聚四氟乙烯材质，荷电腔壁（9）采用铝制，接地电极（10）、迁移电极（11）采用不锈钢材质，高压放电电极（12）采用钨质。
10.一种提高大气细颗粒物高效荷电的方法，其特征在于：利用撞击式粒子切割方法，实现环境大气颗粒物的粒径切割，去除大颗粒物对自由电荷的过量吸附及对荷电腔体的污染；利用场致电离的方式获取自由电荷，并外加迁移电场将自由电荷迁移至荷电区，降低电离区粒子静电吸附损失，实现颗粒物的高效荷电；
具体实现如下：采样气流经样气进气管（4）并经喷口加速后进入撞击式粒子切割器（1），粒径较大的颗粒物由于离心力的作用撞击并被截留在惯性撞击台（7）上，而粒径较小的颗粒物随气流进入惯性撞击台（7）内部，进而进入颗粒物荷电腔（2）内；
高压放电电极（12）在高压电源（3）提供的高压下，将周围空气电离，由于高压电源（3）为直流线性电源，高压放电电极（12）附近只能产生单极性电荷，单极性电荷在迁移电极（11）产生的迁移电场作用下向远离高压放电电极（12）的方向运动，并通过迁移电极（11）上的逸出小孔运动至迁移电极外，瞬间实现颗粒物的高效荷电，荷电后的颗粒物在气流的作用下进入接地电极（10），并由后端的样气出口离开颗粒物荷电腔（2）。
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