CN103933901A

CN103933901A - 1～3nm单分散气溶胶发生系统

Info

Publication number: CN103933901A
Application number: CN201410166017.4A
Authority: CN
Inventors: 蒋靖坤; 麦华俊; 张强; 郝吉明
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2014-04-23
Filing date: 2014-04-23
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2034-04-23
Also published as: CN103933901B

Abstract

本发明属于环境气溶胶技术领域，特别涉及一种1～3nm单分散气溶胶发生系统。主要由电喷雾发生器、高分辨率差分电迁移率分析仪和气溶胶静电计组成，电喷雾发生器得到的一系列标准离子通过高分辨率差分电迁移率分析仪进行筛选，得到所需的单分散离子气溶胶，由气溶胶静电计对所得气溶胶进行测量，效率不低于99％，保证了测量的准确性。通过该系统所得到的为单分散纳米气溶胶，使用四烷基卤化铵的有机溶液和乙酸铵的水溶液可以得到严格单分散、几何粒径范围为0.7～3nm的气溶胶，得到的标准正负离子气溶胶浓度分别在10⁶～10⁷个/cm³、10⁵～10⁶个/cm³的浓度范围内。

Description

1～3nm单分散气溶胶发生系统

技术领域

本发明属于环境气溶胶技术领域，特别涉及一种1～3nm单分散气溶胶发生系统。

背景技术

现有的气溶胶发生系统无法产生严格意义的单分散气溶胶，不便于进行气溶胶化学物理特性研究与气溶胶仪器校正。如中国发明专利气溶胶发生器(公开号CN101352661A)利用云凝结的原理生成亚微米级的气溶胶，但此方法无法得到直径均一的严格单分散的气溶胶；又如中国发明专利一种蒸发冷凝法准单分散亚微米气溶胶发生装置(公开号CN101284220A)与一种亚微米级固体氯化钠气溶胶发生方法及其装置(公开号CN1974387A)生成气溶胶粒径分布服从对数正态分布，几何标准偏差分别为1.3与1.85，即无法得到严格单分散的标准气溶胶。

此外，现有的气溶胶发生装置与系统不能产生粒径范围为1-3nm的气溶胶。如中国发明专利用于空气过滤器效率测试的大粒径气溶胶发生方法及装置(公开号CN101093218A)、基于Laskin喷嘴设计的气溶胶发生器(公开号CN102072861A与公开号CN102069047A)等均只能生成微米级或亚微米级的气溶胶。

发明内容

为了解决上述现有气溶胶发生系统的不足，本发明主要基于电喷雾原理提供了一种1～3nm单分散气溶胶发生系统，利用电喷雾发生器和高分辨率差分电迁移率分析仪(HRDMA)生成电迁移率当量直径在1～3nm范围内的严格单分散离子气溶胶。

本发明采用的技术方案为：

注射器、注射器阀门、电喷雾发生器的电喷雾连接室依次串联连接，电喷雾发生器的电喷针接入电喷雾雾化室；载气端依次与载气阀门、载气流量计通过管道连接后，接入电喷雾雾化室的载气进口；电喷雾雾化室的气溶胶出口与高分辨率差分电迁移率分析仪的入口连接；高分辨率差分电迁移率分析仪的气溶胶出口通过管道依次与气溶胶静电计、限流孔、真空泵连接，鞘气出口通过管道依次与HRDMA鞘气风机、HRDMA鞘气过滤器连接后，再接到高分辨率差分电迁移率分析仪的鞘气入口；电喷雾高压电源为电喷雾发生器供电，HRDMA高压电源为高分辨率差分电迁移率分析仪供电；HRDMA高压电源和HRDMA鞘气风机的控制信号线、气溶胶静电计的输出信号线分别与数据采集卡连接，数据采集卡再与电脑连接。

所述电喷雾发生器的结构为：电喷雾连接室具有4个接口，分别为注射器连接口、色谱接头连接口、试样管连接口、高压接头连接口；其中，注射器连接口与所述注射器阀门连接，高压接头连接口处设置高压接头，用来与电喷雾高压电源连接；试样管连接口处设置试样管，试样管的管帽通过固定螺丝固定于电喷雾连接室上；所述电喷针的一端伸入试样管中，另一端从电喷雾连接室的色谱接头连接口伸出；电喷针通过一组色谱接头、密封色谱接头与电喷雾连接室连接，电喷针伸出电喷雾连接室的部分套装在连接管内，并通过另一组色谱接头、密封色谱接头与所述电喷雾雾化室连接；电喷雾连接室内设置金属丝，金属丝的一端与高压接头连接，另一端伸入试样管中。

所述电喷雾连接室采用有机玻璃材质；所述电喷针的长度与内径、外径分别为12cm、100μm和360μm，针尖内径为30μm；所述试样管为容量为2mL的塑料试样管。

所述色谱接头、试样管的管帽、高压接头和注射器连接口与电喷雾连接室之间的连接均采用橡胶密封圈进行密封，确保系统的气密性。

所述电喷雾高压电源的输出范围为-5kV～+5kV。

所述注射器的容量为50mL，注射器与注射器阀门之间通过软管连接。

所述电喷雾雾化室为直径1英寸、高度1.5英寸的不锈钢圆柱，两底面均镶有玻璃，以便于使用显微镜对电喷针的针尖处电喷雾情况进行观察。

所述的高分辨率差分电迁移率分析仪的施加电压范围为-5kV～+5kV，气溶胶载气流量范围为5-10升/分钟，鞘气流量范围为100-700升/分钟。

所述的气溶胶静电计通过过滤方式将带电颗粒物进行拦截，对1-3nm范围内的气溶胶的测量效率不低于99％，测量的电流范围为-5.6pA～+5.6pA。

本发明与现有技术相比，具有以下的优点及突出性效果：

通过该系统所得到的为单分散纳米气溶胶，使用四烷基卤化铵的有机溶液和乙酸铵的水溶液可以得到严格单分散、几何粒径范围为0.7～3nm的气溶胶，得到的标准正负离子气溶胶浓度分别在10⁶～10⁷个/cm³、10⁵～10⁶个/cm³的浓度范围内。生成气溶胶的浓度可通过改变溶液浓度进行调节。系统在各管道连接中均采用了卡套连接，在一些连接处采用橡胶圈进行密封，有效保证了系统的气密性。

附图说明

图1为本发明所述系统的结构示意图；

图2为电喷雾发生器的结构示意图；

图中标号：

1-注射器；2-注射器阀门；3-电喷雾连接室；4-电喷雾高压电源；5-载气阀门；6-载气流量计；7-电喷雾雾化室；8-高分辨率差分电迁移率分析仪；9-HRDMA高压电源；10-HRDMA鞘气过滤器；11-HRDMA鞘气风机；12-气溶胶静电计；13-限流孔；14-真空泵；15-数据采集卡；16-电脑；17-试样管；18-金属丝；19-电喷针；20-固定螺丝；21-高压接头；22-注射器连接口；23-橡胶密封圈；24-色谱接头；25-密封色谱接头；26-连接管；27-载气进口；28-气溶胶出口。

具体实施方式

本发明提供了一种1～3nm单分散气溶胶发生系统，下面结合附图对本发明的原理、工作过程及具体实施方式作进一步的说明：

图1为1-3nm单分散气溶胶发生系统示意图，主要由电喷雾发生器、高分辨率差分电迁移率分析仪(HRDMA)8和气溶胶静电计12构成。其中，电喷雾发生器的结构如图2所示。

50mL注射器1及其注射器阀门2通过软管进行连接，注射器阀门2与电喷雾发生器通过注射器连接口22与电喷雾连接室3进行连接，利用注射器1和注射器阀门2可调节电喷针19中的溶液流速。电喷雾连接室3(18mm×25mm×20mm)为有机玻璃材质；电喷针19长度与内外径分别为12cm、100μm和360μm，针尖内径为30μm。用于盛放溶液的2mL塑料试样管17的管帽通过长度为8mm的固定螺丝20进行连接，并固定于电喷雾连接室3。电喷雾发生器中的电喷雾高压电源4通过高压接头21与固定螺丝20导通，并通过金属丝18使溶液处于高压的环境。电喷雾高压电源4能提供范围为-5kV～+5kV的正负高压。色谱密封接头25能将电喷针19压紧从而实现密封，并通过色谱接头24与电喷雾连接室3进行连接。上述的色谱接头24、试样管17的管帽、高压接头21和注射器连接口22与电喷雾连接室3的连接均采用橡胶密封圈23进行密封，确保系统的气密性。

电喷针19依次通过连接管26、密封色谱接头25和色谱接头24进入电喷雾雾化室7中，其中连接管26外径为1/4英寸。用于电喷雾发生器的载气由载气阀门5和载气流量计6进行控制，通过载气进口27与电喷雾雾化室7进行连接。其中电喷雾雾化室7为直径1英寸、高度1.5英寸的不锈钢圆柱，两底面均镶有玻璃，以便于使用显微镜对电喷针19的针尖处电喷雾情况进行观察。电喷雾雾化室7的气溶胶出口28经过1/4英寸标准卡套与下游的高分辨率差分电迁移率分析仪8的进口连接。

电喷雾发生器得到的一系列标准离子通过高分辨率差分电迁移率分析仪8进行筛选，得到所需的单分散离子气溶胶。高分辨率差分电迁移率分析仪8的鞘气通过鞘气风机11提供动力，并使用Camfil公司的板式HRDMA鞘气过滤器10去除颗粒物。高分辨率差分电迁移率分析仪8、HRDMA鞘气过滤器10和HRDMA鞘气风机11间均采用NW40的真空管进行连接，接口处采用NW40的真空法兰进行密封。HRDMA高压电源9通过高压SHV接头与高分辨率差分电迁移率分析仪8的内电极进行连接，实现对内电极电压的调节，高分辨率差分电迁移率分析仪8的外电极接地。HRDMA高压电源9包括正高压电源和负高压电源，输出的电压范围分别为0～5kV与0～-5kV，可通过数据采集卡15对正负高压电源进行切换和调节。

高分辨率差分电迁移率分析仪8的气溶胶出口与下游气溶胶静电计12的进口端通过1/4英寸标准卡套进行连接。气溶胶静电计12的出口端通过1/4英寸标准卡套与限流孔13的连接。限流孔13下游通过橡胶管与真空泵14的进气口进行连接，限流孔13与真空泵14用于精确控制高分辨率差分电迁移率分析仪8出口端与气溶胶静电计12的气溶胶载气流量。

上述系统中的HRDMA高压电源9、HRDMA鞘气风机11的控制所需模拟电压信号由16位数据采集卡15提供，同时利用数据采集卡15采集HRDMA高压电源9的高压输出值比例信号、HRDMA鞘气风机11的转速流量信号、气溶胶静电计12的浓度电压信号以及环境温湿度等信息，在电脑16上通过控制软件进行实时显示、存储和分析。

电喷雾发生器中的溶液流速和电压值影响发生器的工作模式及所生成的离子气溶胶。注射器1与注射器阀门2配合使用实现溶液流速调节：压缩注射器1内的空气将提高与其相连的电喷雾连接室3内的空气压强，即提高了电喷针19两端的压强差，从而提高了溶液流速；在获得合适的溶液流速后，关闭注射器阀门2可在一段时间内保持电喷雾连接室3内的压强相对恒定，为电喷雾发生器提供稳定的溶液流量。电喷雾发生器中塑料试样管17中盛放用于产生离子气溶胶的溶液，当电喷雾用于生成离子时，试样管中需放置盐类化合物(常用四烷基铵盐类，如四丙基碘化铵、四庚基溴化铵)的有机溶剂。溶液电压通过电喷雾高压电源4进行调节，由固定螺丝20与金属丝18使溶液与高压电导通。溶液通过电喷针19进入电喷雾雾化室7中，其中电喷针19依次通过连接管26、密封色谱接头25和色谱接头24进行密封与保护。当试样管17中的溶液与电喷雾雾化室7分别处于正高压与接地时，所形成的电场使得带正电的液滴离开电喷针19进入下游。相反，当溶液处于负高压的环境时，带负电的液滴会离开电喷针进入下游。载气进入电喷雾雾化室7后与带电荷的液滴进行混合后，由于液滴中挥发性溶剂(如醇类)的挥发，致使液滴中的电荷密度高于表面张力，进而发生液滴破碎现象，最终形成一系列带单电荷或多电荷的离子。如采用处于正高压的四丙基碘化铵(盐类物质结构简记为AB，其中A⁺为正离子，B-为负离子)的乙醇溶液，由上述系统能产生A⁺，A⁺(AB)，A⁺(AB)₂等离子单体和多体化合物，电迁移率当量粒径在1～3nm的范围内。

为得到单分散的离子气溶胶，在电喷雾发生器下游使用高分辨率差分电迁移率分析仪8进行筛选。高分辨率差分电迁移率分析仪8的工作原理是根据不同电迁移率颗粒物在电场与流场中具有不同的迁移特性进行分离的。通过调节HRDMA高压电源9能改变HRDMA内电极的电压，从而筛选出电迁移率不同(即粒径不同或荷电量不同)的颗粒物。当内电极为正高压时能用于筛选带负电荷的颗粒物，而内电极为负电时能筛选带正电荷的颗粒物。在忽略颗粒物的扩散效应下，HRDMA的分辨率等于鞘气流量与气溶胶载气流量的比值。但对于小粒径的颗粒物，扩散效应占主导，会降低HRDMA的分辨率。在HRDMA中采用了提高鞘气流量的方法确保足够高的分辨率进行小粒径颗粒物的筛选。本系统中HRDMA的气溶胶载气流量约为5～10升/分钟，鞘气约为100～700升/分钟，鞘气流量由鞘气风机11提供。在鞘气风机的下游，采用HRDMA鞘气过滤器10对鞘气所携带的颗粒物进行去除。考虑到较高的鞘气流量，高分辨率差分电迁移率分析仪8、HRDMA鞘气风机11和HRDMA鞘气过滤器10间均采用NW40的真空管进行连接，并在接口处采用NW40的真空法兰进行密封。高分辨率差分电迁移率分析仪8筛选出来的离子单体或多体化学组分均一，保障了其严格单分散性。

通过高分辨率差分电迁移率分析仪8筛选得到的单分散气溶胶将进入下游的气溶胶静电计12进行浓度测量。由于气溶胶静电计12是通过过滤方式将颗粒物进行拦截，然后通过测量传递的电流得到对应的气溶胶浓度，因此对于小粒径的颗粒物有很高的效率。实验表明，气溶胶静电计12对1～3nm范围内的气溶胶的测量效率不低于99％，保证了测量的准确性。限流孔13与真空泵14用于精确控制高分辨率差分电迁移率分析仪8出口端与气溶胶静电计12的气溶胶载气流量，在需要变换气溶胶载气流量时，可通过更换不同的限流孔13来实现。为了减少小粒径颗粒物在气路中的损失，气溶胶载气流量一般设置为5～10lpm。较高的气溶胶载气流量还有利于降低气溶胶静电计的浓度测量下限，进一步提高测量准确性。

此系统生成的正离子气溶胶浓度在10⁶～10⁷个/cm³范围内，而负离子气溶胶浓度范围为10⁵～10⁶个/cm³。得到的气溶胶是严格单分散的，能用于校正相关气溶胶测量仪器与气溶胶物理化学特性研究。

Claims

1.1～3nm单分散气溶胶发生系统，其特征在于，注射器(1)、注射器阀门(2)、电喷雾发生器的电喷雾连接室(3)依次串联连接，电喷雾发生器的电喷针(19)接入电喷雾雾化室(7)；载气端依次与载气阀门(5)、载气流量计(6)通过管道连接后，接入电喷雾雾化室(7)的载气进口(27)；电喷雾雾化室(7)的气溶胶出口(28)与高分辨率差分电迁移率分析仪(8)的入口连接；高分辨率差分电迁移率分析仪(8)的气溶胶出口通过管道依次与气溶胶静电计(12)、限流孔(13)、真空泵(14)连接；高分辨率差分电迁移率分析仪(8)鞘气出口通过管道依次与HRDMA鞘气风机(11)、HRDMA鞘气过滤器(10)连接后，再接到高分辨率差分电迁移率分析仪(8)的鞘气入口；电喷雾高压电源(4)为电喷雾发生器供电，HRDMA高压电源(9)为高分辨率差分电迁移率分析仪(8)供电；HRDMA高压电源(9)和HRDMA鞘气风机(11)的控制信号线、气溶胶静电计(12)的输出信号线分别与数据采集卡(15)连接，数据采集卡(15)再与电脑(16)连接。

2.根据权利要求1所述的1～3nm单分散气溶胶发生系统，其特征在于，所述电喷雾发生器的结构为：电喷雾连接室(3)具有4个接口，分别为注射器连接口(22)、色谱接头连接口、试样管连接口、高压接头连接口；其中，注射器连接口(22)与所述注射器阀门(2)连接，高压接头连接口处设置高压接头(21)，用来与电喷雾高压电源(4)连接；试样管连接口处设置试样管(17)，试样管(17)的管帽通过固定螺丝(20)固定于电喷雾连接室(3)上；所述电喷针(19)的一端伸入试样管(17)中，另一端从电喷雾连接室(3)的色谱接头连接口伸出；电喷针(19)通过一组色谱接头(24)、密封色谱接头(25)与电喷雾连接室(3)连接，电喷针(19)伸出电喷雾连接室(3)的部分套装在连接管(26)内，并通过另一组色谱接头(24)、密封色谱接头(25)与所述电喷雾雾化室(7)连接；电喷雾连接室(3)内设置金属丝(18)，金属丝(18)的一端与高压接头(21)连接，另一端伸入试样管(17)中。

3.根据权利要求2所述的1～3nm单分散气溶胶发生系统，其特征在于，所述电喷雾连接室(3)采用有机玻璃材质；所述电喷针(19)的长度与内径、外径分别为12cm、100μm和360μm，针尖内径为30μm；所述试样管(17)为容量为2mL的塑料试样管。

4.根据权利要求2所述的1～3nm单分散气溶胶发生系统，其特征在于，所述色谱接头(24)、试样管(17)的管帽、高压接头(21)和注射器连接口(22)与电喷雾连接室(3)之间的连接均采用橡胶密封圈(23)进行密封，确保系统的气密性。

5.根据权利要求1所述的1～3nm单分散气溶胶发生系统，其特征在于，所述电喷雾高压电源(4)的输出范围为-5kV～+5kV。

6.根据权利要求1所述的1～3nm单分散气溶胶发生系统，其特征在于，所述注射器(1)的容量为50mL，注射器(1)与注射器阀门(2)之间通过软管连接。

7.根据权利要求1所述的1～3nm单分散气溶胶发生系统，其特征在于，所述电喷雾雾化室(7)为直径1英寸、高度1.5英寸的不锈钢圆柱，两底面均镶有玻璃，以便于使用显微镜对电喷针(19)的针尖处电喷雾情况进行观察。

8.根据权利要求1所述的1～3nm单分散气溶胶发生系统，其特征在于，所述高分辨率差分电迁移率分析仪(8)的施加电压范围为-5kV～+5kV，气溶胶载气流量范围为5-10升/分钟，鞘气流量范围为100-700升/分钟。

9.根据权利要求1所述的1～3nm单分散气溶胶发生系统，其特征在于，所述气溶胶静电计(12)通过过滤方式将带电颗粒物进行拦截，测量的电流范围为-5.6pA～+5.6pA。