CN104280273A - 高流量多功能气溶胶转水溶胶空气采样器及采样方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高流量多功能气溶胶转水溶胶空气采样器，用于分粒径的颗粒物或病毒的采集，该采样器包括：入口端，用以按粒径分割和输入载有被采集颗粒物或病毒的气体；混合器，用以将水蒸汽与所述入口端输入的所述气体均匀混合，以产生高湿度的气溶胶；温控冷凝管，连接于所述混合器的输出端，以对所述气溶胶进行急速降温而使所述水蒸气在颗粒物表面冷凝增加所述颗粒物的粒径，所述温控冷凝管具有温控装置，以在所述急速降温过程中控制所述水蒸气的温度；收集器，连接于所述温控冷凝管的输出端，将所述温控冷凝管生成的颗粒物水雾通过漩涡流和冲击进行收集。本发明的采样器成本低且收集效率高。

Description

高流量多功能气溶胶转水溶胶空气采样器及采样方法

技术领域

本发明涉及能源与环境技术领域，尤其涉及一种高流量多功能气溶胶转水溶胶空气采样器（A High Flow and Multi-application Aerosol to Hydrosol AirSampler，简称ATHAS）及其采样方法。

背景技术

PM_2.5是现今环境污染问题的焦点，因此对PM_2.5的监测和采样成为重要课题。国内，计划在5年之内，在全国338各地级城市设立PM_2.5监测点，因此相关技术的市场潜力巨大。且工业污染源监测设备的应用，到2015年，污染源监测设备行业的产值将超过100亿美元。

同时，对于病毒，例如SARS和禽流感病毒的采样，也具有重要的意义。

然而，现有技术的通过过滤和压缩实现PM_2.5采集的采样器，具有以下的缺点：

1.非常高的操作成本，用于过滤和采集颗粒物的滤膜成本较高，常在100美元以上；

2.操作效率低，采样效率低，例如SKC的采样器（Biosampler），对小粒径的病毒或颗粒，例如30-100nm的，其采样效率小于10%，然而，空气传播的SARS病毒大约是80-90nm。

3.通常需要对样品进行繁复的后期处理。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的为提供一种高流量多功能气溶胶转水溶胶空气采样器，以解决现有技术存在的成本高、效率低和繁复的后期处理的技术问题。

本发明的另一目的在于提供一种采样方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种高流量多功能气溶胶转水溶胶空气采样器，用于分粒径的颗粒物或病毒的采集，该采样器包括：

入口端，用以按粒径分割并输入载有被采集颗粒物或病毒的气体；

混合器，用以将水蒸汽与所述入口端输入的所述气体均匀混合，以产生高湿度的气溶胶；

温控冷凝管，连接于所述混合器的输出端，以对所述气溶胶进行急速降温而使所述水蒸气在颗粒物表面冷凝增加所述颗粒物的粒径，所述温控冷凝管具有温控装置，以在所述急速降温过程中控制所述水蒸气的温度；

收集器，连接于所述温控冷凝管的输出端，将所述温控冷凝管生成的颗粒物水雾通过漩涡流和冲击进行收集。

一种采样方法，用于分粒径的颗粒物或病毒的采集，包括步骤：

S1：按粒径分割并输入载有被采集颗粒物或病毒的气体；

S2：将水蒸汽与所述气体均匀混合，以产生高湿度的气溶胶；

S3：对所述高湿度的气溶胶进行急速降温而使所述水蒸气在颗粒物表面冷凝增加所述颗粒物的粒径，且在所述急速降温过程中控制所述水蒸气的温度；

S4：将所述步骤S3生成的颗粒物水雾通过漩涡流和冲击进行收集。

本发明的有益效果在于，本发明的采样器及采样方法，可实现对气溶胶和水溶胶的转换，保留颗粒物本身的可溶和不可溶部分的相对比例，采样样本无需后处理，可直接用于多种化学组分分析（如离子，金属，有机物等）和毒理性分析（如细胞毒性分析和动物注射实验），和对空气生物气溶胶的组分进行分析。本发明可大大减少传统滤膜采样器的繁复的后处理时间和物力人力，实现直接甚至在线多种组分分析。并且，本发明的采样器是便携式的多功能的采样器。

附图说明

图1为本发明实施例的高流量多功能气溶胶转水溶胶空气采样器的示意图。

图2为本发明实施例的高流量多功能气溶胶转水溶胶空气采样器的收集器的俯视示意图。

图3为图2中A-A剖视示意图。

图4为本发明实施例的高流量多功能气溶胶转水溶胶空气采样器中的锥形管示意图。

图5为本发明实施例的采样方法的流程图。

附图标记说明：

1        混合器

11       蒸汽发生器

110      不锈钢毛细管

12       蠕动泵

2        温控冷凝管

21       风扇

22       微型制冷系统

3        收集器

31       流量控制装置

32       真空泵

33       抽取装置

34       顶部

35       中部

36       底部

37       出口

38       法兰

39       锥形管

391      竖直部

392      弧面部

393      锥部

4        颗粒物切割头

具体实施方式

体现本发明特征与优点的典型实施例将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施例上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及附图在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。

本发明实施例的采样方法，可通过本发明实施例的高流量多功能气溶胶转水溶胶空气采样器来实现。本发明实施例的高流量多功能气溶胶转水溶胶空气采样器，可以通过本发明实施例的采样方法进行采样。

本发明的采样器是一种创新多功能的便携式空气悬浮粒子PM_2.5及病毒采样器。下面的说明以PM_2.5颗粒物为例，但本发明并不局限于此。

下面先具体介绍本发明优选实施例的高流量多功能气溶胶转水溶胶空气采样器。

如图1所示，本发明实施例的高流量多功能气溶胶转水溶胶空气采样器（以下简称采样器），主要由四部分组成，即颗粒物切割头4、混合器1、温控冷凝管2和收集器3。此外，本发明实施例的采样器，还包括电子控制模块，用以控制整个采样器的运行及运行参数，包括但不限于各元件内的温度参数、流量参数、流速参数、压力参数等。电子控制模块还包括硬件模块，加热、冷却控制和样本自动转换系统等。

为了保证采样过程的快速有效，本发明的采样器是整体密闭的结构，因此，除了颗粒物正常通过的路径外，颗粒物切割头4与混合器1之间、混合器1与温控冷凝管2之间、温控冷凝管2与收集器3之间均是密闭连接，进入采样器中的载有待采集颗粒物的气体，除采样器的出口37之外，不会从其他连接处泄漏出去。

以下分别介绍上述四个部分：

一、颗粒物切割头

颗粒物切割头4设置在采样器的入口端，采样器的入口端用以输入载有被采集颗粒物的气体（主要是空气），在入口端可连接有颗粒物切割头，以对总悬浮颗粒物（Total Suspended Particulate，TSP），PM₁₀，PM_2.5或PM₁等不同粒径的颗粒物进行收集。

其中PM₁₀是通常的直径小于10微米的可吸入颗粒物，包括被风沙扬起的尘土、花粉和霉菌等；其中PM_2.5可称为“可入肺颗粒物”，直径小于2.5微米，成分包括燃烧产生的粒子、有机物和金属元素等。

颗粒物切割头4设置特定大小的入口，以使粒径大于设定直径的颗粒物不能进入采样器。针对不同的采样需求，颗粒物切割头4可以具有不同的规格，因此颗粒物切割头4优选的是可替换的设置在采样器的入口端，不同规格的颗粒物切割头4用于不同粒经的颗粒物的采集。

二、混合器

本发明实施例的采样器，其混合器1优选的为温控蒸汽发生混合器，因此，混合器1还包括蒸汽发生器11和蠕动泵（peristaltic pump）12，蠕动泵12向蒸汽发生器11中输入去离子水，并且能够控制去离子水的流速，进而控制蒸汽发生器11所产生的蒸汽的流量。本发明是以水作为收集媒介，因此大大的降低了运行成本。

蒸汽发生器11用来形成蒸汽，并向混合器1中喷射。蒸汽发生器11套设于混合器1的外周，因此，蒸汽可以从混合器1的内壁的不同角度喷射入混合器1的腔体内，已与从入口端进入的载有被采集颗粒物的气体进行均匀混合，产生高湿度的气溶胶。这里所说的高湿度，例如是湿度85%以上。

蒸汽发生器11具有温度控制装置，结合上述的蠕动泵12的流量控制，因此可以生成温度和流量可控的稳定蒸汽流，并和颗粒物均匀混合，产生高湿度的气溶胶。优选的，蒸汽发生器11内的温度控制在100-150摄氏度，因而可使混合器1的腔体内的温度也大致为100-150摄氏度。

关于蒸汽发生器11，其可为如图1所示的配置有不锈钢毛细管110的加热管，但不以此为限，也可为温控加热水箱或其他形式的温控加热管。

另外，为了使所述载有被采集颗粒物的气体中的颗粒物与所述蒸汽在混合器1中通过湍流均匀混合，颗粒物切割头4与混合器1优选的是通过直管直接连接。直管的材质例如为不锈钢。

三、温控冷凝管

温控冷凝管2的作用是对由混合器1输入的高湿度的气溶胶进行急速降温，实现蒸汽在颗粒物表面的冷凝以增加粒径尺寸。

如图1所示，温控冷凝管2是柱状结构，其横截面为带有圆孔的正方形或矩形，因此在温控冷凝管2内形成多个圆柱体状的腔体，所述高湿度的气溶胶从所述圆柱状腔体中通过。温控冷凝管2的外周套设有微型制冷系统22，微型制冷系统22的外表面则装设有风扇21。微型制冷系统22向内提供冷源，而风扇21则是为了助于微型制冷系统22的散热。可以通过控制微型制冷系统22的功率大小及开关，以控制温控冷凝管2的圆柱体腔体内的温度。

温控冷凝管2内的温度可以控制在5-10度，因此，通过温控冷凝管2的降温控制和蒸汽温度进行配合，实现稳定和有效的颗粒物放大效果。

温控冷凝管2的底部还设置有吸附水抽取装置，在介绍收集器时一并介绍。

本发明实施例的采样器，上述的混合器1和温控冷凝管2可以合称为“气溶胶增大模块”，其利用蒸汽冷凝原理来达到使气溶胶颗粒增大的目的；增大的气溶胶然后被抽取到收集器3中。

四、收集器

本发明实施例的采样器，收集器3也可称为“精密颗粒物冲击漩涡混合收集器”，收集器3对由温控冷冷凝管2生成的颗粒物水雾通过漩涡流和冲击原理进行高效率收集，达到气溶胶对水溶胶的转换。

如图2所示，收集器3由顶部34、中部35和底部36组成。顶部34、中部35和底部36的外表面均为圆柱状，而内腔则具有不同的形状，顶部34的内腔为圆柱状，而中部35的内腔则为圆台状，其截面为等腰梯形。而底部36的内腔是圆柱与圆锥的结合，且圆锥的底端为采样器的出口37。这些结构的变化，都是为了在收集器3内更好的形成漩涡效果。而顶部34的顶端具有法兰38。

法兰38上连接有四根锥形管39，每一锥形管39的形状如图4所示。锥形管39包括竖直部391、弧面部392和锥部393，竖直部391的直径不变，而锥部393的直径逐渐变细，竖直部391的中心线和锥部393的中心线的夹角例如为30度。弧面部392的中心线是光滑曲线。四根锥形管39在法兰38的圆周上均匀分布，而锥部393的布置形式如图2所示。因此，四根锥形管39按照一定角度排列，其目的是引导从温控冷凝管2导入的气流以漩涡方式进入收集器3，如图1中的虚线示出的曲线所示，并在收集器3内形成稳定气流和水流（气流撞击收集器3的内壁时形成）。

如图1所示，锥形管39的顶端连接于温控冷凝管2的底端，在温控冷凝管2底部靠近锥形管39入口的位置，还连接有四通道不锈钢管道，连接至用于抽取温控冷凝管2管壁的吸附水的自动抽取装置。以自动抽取温控冷凝管2内壁的冷凝水，以保证采样的效果。

如图2和图3所示，在法兰38的中心设置有抽真空管40，其连接有真空泵32和流量控制器31。抽真空管40的下端伸入收集器3内，抽真空管40的上端连接真空泵32。真空泵40的运行可以改变收集器3内的压力，为锥形管39的气体抽取提供动力，并使由温控冷凝管2内导入的颗粒物水雾加速，使得高速颗粒物水雾直接在收集器3的壁面形成冲击，提高本发明实施例的采样器的收集效率。

真空泵32可以被流量控制器31所控制，通过控制真空泵32的功率大小和开关来控制整个采样器内的流量和流速（单位时间的流量），在颗粒物浓度较低的环境下，例如空气环境较好的地方，PM_2.5浓度较低的地方，需要加大流速，以在较短的时间内完成采样；反之，在颗粒物浓度较高的环境下，例如在空气污染比较严重的地方，PM_2.5浓度较高的地方，可以采用较小的流速，就可以在较短的时间内完成采样。当然，本发明实施例的采样器，并不以此为限，流量控制器31还可以通过对其他元件的控制来实现流量控制。本发明实施例的采样器，其流速可以高达10立方米每小时。

在收集器3内，还设置有液位传感器（图中未示出），由于颗粒物水雾在撞击收集器3的内壁后，会形成水溶胶而积存在收集器的底部36或中部35，当液位到一定高度后，说明已经采集到相应数量的颗粒物，这时需要将收集到的气溶胶导出，或者可以完成本次采样工作。在液位传感器感测到液位达到设定高度后，会将感测信息发送给电子控制模块，电子控制模块会控制采样器停止工作，或者控制通过采样器的出口37打开，将所收集到的水溶胶导出，以继续进行采样。当然，电子控制模块也可以控制出口37间隔一定的时间打开一次，以将收集器3内的收集物导出，间隔例如为30分钟。因此，电子控制模块可利用液位传感器精确控制收集器3内的样本容量以达到最优化的收集效率。

从出口37导出的收集物，可以直接通过容器进行提取和保存。而优选的，是通过液体导流装置将收集器3内的收集物直接传送给在线分析装置，在线分析装置包括用于分析待采样颗粒物的各种分析仪器及数据处理设备。本发明实施例的采样器，可实现对气溶胶和水溶胶的转换，保留颗粒物本身的可溶和不可溶部分的相对比例，采样样本无需后处理，可直接通过在线分析装置进行多种化学组分的直接定量分析，如ICP-MS对金属分析，IC对正负离子进行分析等（如果是病毒，则进行毒理分析，如细胞毒性分析和动物注射实验），和对空气生物气溶胶的组分进行分析。因此可大大减少传统滤膜采样器的繁复的后处理时间和物力人力，实现直接在线多种组分分析。

由以上的介绍可知，本发明实施例的采样器，主要由颗粒物切割头4、混合器1、温控冷凝管2和收集器3组成，混合器1中的蒸汽发生器11是小型蒸汽发生器，而温控冷凝管2中的制冷系统是基于帕尔贴效应（Peltier-effect）的微型制冷系统（miniature cooling system），因此其体积小，结构紧凑，是一种便携式的多功能的采样器。

下面，再介绍一下本发明实施例的采样方法，之前介绍本发明采样器时已提到的一些内容，不再赘述。

如图5所示，本发明实施例的采样方法，用于分粒径的颗粒物或病毒的采集，其可以包括步骤：

S1：按粒径分割并输入载有被采集颗粒物或病毒的气体；

S2：将水蒸汽与所述气体均匀混合，以产生高湿度的气溶胶；

S3：对所述高湿度的气溶胶进行急速降温而使所述水蒸气在颗粒物表面冷凝增加所述颗粒物的粒径，且在所述急速降温过程中控制所述水蒸气的温度；

S4：将所述步骤S3生成的颗粒物水雾通过漩涡流和冲击以形成水溶胶，在收集容器内进行收集。

其中，在步骤S4中，可以通过锥形管39引导步骤S3处理后输出的气流形成漩涡的方式进入收集器，并使所述颗粒物水雾在所述收集器壁面形成冲击以进行收集。

本发明实施例的采样方法，还可以包括步骤S5：通过液体导流装置将所述收集器内的收集物直接传送给在线分析装置。

本发明的工作原理基于水蒸气的降温冷凝的物理特性，使得水蒸气可直接吸附于空气中颗粒物表面达到增大颗粒物粒径的效果；同时本发明还利用颗粒物的冲击收集原理和旋风收集器的原理实现双重的收集效果，对粒径放大的颗粒物进行高效收集。蒸汽发生混合器的温度控制在150-200度，温控冷凝管的温度控制在5-10度，远远低于空气的露点温度实现冷凝，气体的流量在30-167升每分钟(LPM)之间，可实现对小于50nm的颗粒物的放大和收集效果，且可实现对PM2.5超过90%的质量收集效率，可以实现30分钟的时间分辨率（time resolution）。

本发明实施例的采样器(ATHAS)，直接以水溶胶的形式收集气溶胶，流量可高达每小时10立方米。本发明高流量多功能气溶胶转水溶胶空气采样器可用于高时间分辨率大气悬浮微粒采样，取代传统的过滤采样方式来获取大气悬浮微粒化学和毒理学特性。也可以用在高流量和高效率生物气溶胶的采样中。本发明实施例的采样器，直接收集气溶胶转水溶胶的特性，无需使用传统的滤膜（filter substrates）作为收集媒介，因此可以极大地减低运行成本，同时极大地提高气溶胶不可溶部分的回收率。是一个理想的用于大气PM_2.5采样，进行大气化学和毒理学研究和生物气溶胶采样的设备。本发明实施例的采样效率和采样时间分辨率远高于现有技术。

本领域技术人员应当意识到在不脱离本发明所附的权利要求所揭示的本发明的范围和精神的情况下所作的更动与润饰，均属本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种高流量多功能气溶胶转水溶胶空气采样器，用于分粒径的颗粒物或病毒的采集，其特征在于，该采样器包括：

入口端，用以按粒径分割和输入载有被采集颗粒物或病毒的气体；

混合器，用以将水蒸汽与所述入口端输入的所述气体均匀混合，以产生高湿度的气溶胶；

温控冷凝管，连接于所述混合器的输出端，以对所述气溶胶进行急速降温而使所述水蒸气在颗粒物表面冷凝增加所述颗粒物的粒径，所述温控冷凝管具有温控装置，以在所述急速降温过程中控制所述水蒸气的温度；

收集器，连接于所述温控冷凝管的输出端，将所述温控冷凝管生成的颗粒物水雾通过漩涡流和冲击进行收集。

2.如权利要求1所述的高流量多功能气溶胶转水溶胶空气采样器，其中所述收集器具有四根锥形管，所述四根锥形管具有一定弯曲度并按照一定角度排列，引导所述温控冷凝管输出的颗粒物水雾以漩涡方式进入所述收集器，并使所述颗粒物水雾撞击所述收集器内壁形成水溶胶以进行收集。

3.如权利要求1或2所述的高流量多功能气溶胶转水溶胶空气采样器，其中所述采样器还包括可替换的设置在所述入口端的颗粒物切割头，不同的颗粒物切割头用于不同粒径的颗粒物的采集。

4.如权利要求3所述的高流量多功能气溶胶转水溶胶空气采样器，其中所述颗粒物为TSP，PM₁₀，PM_2.5或PM₁。

5.如权利要求2所述的高流量多功能气溶胶转水溶胶空气采样器，其中所述混合器中蒸汽发生器为温控加热水箱，或为配置有不锈钢毛细管的加热管。

6.如权利要求1所述的高流量多功能气溶胶转水溶胶空气采样器，其中所述混合器内的温度控制在100-150度，所述温控冷凝管内的温度控制在5-10度。

7.如权利要求1所述的高流量多功能气溶胶转水溶胶空气采样器，其中所述收集器的顶部具有法兰，所述法兰的中心设置有与真空泵和流量控制装置连接的抽真空管。

8.如权利要求3所述的高流量多功能气溶胶转水溶胶空气采样器，其中所述颗粒物切割头与所述混合器通过不锈钢直管直接连接，以使所述颗粒物与所述蒸汽在所述混合器通过湍流均匀混合。

9.如权利要求1所述的高流量多功能气溶胶转水溶胶空气采样器，其中所述混合器与所述温控冷凝管之间密闭连接，所述温控冷凝管与所述收集器之间密闭连接。

10.如权利要求1所述的高流量多功能气溶胶转水溶胶空气采样器，其中所述收集器内设置有用于采集所述收集器内液位信息的液位传感器。

11.如权利要求2所述的高流量多功能气溶胶转水溶胶空气采样器，其中所述温控冷凝管的底端靠近所述锥形管入口的位置连接有用于抽取所述温控冷凝管内壁的吸附水的抽取装置。

12.如权利要求1所述的高流量多功能气溶胶转水溶胶空气采样器，其中所述采样器还包括用以连接分析仪器与所述收集器的液体导流装置。

13.一种采样方法，用于分粒径的颗粒物或病毒的采集，包括步骤：

S1：按粒径分割并输入载有被采集颗粒物或病毒的气体；

S2：将水蒸汽与所述气体均匀混合，以产生高湿度的气溶胶；

S3：对所述高湿度的气溶胶进行急速降温而使所述水蒸气在颗粒物表面冷凝增加所述颗粒物的粒径，且在所述急速降温过程中控制所述水蒸气的温度；

S4：将所述步骤S3生成的颗粒物水雾通过漩涡流和冲击进行收集。

14.如权利要求13所述的采样方法，其中，在步骤S4中，引导步骤S3处理后输出的气流以漩涡方式进入收集器，并使所述颗粒物水雾在所述收集器壁面形成冲击以进行收集。

15.如权利要求14所述的采样方法，其中，还包括步骤S5：通过液体导流装置将所述收集器内的收集物直接传送给分析装置。