CN105136619A - 一种人工气候环境暴露系统及应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种人工气候环境暴露系统及应用方法。该系统包括气溶胶收集浓缩、有害气体混合和温湿度调整、暴露箱与对照箱及各类辅助设备，提供了一种具有高效性、累积性的适用于气溶胶颗粒及有害气体暴露的动物实验环境调控系统，将气溶胶颗粒收集与仓式人工气候环境多因子调控相结合。本系统设计有多种环境因素组合的运行模式，具有多种实验功能，达到一机多能的效果，既可用于研究大气悬浮颗粒对动物的暴露影响，又可用于研究有害气体及环境气候因子对动物的暴露影响，还可研究三者的协同暴露影响。

Description

一种人工气候环境暴露系统及应用方法

技术领域

本发明涉及环境监测技术领域，特别是一种人工气候环境暴露系统及应用方法。

背景技术

近年来，环境问题日益严重，尤其是空气污染问题受到了社会各界的广泛关注，当今我国的空气污染不仅包括由工业或农业生产排放的氮氧化物、硫氧化物等有害气体导致的酸雨、光化学烟雾、臭氧层破坏等，还包括日益严重的雾霾天气，这主要是由大气气溶胶显著增加所致，这当中就包括我们熟知的PM2.5，其粒径小，面积大，活性强，易附带有毒、有害物质（例如，重金属、微生物等），因而对人体健康和大气环境质量造成极坏影响。考虑到有害气体及PM2.5对人体的严重危害，对这些问题的研究便迫在眉睫。目前有害气体的研究较多且已取得了一定成果，PM2.5的研究还正在深入进行，但现阶段大多数PM2.5的动物暴露实验常采用静态暴露，通常在人工控制的静止状态下给动物注射或食入PM2.5颗粒，这有违于动物正常活动的习性。此外，有害气体与PM2.5的混合暴露研究，动物生活环境温湿度的变化对暴露可能带来的影响研究等目前罕有报道。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种人工气候环境暴露系统及应用方法。气溶胶采用从外界大气中物理收集提取的方式，有害气体NO₂、SO₂、CO、O₃等采用先稀释后输入的方式使动物通过自然呼吸摄入达到分别暴露或混合暴露的目的，同时适当调解动物生活环境温湿度、气压，使其既能保证试验研究的可靠性，又能做到多种气候环境因素的综合调控，实现研究的高效性。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种人工气候环境暴露系统，该系统包括大气溶胶颗粒收集浓缩单元、有害气体混合单元、动物暴露单元和动力单元，其中大气溶胶颗粒收集浓缩单元包括旋风式切割器、水浴箱、冷却套管、虚拟粒子撞击浓缩器、干燥管路，有害气体混合单元指有害气体混合仓，动物暴露单元包括人工气候环境模拟暴露箱、尾气洁净装置，动力单元包括主流量计、负压主风泵、小分流流量计、小分流风泵、大分流流量计、大分流风泵；外界空气进入所述的暴露系统后未经均分直接或者被平均分为多个支路后，气流通过顺次相连的旋风式切割器、水浴箱之后，未经均分直接或者平均分为多个小支路后，顺次连接冷却套管、虚拟粒子撞击浓缩器、干燥管路，在干燥管路后端直接或者汇合成一路总气路再经过控温套管至人工气候环境模拟暴露箱，有害气体混合仓中的气体经过控温套管至人工气候环境模拟暴露箱，然后人工气候环境模拟暴露箱依次连接主流量计、负压主风泵、尾气洁净装置；其中，外界空气进入系统以后均分的支路数量和经过水浴箱之后均分的小支路数量根据试验所需气溶胶浓度而定。

所述的控温套管为采用双层套管结构，即在主气管的不锈钢管子外面再加套一根塑料管，塑料管和不锈钢管之间通入冷却液。

一种根据所述的暴露系统的应用方法，所述外界空气经过大气溶胶颗粒收集浓缩单元的气溶胶颗粒收集浓缩，与有害气体混合单元的有害气体混合、温湿度调节之后具有温度、湿度、气压、CO气体、SO₂气体、NO₂气体、O₃气体、气溶胶颗粒八种气候环境因素的综合调控功能，再进入到动物暴露单元中。

所述的应用方法，外界空气被负压动力抽入管路后进入旋风式切割器中筛选出符合试验要求的气溶胶颗粒，随气流前进到水浴箱增大湿度，然后流经冷却套管冷却，之后气溶胶颗粒进入虚拟粒子撞击浓缩器，含气溶胶颗粒的粒子随气流直接进入腔体被浓缩，其余不含粒子的气体则随风泵的负压气流排出系统，经过浓缩后的气溶胶继续进入干燥管路后成一路，之后进入控温套管中，在控温套管上连接有有害气体混合仓，根据动物暴露试验的需求，输入SO₂气体、NO₂气体、CO气体、O₃气体的一种或几种，加入的有害气体在有害气体混合仓混合后进入控温套管，随后与经过浓缩后的气溶胶一起进入人工气候环境模拟暴露箱中，最后经过尾气洁净装置后排出系统。

进一步设有对照试验，外界空气被抽入气路后进入高效过滤器中滤去颗粒物，洁净空气随后进入水浴箱，冷却套管，干燥管路，经过干燥后成一路，经过控温套管后进入人工气候环境模拟对照箱中，最后经过尾气洁净装置后排出系统。

所述的控温套管为采用双层套管结构，塑料管和不锈钢管之间通入冷却液，通过运行冷冻机组模式或热泵机组模式，使夹套内循环的液体冷却或加温，从而使不锈钢管内的空气降温或升温，实现气流的温度调节功能。

所述的有害气体混合仓中，根据动物暴露试验的需求，输入SO₂气体、NO₂气体、CO气体、O₃气体的一种或几种，通过调节不同气体种类的减压阀、稳压阀做到二级稳压，并通过蠕动泵控制流量来实现有害气体浓度的调节，控制稳定后的气体在有害气体混合仓中混合均匀，之后进入控温套管中。

本发明的有益效果是：

（1）本设计采用加温增湿冷凝扩径以达到对收集气溶胶颗粒在较低流速下进行高度浓缩的效果。

（2）入仓流量与浓缩倍数有关，当浓缩头数量固定时流量越大，浓缩倍数越低，可根据需要通过改变入仓气体流量继而改变浓缩倍数，得到不同的颗粒物浓度。

（3）采用套管方式对含气溶胶的气流的温湿度进一步调整，即在气溶胶的气管外面套了一根不锈钢管，气管和不锈钢管之间通入冷却液并循环，通过冷冻机组和热泵运行模式的切换运行，使流经冷凝管内的空气降温或升温。

（4）本发明采用自然呼吸染毒的暴露方法，不影响动物的正常生长，暴露的气溶胶颗粒为自然大气中的气溶胶颗粒浓缩所得，非人工合成，可得到真实的颗粒物病理毒害效果。

附图说明

图1是本发明系统的一个结构示意图，

图2是对照系统的结构示意图，

图中，旋风式切割器1、水浴箱2、冷却套管3、虚拟粒子撞击浓缩器4、干燥管路5、人工气候环境模拟暴露箱6、主流量计7、负压主风泵8、尾气洁净装置9、小分流流量计10、小分流风泵11、大分流流量计12、大分流风泵13、控温套管14、高效过滤器15、人工气候环境模拟对照箱16、有害气体混合仓17。

图3是本发明系统的一个控制流程图。

具体实施方式

一种人工气候环境暴露系统包括旋风式切割器1、水浴箱2、冷却套管3、虚拟粒子撞击浓缩器4、干燥管路5、人工气候环境模拟暴露箱6、主流量计7、负压主风泵8、尾气洁净装置9、小分流流量计10、小分流风泵11、大分流流量计12、大分流风泵13、控温套管14、高效过滤器15、人工气候环境模拟对照箱16、有害气体混合仓17、温湿度调控系统。其中，为了保证单因素试验的背景环境稳定性，整个系统可包含暴露系统（图1）和对照系统（图2），部分装置在暴露系统和对照系统中是一样的。

如图1所示，整个暴露系统由负压泵主风泵8、小分流风泵11、大分流风泵13三个风泵提供动力，通过调节三个负压泵的频率，使主流量计7、小分流流量计10、大分流流量计12的流量读数稳定在特定的数值，进而可确定进入两个旋风式切割器1中的气溶胶流量。切割器1内部为螺旋式，大气中颗粒随气流螺旋前进，大颗粒撞击到壁上后沉降，小颗粒随气流前进，之后进到水浴箱2中，气流在水浴表面经过，使颗粒物表面包裹一层水汽，后经四路平行的冷却套管3，致使颗粒物表面水汽预冷收缩，质量增大，之后颗粒物随气流进入浓缩头4，粒子因质量大、惯性大而随气流直接进入腔体被浓缩，其余不含粒子的气体则随分流气路排出系统，浓缩后气溶胶进入干燥管路5，颗粒物表面的水汽被干燥剂带走，经过干燥后四路气路汇成一路，之后进入控温套管14，使得高度浓缩后的气溶胶温度与人工气候环境模拟暴露箱6的温度保持一致后再进入人工气候环境模拟暴露箱6中，在控温套管14上连接有有害气体混合仓17，根据动物暴露试验的需求，输入SO₂气体、NO₂气体、CO气体、O₃气体的一种或几种，人工气候环境模拟暴露箱6内部可通过电加热管、冷却管、加湿器等控制调节温湿度，使得温度维持在相对稳定和适宜动物生存的温度和湿度。与此同时，对照系统由负压泵主风泵8提供动力，通过调节负压泵频率使主流量计7读数保持在特定数值，使得对照箱的进气量与暴露箱相同，外界空气进入高效过滤器，滤去颗粒物，洁净空气随后进入水浴箱2，冷却管3，干燥管路5，经过干燥后四路气路汇成一路，经过控温套管14，随后进入具有动物暴露的对照箱16中，对照箱16具有温湿度调节功能，对照系统中所有设备规格均与暴露系统一致，且运行情况也相同。所有气体出口9处均有过滤网及活性炭等进行气体洁净处理。

实施例

系统抽取自然空气，气流经过气溶胶颗粒收集浓缩、有害气体混合、温湿度调节之后具有温度、湿度、气压、CO气体、SO₂气体、NO₂气体、O₃气体、气溶胶颗粒八种气候环境因素的综合调控功能，再进入到人工气候环境模拟暴露箱或人工气候环境模拟对照箱进行动物实验。根据系统运行工况，我们对这八种气候环境因素总共设计了5种不同组合的运行模式，分别为单一气候箱、静式、补偿静式、动式低速、动式常速模式，并为这些运行模式设计了相应的管路系统和设备，这5种运行模式所对应的运行工况详见表1，控制流程详见图3（可以使用如Labview软件来实现）。

表1五种运行模式参数设置

单一气候箱、静式、补偿静式这三种模式的运行状态为正压状态，由于存在箱体内部循环，环境气流中的气溶胶颗粒会随时间累积，且循环风机的运行会增加和干扰提取气溶胶颗粒物的浓度，不适合进行气溶胶颗粒暴露试验；动式低速和动式常速两种运行模式为负压运行，关闭循环风机，利用风泵作为系统气流动力来源，适合进行气溶胶暴露试验。

当运行动式低速和动式常速时，外界空气被由负压泵提供的负压动力抽入气路后进入旋风式切割器1中，切割器内部为螺旋式，大气中颗粒随气流螺旋前进，大颗粒撞击到壁上后沉降，小颗粒随气流前进，之后进到水浴箱2中加湿，后经极低温冷却，颗粒物表面水汽预冷收缩，之后颗粒物随气流进入虚拟粒子撞击浓缩器4，大颗粒物因质量大、惯性大随气流直接进入腔体，之后进入干燥管路5，而相对较小颗粒物则随分流气排出系统气路，随气流进入干燥管路5里颗粒物表面的水汽被干燥剂带走，之后气流中加入NO₂、SO₂、CO、O₃四种有害气体中的一种或几种，再通过控温套管14的温度调节，进入人工气候环境模拟暴露箱6。对照系统与暴露系统的区别在于没有气溶胶颗粒和有害气体的输入。

当运行单一气候箱、静式、补偿静式这三种模式时，暴露箱内部循环风机开启，根据实验需要在气体混合处内输入NO₂、SO₂、CO、O₃的一种或几种，通过调节减压阀、稳压阀做到二级稳压，通过蠕动泵控制流量来达到调节有害气体浓度的目的，根据需求调节电加热及冷冻水管温度来控制箱体内的温湿度。对照箱系统与暴露系统唯一的区别在于没有有害气体输入。

Claims (7)

1.一种人工气候环境暴露系统，其特征在于，该系统包括大气溶胶颗粒收集浓缩单元、有害气体混合单元、动物暴露单元和动力单元，其中大气溶胶颗粒收集浓缩单元包括旋风式切割器（1）、水浴箱（2）、冷却套管（3）、虚拟粒子撞击浓缩器（4）、干燥管路（5），有害气体混合单元指有害气体混合仓（17），动物暴露单元包括人工气候环境模拟暴露箱（6）、尾气洁净装置（9），动力单元包括主流量计（7）、负压主风泵（8）、小分流流量计（10）、小分流风泵（11）、大分流流量计（12）、大分流风泵（13）；外界空气进入所述的暴露系统后未经均分直接或者被平均分为多个支路后，气流通过顺次相连的旋风式切割器（1）、水浴箱（2）之后，未经均分直接或者平均分为多个小支路后，顺次连接冷却套管（3）、虚拟粒子撞击浓缩器（4）、干燥管路（5），在干燥管路（5）后端直接或者汇合成一路总气路再经过控温套管（14）至人工气候环境模拟暴露箱（6），有害气体混合仓（17）中的气体经过控温套管（14）至人工气候环境模拟暴露箱（6），然后人工气候环境模拟暴露箱（6）依次连接主流量计（7）、负压主风泵（8）、尾气洁净装置（9）；其中，外界空气进入系统以后均分的支路数量和经过水浴箱之后均分的小支路数量根据试验所需气溶胶浓度而定。

2.根据权利要求1所述的暴露系统，其特征在于，所述的控温套管（14）为采用双层套管结构，即在主气管的不锈钢管子外面再加套一根塑料管，塑料管和不锈钢管之间通入冷却液。

3.一种根据权利要求1所述的暴露系统的应用方法，所述外界空气经过大气溶胶颗粒收集浓缩单元的气溶胶颗粒收集浓缩，与有害气体混合单元的有害气体混合、温湿度调节之后具有温度、湿度、气压、CO气体、SO₂气体、NO₂气体、O₃气体、气溶胶颗粒八种气候环境因素的综合调控功能，再进入到动物暴露单元中。

4.根据权利要求3所述的应用方法，其特征在于，外界空气被负压动力抽入管路后进入旋风式切割器（1）中筛选出符合试验要求的气溶胶颗粒，随气流前进到水浴箱（2）增大湿度，然后流经冷却套管（3）冷却，之后气溶胶颗粒进入虚拟粒子撞击浓缩器（4），含气溶胶颗粒的粒子随气流直接进入腔体被浓缩，其余不含粒子的气体则随风泵的负压气流排出系统，经过浓缩后的气溶胶继续进入干燥管路（5）后成一路，之后进入控温套管中（14），在控温套管（14）上连接有有害气体混合仓（17），根据动物暴露试验的需求，输入SO₂气体、NO₂气体、CO气体、O₃气体的一种或几种，加入的有害气体在有害气体混合仓（17）混合后进入控温套管（14），随后与经过浓缩后的气溶胶一起进入人工气候环境模拟暴露箱（6）中，最后经过尾气洁净装置（9）后排出系统。

5.根据权利要求4所述的应用方法，其特征在于，进一步设有对照试验，外界空气被抽入气路后进入高效过滤器中滤去颗粒物，洁净空气随后进入水浴箱（2），冷却套管（3），干燥管路（5），经过干燥后成一路，经过控温套管（14）后进入人工气候环境模拟对照箱中，最后经过尾气洁净装置（9）后排出系统。

6.根据权利要求4所述的应用方法，其特征在于，所述的控温套管（14）为采用双层套管结构，塑料管和不锈钢管之间通入冷却液，通过运行冷冻机组模式或热泵机组模式，使夹套内循环的液体冷却或加温，从而使不锈钢管内的空气降温或升温，实现气流的温度调节功能。

7.根据权利要求4所述的应用方法，其特征在于，所述的有害气体混合仓（17）中，根据动物暴露试验的需求，输入SO₂气体、NO₂气体、CO气体、O₃气体的一种或几种，通过调节不同气体种类的减压阀、稳压阀做到二级稳压，并通过蠕动泵控制流量来实现有害气体浓度的调节，控制稳定后的气体在有害气体混合仓（17）中混合均匀，之后进入控温套管（14）中。