CN105717004A - 一种基于电迁移率的1-3纳米气溶胶筛分装置及应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于环境监测技术领域，具体涉及一种基于电迁移率的1?3纳米气溶胶筛分装置及应用。所述筛分装置包括鞘气进口部分、气溶胶进口部分、分离区、鞘气出口部分和气溶胶出口部分。本发明所述筛分装置，将多分散的气溶胶筛分为近似单分散的气溶胶，具有较高的通过率和分辨率，适用于大气环境检测条件下1?3纳米气溶胶的选择性筛分，同时也可广泛应用于其他源产生的更高浓度的1?3纳米气溶胶的选择性筛分；装置经过严格的测试和标定，筛分传输方程公式已知，通过数据反演可以得到被测颗粒物的真实粒径分布，从而实现精确的定量测量。

Description

一种基于电迁移率的1-3纳米气溶胶筛分装置及应用

技术领域

本发明属于环境监测技术领域，具体涉及一种基于电迁移率的1-3纳米气溶胶筛分装置及应用。

背景技术

目前我国大气环境问题突出，以细颗粒物污染为主导的复合型大气污染现象严重，区域灰霾事件频发，已受到广泛关注。大气中的硫酸分子、氨气、有机氨、水等气态前体物通过成核作用生成高数浓度的1-3纳米颗粒物并后续增长至100-200纳米，是细颗粒物污染物的主要成因之一。有效筛分1-3纳米气溶胶，对于新颗粒物生成事件的检测、颗粒物成核机理的研究、区域尺度颗粒物污染的控制、与颗粒物相关的气态污染物控制措施和排放标准的制定都具有十分重要的意义。

目前我国尚无特殊针对大气中1-3纳米气溶胶的筛分装置。已有的纳米级颗粒物筛分装置主要面向几十至几百纳米或3纳米至几十纳米的气溶胶，对于1-3纳米的气溶胶，其电压可调节性极差、通过率和分辨率低，制约了后续检测仪器对颗粒物的计数，故并不适用于1-3纳米气溶胶的有效筛分。

早在1900年左右，基于电迁移率的方法就已被应用于大气离子研究。20世纪70年代中叶，美国研究人员提出了定量描述差分电迁移率分析仪(differential mobility analyzer,DMA)的理论传输方程公式，此后DMA一直被广泛应用于亚微米级及更小粒径颗粒物的筛分中。带电的多分散气溶胶在进入DMA后，一方面随着不含颗粒物的洁净鞘气向下游移动，另一方面在电场力的作用下向带有高压电的中心电极迁移。电迁移率大，即粒径小的颗粒物，由于在电场中迁移速度过快而碰撞到电极上被捕集；电迁移率小，即粒径大的颗粒物，由于在电场中迁移速度过慢而随着鞘气从主流出口流出；只有选定电迁移率的颗粒物才能刚好通过电极上的狭缝进入下游，得到近似单分散的气溶胶。但对于刚从气态前体物转化过来的1-3纳米颗粒物，传统的DMA不能有效应对其高电迁移率、高扩散性、高损失的特征，导致筛分效果不好或不能筛分。尤其在大气新颗粒物生成事件中，尽管产生的新颗粒物浓度较高，但由于1-3纳米颗粒物在检测系统中的采样、荷电、筛分、检测等环节效率都很低，导致实际能被检测到的颗粒物极少。故为了实现有效的观测，不适合用针对3纳米以上气溶胶的DMA来进行筛分。为了抑制1-3纳米气溶胶强烈的扩散作用，需要适当提高DMA内部的气体流量，同时保证DMA内部的层流状态。目前国内外研究人员正在积极探索适用于1-3纳米气溶胶差分电迁移率的筛分装置。

CN201110033972涉及一种可容易地增大能够分级的带电粒子的粒径的上限值，并且能够分析粒径可能会发生变化的带电粒子的微分型电迁移率分级装置，包括：分级槽、气体供给部以及电压源，其中分级槽依次配置有彼此相隔规定距离且相对而设的入口电极、中间电极以及出口电极，所述入口电极、中间电极以及出口电极分别具有入口狭缝、狭缝、出口狭缝。

CN201110098903涉及一种气溶胶颗粒粒径分类检测系统，其中包括的微分电迁移率分析器对进入的待检测气溶胶粒子加上相同的电荷量，再利用不同的电场强度将不同质量的气溶胶粒子进行分类。

CN201310176435涉及一种串联差分电迁移率测量仪及其测量方法，其中利用DMA测量吸湿之后的样品的粒径分布，或者将筛选出来的所测粒径的颗粒物进入加热器加热挥发，在DMA中测量加热挥发之后的气溶胶样品的粒径分布。

以上三项发明专利涉及的差分电迁移率分析仪均适用于3纳米以上的气溶胶筛分，没有对1-3纳米颗粒物进行任何特殊考虑，不能实现对1-3纳米颗粒物的筛分。

CN201410166017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。其中的高分辨率差分电迁移率分析仪为1-3纳米气溶胶和离子的高分辨率筛分特殊设计，采用高达数百升每分钟的鞘气流量并保证分离区内的层流状态，以实现对1-3纳米气溶胶的有效筛分。但由于鞘气流量过大，导致仪器附属的管路和风机笨重，且存在背景噪音，故只适用于在实验室内定性或半定量地测量试验气溶胶，而不适于在实际外场条件下开展大气环境监测。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于电迁移率的1-3纳米气溶胶筛分装置，具体技术方案如下：

一种基于电迁移率的1-3纳米气溶胶筛分装置，包括鞘气进口部分、气溶胶进口部分、分离区、鞘气出口部分和气溶胶出口部分；

所述鞘气进口部分包括依次相连的喇叭形渐扩部分1、漏斗形渐缩部分2和用于使气流呈柱塞流分布的滤膜3；所述滤膜3绷紧压在漏斗形渐缩部分2上；

所述气溶胶进口部分包括气溶胶进口圆管4、用于使气体均匀分布的对称设置的气溶胶进口腔体5和对称布置的气溶胶进口狭缝6；气溶胶进口圆管4与同侧的气溶胶进口腔体5相切；同侧的气溶胶进口狭缝6与气溶胶进口腔体5相通，并设置在气溶胶进口腔体5的下方；

所述分离区包括中心电极7、电极狭缝9和圆筒外壁8；电极狭缝9中心电极7上环向均匀分布，中心电极7与圆筒外壁8保持同轴；圆筒外壁8接地；

所述鞘气出口部分包括对向布置的鞘气出口圆管12、鞘气出口狭缝10和鞘气出口腔体11；同侧的鞘气出口圆管12与鞘气出口腔体11相切，同侧的鞘气出口狭缝10与鞘气出口腔体11相通，并设置在鞘气出口腔体11的上方；鞘气出口狭缝10和鞘气出口腔体11的设置可减少非对称出气对分离区的扰动，从而确保分离区内部的层流状态。

所述气溶胶出口部分由绝缘底座13和气溶胶出口圆管14组成；中心电极7、绝缘底座13和气溶胶出口圆管14依次相连。其中，绝缘底座13用来分离中心电极7和气溶胶出口圆管14，防止高电压外露，对操作人员或下游仪器造成损伤；但在保证绝缘性能的前提下，中心电极7和气溶胶出口圆管14之间的绝缘长度应当尽量短，从而减少1-3纳米气溶胶的静电损失，提高通过率。

进一步地，所述筛分装置的总长为20厘米，最大宽度处宽为7厘米。

进一步地，所述鞘气进口部分，喇叭形渐扩部分1的渐扩角度为20°，漏斗形渐缩部分2的渐缩角度为45°；所述气溶胶进口部分，气溶胶进口腔体5的高度为2.6厘米，外壁内径为3.8厘米，内壁外径为2.6厘米；气溶胶进口狭缝6的宽度为0.17厘米；所述鞘气出口部分，鞘气出口腔体11的高度为1.8厘米，外壁内径为3.2厘米，内壁外径为1.2厘米；鞘气出口狭缝10的宽度为0.2厘米；上述结构和尺寸经过反复调整，以确保不会引起仪器内部的气流扰动。

所述分离区中，圆筒外壁8的长度为1.75厘米，内壁直径为1.906厘米，中心电极7的外壁直径为0.7厘米，以确保分离区的中心电极电压调节精度可以满足1-3纳米颗粒物的筛分精度。

根据计算理论扩散传输方程得到分离区圆筒外壁8的长度和内壁直径以及中心电极7的外壁直径，并通过计算雷诺数设置滤膜3，确保流体处于层流区；通过调整气溶胶进口狭缝6确保气溶胶进气均匀，并尽可能抑制气溶胶与鞘气混合时产生的湍流。

所述滤膜3为420目的尼龙丝网，在保证层流的前提下还具有成本较低的优点。

如上所述筛分装置用于在实验室内定量或半定量测量试验气溶胶，以及在实际外场条件下测量气溶胶。

具体步骤如下：

(1)滤去颗粒物的洁净鞘气由喇叭形渐扩部分1的顶端入口进入，以避免突扩导致的湍流，并在滤膜3和漏斗形渐缩部分2的作用下达到层流状态，进入分离区；

(2)多分散的气溶胶通过气溶胶进口圆管4进入气溶胶进口腔体5，在充分且不过于长的停留时间内在气溶胶进口腔体5内均匀分布，之后通过气溶胶进口狭缝6进入分离区；气溶胶进口狭缝6有助于抑制气溶胶进口的切向速度，避免气溶胶与鞘气混合时产生湍流；

(3)分离区的中心电极7通过贯穿绝缘底座13的接口加上高压电，与接地的圆筒外壁8中间形成电场，吸引带有相反电荷的颗粒物或离子向中心电极7移动；气溶胶通过电极狭缝9进入分离区实现筛分，最终从气溶胶出口圆管14排出；

(4)鞘气和未通过电极狭缝9进入气溶胶出口圆管14的气溶胶经过鞘气出口狭缝10进入鞘气出口腔体11，并最终通过鞘气出口圆管12排出。

进一步地，由1-3纳米粒子计数器的计数情况确定中心电极7的电压，从而得到粒径固定或连续变化的1-3纳米气溶胶。

进一步地，从气溶胶出口圆管14排出的近似单分散气溶胶，由1-3纳米粒子计数器进行计数，从而得到1-3纳米气溶胶的浓度或浓度频率密度。

进一步地，从鞘气出口圆管12排出的气体经过过滤后直接通过鞘气进口部分的喇叭形渐扩部分1再次进入1-3纳米气溶胶筛分装置，从而实现鞘气的闭路，以保证流量的稳定可控。

进一步地，所述鞘气的流量范围为10-30L/min，气溶胶的流量范围为1-3L/min。经实验验证，在鞘气流量不大于30L/min的条件下，DMA内部可以确保层流状态，测得的筛分传输方程公式与理论极限值非常接近。

本发明所述筛分装置，针对成核尺寸附近的1-3纳米带电颗粒物扩散作用强、管路损失大等特点，通过提高鞘气、气溶胶流量，保证层流，并利用不同粒径的气溶胶在电场中迁移速率的差异，实现了选择性筛分。

本发明的优点为：

(1)本发明所述筛分装置，将多分散的气溶胶筛分为近似单分散的气溶胶，具有较高的通过率和分辨率，适用于大气环境检测条件下1-3纳米气溶胶的选择性筛分，同时也可广泛应用于其他源产生的更高浓度的1-3纳米气溶胶的选择性筛分，填补了该领域的空白；

(2)所有部件均未经过传统DMA特殊的抛光处理，分离区长度很短，易于加工；选用非特质的滤膜，大幅削减了制造成本；相比于传统的DMA，整个仪器成本较低，经济适用，易于制造和维护；

(3)结构紧凑，体积小巧，流量适中，使用方便，结实耐用；

(4)所有部件均通过螺丝连接，分离区易于拆卸，在应用于高浓度的颗粒物源(如燃烧源)后便于清洗；

(5)装置经过严格的测试和标定，筛分传输方程公式已知，通过数据反演可以得到被测颗粒物的真实粒径分布，从而实现精确的定量测量。

附图说明

图1为本发明1-3纳米气溶胶筛分装置结构示意图；

图中各编号的具体含义为：1-喇叭形渐扩部分，2-漏斗形渐缩部分，3-滤膜，4-气溶胶进口圆管，5-气溶胶进口腔体，6-气溶胶进口狭缝，7-中心电极，8-圆筒外壁，9-电极狭缝，10-鞘气出口狭缝，11-鞘气出口腔体，12-鞘气出口圆管，13-绝缘底座，14-气溶胶出口圆管。

图2为本发明1-3纳米气溶胶筛分装置传输方程的标定结果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明的一种基于电迁移率的1-3纳米气溶胶筛分装置，包括鞘气进口部分、气溶胶进口部分、分离区、鞘气出口部分和气溶胶出口部分；

所述鞘气进口部分包括依次相连的喇叭形渐扩部分1、漏斗形渐缩部分2和用于使气流呈柱塞流分布的滤膜3；所述滤膜3绷紧压在漏斗形渐缩部分2上；

所述气溶胶进口部分包括气溶胶进口圆管4、用于使气体均匀分布的对称设置的气溶胶进口腔体5和对称布置的气溶胶进口狭缝6；气溶胶进口圆管4与同侧的气溶胶进口腔体5相切；同侧的气溶胶进口狭缝6与气溶胶进口腔体5相通，并设置在气溶胶进口腔体5的下方；

所述分离区包括中心电极7、电极狭缝9和圆筒外壁8；电极狭缝9中心电极7上环向均匀分布，中心电极7与圆筒外壁8保持同轴；圆筒外壁8接地；

所述鞘气出口部分包括对向布置的鞘气出口圆管12、鞘气出口狭缝10和鞘气出口腔体11；同侧的鞘气出口圆管12与鞘气出口腔体11相切，同侧的鞘气出口狭缝10与鞘气出口腔体11相通，并设置在鞘气出口腔体11的上方；鞘气出口狭缝10和鞘气出口腔体11的设置可减少非对称出气对分离区的扰动，从而确保分离区内部的层流状态。

所述气溶胶出口部分由绝缘底座13和气溶胶出口圆管14组成；中心电极7、绝缘底座13和气溶胶出口圆管14依次相连。其中，绝缘底座13用来分离中心电极7和气溶胶出口圆管14，防止高电压外露，对操作人员或下游仪器造成损伤；但在保证绝缘性能的前提下，中心电极7和气溶胶出口圆管14之间的绝缘长度应当尽量短，从而减少1-3纳米气溶胶的静电损失，提高通过率。

所述筛分装置的总长为20厘米，最大宽度处宽为7厘米。

所述鞘气进口部分，喇叭形渐扩部分1的渐扩角度为20°，漏斗形渐缩部分2的渐缩角度为45°；所述气溶胶进口部分，气溶胶进口腔体5的高度为2.6厘米，外壁内径为3.8厘米，内壁外径为2.6厘米；气溶胶进口狭缝6的宽度为0.17厘米；所述鞘气出口部分，鞘气出口腔体11的高度为1.8厘米，外壁内径为3.2厘米，内壁外径为1.2厘米；鞘气出口狭缝10的宽度为0.2厘米。

所述分离区中，圆筒外壁8的长度为1.75厘米，内壁直径为1.906厘米，中心电极7的外壁直径为0.7厘米。

根据计算理论扩散传输方程得到分离区圆筒外壁8的长度和内壁直径以及中心电极7的外壁直径，并通过计算雷诺数设置滤膜3，确保流体处于层流区；通过调整气溶胶进口狭缝6确保气溶胶进气均匀，并尽可能抑制气溶胶与鞘气混合时产生的湍流。

所述滤膜3为420目的尼龙丝网。

如上所述筛分装置可用于在实验室内定量或半定量测量试验气溶胶，以及在实际外场条件下测量气溶胶，具体步骤如下：

(1)滤去颗粒物的洁净鞘气由喇叭形渐扩部分1的顶端入口进入，以避免突扩导致的湍流，并在滤膜3和漏斗形渐缩部分2的作用下达到层流状态，进入分离区；

(2)多分散的气溶胶通过气溶胶进口圆管4进入气溶胶进口腔体5，在充分且不过于长的停留时间内在气溶胶进口腔体5内均匀分布，之后通过气溶胶进口狭缝6进入分离区；气溶胶进口狭缝6有助于抑制气溶胶进口的切向速度，避免气溶胶与鞘气混合时产生湍流；

(3)分离区的中心电极7通过贯穿绝缘底座13的接口加上高压电，与接地的圆筒外壁8中间形成电场，吸引带有相反电荷的颗粒物或离子向中心电极7移动；由1-3纳米粒子计数器的计数情况确定中心电极7的电压，气溶胶通过电极狭缝9进入分离区实现筛分，最终从气溶胶出口圆管14排出，得到粒径固定或连续变化的1-3纳米气溶胶；由1-3纳米粒子计数器进行计数，得到1-3纳米气溶胶的浓度或浓度频率密度；

(4)鞘气和未通过电极狭缝9进入气溶胶出口圆管14的气溶胶经过鞘气出口狭缝10进入鞘气出口腔体11，并最终通过鞘气出口圆管12排出；

(5)从鞘气出口圆管12排出的气体经过过滤后直接通过鞘气进口部分的喇叭形渐扩部分1再次进入1-3纳米气溶胶筛分装置，从而实现鞘气的闭路，以保证流量的稳定可控。

所述鞘气的流量范围为10-30L/min，气溶胶的流量范围为1-3L/min。

使用1-3纳米标准气溶胶发生系统对本发明所述的筛分装置进行标定，得到了筛分装置的实测传输方程，如图2所示，可见本发明的筛分装置对于1-3纳米颗粒物具有良好的选择性筛分功能。

Claims (10)

1.一种基于电迁移率的1-3纳米气溶胶筛分装置，其特征在于，包括鞘气进口部分、气溶胶进口部分、分离区、鞘气出口部分和气溶胶出口部分；

所述鞘气进口部分包括依次相连的喇叭形渐扩部分(1)、漏斗形渐缩部分(2)和滤膜(3)；所述滤膜(3)绷紧压在漏斗形渐缩部分(2)上；

所述气溶胶进口部分包括气溶胶进口圆管(4)、对称设置的气溶胶进口腔体(5)和对称布置的气溶胶进口狭缝(6)；气溶胶进口圆管(4)与同侧的气溶胶进口腔体(5)相切；同侧的气溶胶进口狭缝(6)与气溶胶进口腔体(5)相通，并设置在气溶胶进口腔体(5)的下方；

所述分离区包括中心电极(7)、电极狭缝(9)和圆筒外壁(8)；电极狭缝(9)中心电极(7)上环向均匀分布，中心电极(7)与圆筒外壁(8)保持同轴；圆筒外壁(8)接地；

所述鞘气出口部分包括对向布置的鞘气出口圆管(12)、鞘气出口狭缝(10)和鞘气出口腔体(11)；同侧的鞘气出口圆管(12)与鞘气出口腔体(11)相切，同侧的鞘气出口狭缝(10)与鞘气出口腔体(11)相通，并设置在鞘气出口腔体(11)的上方；

所述气溶胶出口部分由绝缘底座(13)和气溶胶出口圆管(14)组成；中心电极(7)、绝缘底座(13)和气溶胶出口圆管(14)依次相连。

2.根据权利要求1所述的1-3纳米气溶胶筛分装置，其特征在于，所述筛分装置的总长为20厘米，最大宽度处宽为7厘米。

3.根据权利要求1所述的1-3纳米气溶胶筛分装置，其特征在于，所述鞘气进口部分，喇叭形渐扩部分(1)的渐扩角度为20°，漏斗形渐缩部分(2)的渐缩角度为45°；

所述气溶胶进口部分，气溶胶进口腔体(5)的高度为2.6厘米，外壁内径为3.8厘米，内壁外径为2.6厘米；气溶胶进口狭缝(6)的宽度为0.17厘米；

所述鞘气出口部分，鞘气出口腔体(11)的高度为1.8厘米，外壁内径为3.2厘米，内壁外径为1.2厘米；鞘气出口狭缝(10)的宽度为0.2厘米；

所述分离区中，圆筒外壁(8)的长度为1.75厘米，内壁直径为1.906厘米，中心电极(7)的外壁直径为0.7厘米。

4.根据权利要求1所述的1-3纳米气溶胶筛分装置，其特征在于，所述滤膜(3)为420目的尼龙丝网。

5.根据权利要求1-4任一项所述筛分装置的应用，其特征在于，用于在实验室内定量或半定量测量试验气溶胶，以及在实际外场条件下测量气溶胶。

6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，具体步骤如下：

(1)滤去颗粒物的洁净鞘气由喇叭形渐扩部分(1)的顶端入口进入，并在滤膜(3)和漏斗形渐缩部分(2)的作用下达到层流状态，进入分离区；

(2)多分散的气溶胶通过气溶胶进口圆管(4)进入气溶胶进口腔体(5)，并在其中均匀分布，之后通过气溶胶进口狭缝(6)进入分离区；

(3)分离区的中心电极(7)通过贯穿绝缘底座(13)的接口加上高压电，与接地的圆筒外壁(8)中间形成电场，吸引带有相反电荷的颗粒物或离子向中心电极(7)移动；气溶胶通过电极狭缝(9)进入分离区实现筛分，最终从气溶胶出口圆管(14)排出；

(4)鞘气和未通过电极狭缝(9)进入气溶胶出口圆管(14)的气溶胶经过鞘气出口狭缝(10)进入鞘气出口腔体(11)，并最终通过鞘气出口圆管(12)排出。

7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，由1-3纳米粒子计数器的计数情况确定中心电极(7)的电压，从而得到粒径固定或连续变化的1-3纳米气溶胶。

8.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，从气溶胶出口圆管(14)排出的近似单分散气溶胶，由1-3纳米粒子计数器进行计数，从而得到1-3纳米气溶胶的浓度或浓度频率密度。

9.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，从鞘气出口圆管(12)排出的气体经过过滤后直接通过鞘气进口部分的喇叭形渐扩部分(1)再次进入1-3纳米气溶胶筛分装置。

10.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，所述鞘气的流量范围为10-30L/min，气溶胶的流量范围为1-3L/min。