CN106644850B - 用于大气气溶胶新粒子形成与生长的流动反应装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了用于大气气溶胶新粒子形成与生长的流动反应装置。所述流动反应装置长约22米，包括：进样区(一)，过渡区(二)，成核区(三)及生长区(四)四个部分；所述进样区包括三个进样口及一组水浴加热进出水口；所述过渡区包括一个温湿度检测口，一个低挥发性物质进样口和一个初级采样口；所述成核区包括一组水浴控温的进出水口，多个中级采样口，以及一个位于成核区上部的温湿度检测口；所述生长区包括多个生长区采样口。各个采样口的粒子数浓度及粒径变化通过扫描电迁移率粒径谱仪来进行检测。本发明的流动反应装置可用来研究大气中新粒子的生成机制和增长特性，进而研究气溶胶成核的动力学，具有精密度高、稳定性好、操作简便等特点。
Description
技术领域
本发明涉及用于大气气溶胶新粒子形成与生长的流动反应装置，属于大气环境气溶胶研究领域。
背景技术
随着社会的发展，人类面临着日益严峻的环境问题，灰霾就是其中之一。研究表明，中国区域性灰霾问题的最主要原因是PM2.5，而PM2.5主要来源于一次排放和新粒子形成两种方式，其中新粒子生成对气溶胶颗粒数浓度、间接辐射效应以及云凝结核有着潜在的重要贡献。这些新生的二次粒子来源于大气中低挥发性的气相物种，气态污染物氧化生成的过饱和气态前体物(例如硫酸和低挥发性有机物等)在大气中冷凝为分子团簇，气体分子在适当的条件下首先凝聚成核形成分子团簇，然后逐渐生长为纳米颗粒，继而通过冷凝碰并形成颗粒物，随后，新生成的颗粒物可以继续增长至云凝结核大小，继而通过云物理和降水过程影响地球辐射平衡和全球气候变化。
新粒子成核与生长是一个全球现象，近年来，在世界各地，基于地表、轮船、飞机等各种平台上的观察研究都发现了新粒子的形成现象，区域性的事件在陆地边界层频繁地发生，范围可达数百公里。针对新粒子生成机制的研究很早就已经开始，至今提出的成核机制包括：二元均相成核，三元均相成核，离子诱导成核以及碘参与成核等。但是这些成核理论都有各自的适用范围，还没有一种理论能够代表全球情况。此外，针对我们国家特有的污染模式，是否有区别于欧美国家的成核机理还未知。
目前的研究已经证明水和硫酸是参与成核的关键物质，但由于挥发性有机物在大气中的浓度很高，其氧化产物的挥发性较低，也被认为可能参与到新粒子生成过程，包括有机酸、有机胺在内的多种有机物都被外场观测和实验室研究证明在新粒子生成过程中具有重要的作用。低挥发性有机物在大气中种类繁多，大气中氧化产物的结构更加复杂多变。目前还不能确定究竟是哪一种或哪一类型的有机物参与到成核过程当中。目前国际上普遍认为有机物对新生成颗粒物的增长具有非常重要的作用，但是其究竟是否参与成核过程，并在当中起什么作用仍有待于进一步研究。
目前针对大气气溶胶科学问题，实验室里主要采用静态的烟雾箱以及动态的流动管两种方式来进行模拟，静态的烟雾箱主要用于光化学反应与二次有机气溶胶形成机制的研究，在可控且能重复的条件下模拟大气中的化学过程，提炼出大气化学反应的本质，获得反应的机制机理。动态的流动管模拟主要用于新粒子的形成研究，但是目前已知的流动管研究普遍存在反应时间过短的问题，只适用于初始状态的新粒子的形成研究，对于后续的生长问题的研究还具有一定的局限性，不能在现有条件下探究适用于我国的成核模式，也就不能进一步对气溶胶动力学进行系统研究。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了用于大气气溶胶新粒子形成与生长的流动反应装置，该装置针对上述存在的问题，从粒子反应时间角度出发，延长流动管装置的长度，将反应时间提高到分钟量级；此外，本发明的流动反应装置方便通入不同的气态前体物，从而不仅可以有效的研究不同气态前体物形成气溶胶新粒子的过程，还可以进一步研究新粒子的后续生长过程，为气溶胶动力学的研究奠定基础。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
用于大气气溶胶新粒子形成与生长的流动反应装置，其特征在于，包括依次连通的进样区(一)、过渡区(二)、成核区(三)和生长区(四)；
所述进样区(一)开设有进样口；
所述过渡区(二)、成核区(三)和/或生长区(四)开设有采样口；
所述进样区(一)和/或所述成核区(三)设置有温控机构，使所述成核区(三)的温度低于所述进样区(一)。
优选的，所述进样口包括物料进样口和载气进样口。
优选的，所述温控机构采用水浴加热，沿反应物流动方向依次开设有水浴进口和水浴出口。
优选的，所述进样区(一)和所述成核区(三)均设置有温控机构；所述进样区(一)的温度维持在40-45度之间；所述成核区(三)的温度维持在25-27度之间。
优选的，所述过渡区(二)开设有低挥发性物质进样口，其入口伸入所述过渡区(二)中，所述入口的内径小于所述进样口的内径。
优选的，所述过渡区(二)开设有初级采样口，所述成核区(三)开设有中级采样口，所述生长区(四)开设有生长区采样口。
优选的，所述中级采样口和/或所述生长区采样口的数量为多个，沿反应物流动方向布设在不同位置。
优选的，所述进样区(一)、所述过渡区(二)和所述成核区(三)共用同一根流动管。
优选的所述生长区(四)为多层的环状结构，且相邻两层之间连通形成螺旋结构。
优选的，所述生长区(四)由不锈钢反应管通过卡箍与波纹管相连搭建而成。
从上述的技术方案可以看出，本发明提供的用于大气气溶胶新粒子形成与生长的流动反应装置，具有以下优点：
1、通过进样区、过渡区、成核区和生长区这四个连续部分的组合结构，延长了流动管装置的长度，将新粒子反应时间提高到分钟量级；
2、本发明采用的流动反应装置将新粒子的形成及新粒子的生长两部分有机结合起来，研究的范围更宽，得到的信息更全面；
3、利用本发明的装置，能够与多种粒子分析仪器及质谱仪进行配合使用，为研究气溶胶成核的动力学机理提供便利。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的流动反应装置的进样区、过渡区及成核区结构示意图；
图2为本发明实施例提供的流动反应装置的生长区俯视图；
图3为本发明实施例提供的流动反应装置的生长区侧视图；
图4为本发明实施例中粒子的粒径与反应时间的关系图。
图中各标记如下：一.进样区、二.过渡区、三.成核区、四.生长区、1进样口、2水浴进口、3水浴出口、4温湿度检测口、5低挥发性物质进样口、6初级采样口、7中级采样口、8.后级采样口、9铝型材架子、10波纹管、11卡箍、12生长区采样口、13固定支架、14不锈钢反应管、15滑轮。
具体实施方式
本发明公开了用于大气气溶胶新粒子形成与生长的流动反应装置，从粒子反应时间角度出发，延长流动管装置的长度，将反应时间提高到分钟量级；此外，本发明的流动反应装置方便通入不同的气态前体物，从而不仅可以有效的研究不同气态前体物形成气溶胶新粒子的过程，还可以进一步研究新粒子的后续生长过程，为气溶胶动力学的研究奠定基础。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供的用于大气气溶胶新粒子形成与生长的流动反应装置，其核心改进点在于，包括依次连通的进样区(一)、过渡区(二)、成核区(三)和生长区(四)，其结构可以参照图1、图2和图3所示；
其中，进样区(一)开设有进样口1，可针对不同研究体系通入不同物质；
过渡区(二)、成核区(三)和/或生长区(四)开设有采样口；颗粒物数浓度谱分布特征是辨识新粒子生成事件是否发生的最基本的参数，扫描电迁移率粒径谱仪用导管连接各个采样口，可实时观察不同位置所形成的粒子的尺寸及粒子数浓度的变化，结合反应时间，可以判断气溶胶的成核速率及生长速率；
进样区(一)和/或成核区(三)设置有温控机构，使成核区(三)的温度低于进样区(一)；根据流动管的工作原理，即不同的反应物首先进入高温进样区(一)混合反应，然后经过渡区(二)进入温度相对较低的成核区(三)，此时，过饱和气态前体物会在成核区(三)冷凝成为分子团簇，继而冷凝碰并形成粒子并且进行一定范围的生长；
从上述的技术方案可以看出，本发明实施例提供的用于大气气溶胶新粒子形成与生长的流动反应装置，具有以下优点：
1、通过进样区(一)、过渡区(二)、成核区(三)和生长区(四)这四个连续部分的组合结构，延长了流动管装置的长度，将新粒子反应时间提高到分钟量级；
2、本发明采用的流动反应装置将新粒子的形成及新粒子的生长两部分有机结合起来，研究的范围更宽，得到的信息更全面；
3、利用本发明的装置，能够与多种粒子分析仪器及质谱仪进行配合使用，为研究气溶胶成核的动力学机理提供便利。
作为优选，进样口1包括物料进样口和载气进样口。其结构可以参照图1所示，进样区(一)前端盖处有预留多个(这里具体为三个)进样口1，可针对不同研究体系通入不同的物质，这里以常见的硝酸-水-二甲胺三元成核为例，三个进样口1，其中一个进口为硝酸蒸气入口，一个进口为水蒸气入口，即两个物料进样口，另外一个为载气(在此采用干燥空气，还可以是氮气)入口。具体通入方式如下：首先配制体积比HNO3：H2O＝1∶3的硝酸溶液，置于鼓泡器中，通入零空气发生器产生的干燥气体，利用流量计调节进样流量，将气态样品送入流动管；同样，将超纯水置于另一鼓泡器中，用干燥气体作为载气通入流动管内；前端进样口通入一路纯的干燥气体(即载气)的原因一方面是为了模拟不同湿度条件下的实验，另一方面是用于固定整个流动管的进样量，进样量固定，也就意味着反应时间确定了，因为：反应时间＝流动管长度/平均流速，而平均流速＝体积流量/流动管截面积。
在本方案提供的具体实施例中，进样区(一)长度为25cm，进样口1的进样管为长10cm、内径6mm的不锈钢管，从端盖处伸进进样区(一)。这样一来，将进样管的出口设置于进样区(一)中部，使得进样气体是在进样区(一)中部进行混合的，更加均匀；进样口1采用不锈钢管的优点是不与反应物发生反应。
为了进一步优化上述的技术方案，温控机构采用水浴加热，沿反应物流动方向依次开设有水浴进口2和水浴出口3。其结构可以参照图1所示，进样区(一)包括前端端盖上的三个进样口1及一组水浴加热进出水口；具体的，进样端盖5cm后，在流动管主体结构上，加了一个水浴控温的双层结构，包括循环水浴进口2及水浴出口3，用于进样区(一)温度的控制。
进样区(一)后即是过渡区(二)，预留出一部分长度让进样气体混合均匀，在此具体长20cm。过渡区(二)还开设有低挥发性物质进样口5，其入口伸入过渡区(二)中，入口的内径(3mm)小于进样口1的内径(6mm)，以减少低挥发性有机物的进样量，不扰乱前段进样的稳定气体束流，方便快速混合。此阶段加入低挥发性物质有助于研究其对大气气溶胶新粒子成核的影响。
如图1所示，过渡区(二)主要用于进样气体的混合及稳定，这部分包含一个温湿度检测口4，一个低挥发性物质进样口5以及一个初级采样口6，其中低挥发性物质进样口5的入口伸入流动管内，内径3mm，下端出口内径6mm(与其他口保持一致，这样方便采样进样)，这样设置的目的是促进进样物质的充分混合，此实施例中，配制的二甲胺溶液(体积比DMA：H2O＝1：3)置于饱和器中，干燥空气吹扫液面，通过调节流量计来控制带出的DMA的蒸汽量，从低挥发性物质进样口5通入流动管。
为了进一步优化上述的技术方案，进样区(一)和成核区(三)均设置有独立的温控机构；进样区(一)的温度维持在40-45度之间；成核区(三)的温度维持在25-27度之间，从而为整个反应提供适宜的条件。实验过程中，将进样区(一)和成核区(三)控制在一定温度下进行反应，需要用到循环水浴锅，所以两个区分别要有一个水进口，一个水出口，为了不影响进样及反应的进行，因此这两部分管子设置成双层结构，内管是气体，外管是水浴。
混合均匀的气体进入成核区(三)，整个成核区(三)由一个单独的水浴循环装置进行温度控制，跟据流动管工作原理，这部分温度较进样区(一)稍低，实验过程中，控制在室温25-27度之间，成核区(三)的温湿度变化由一个PT100温度传感器进行监测。水浴控制的温度跟成核区(三)管内的温度还是有一定差异的，所以成核区(三)需要一个温度传感器深入成核区(三)内部探测更准确的温度，也就是说温度传感器横跨了外管和内管，深入内管探测温度。
根据实际需要可以在装置的不同阶段设计采集口。在方案提供的具体实施例中，过渡区(二)开设有初级采样口6，以查看此处是否已有粒子生成；
成核区(三)开设有中级采样口7，还可以进一步在其后端设置后级采样口8；
生长区(四)开设有生长区采样口12。这样一来，在整个装置设计有多个采样口就能够知道管内各个位置新粒子生成的情况。作为优选，各采样口外径相同，尺寸统一便于操作，配件通用，在此具体均为6mm。
实验过程中，可以通过调节流动管总流量，通入气体前体物的浓度，以及成核区(三)温度、湿度的变化来观察新粒子的生成情况。
作为优选，中级采样口7和/或生长区采样口12的数量为多个，沿反应物流动方向布设在不同位置。各采样口的具体位置可以随机，但最好是均匀设置，因为每个采样点实际对应着不同的反应时间，不同的反应时间下，生成的粒子是不一样的，采样点位置多一点，实验结果也就相应的准确一些。其结构可以参照图1所示，成核区(三)长度为110cm，每隔20cm设置一个中级采样口7，后端设置四个后级采样口8，便于同时采用不同的仪器进行检测。
为了进一步优化上述的技术方案，进样区(一)、过渡区(二)和成核区(三)共用同一根流动管，结构紧凑，直线型结构气体流动反应顺畅。具体可以由石英玻璃吹制而成，长约170cm，内径5cm，其结构可以参照图1所示，主要由进样区(一)、过渡区(二)以及成核区(三)三个部分组成。
为了研究粒子的生长情况，生长区(四)需要尽可能的长；同时考虑到实际情况，也要尽可能的省空间。鉴于此，本方案提供的生长区(四)为多层的环状结构，且相邻两层之间连通形成螺旋结构。图2和图3分别为生长区(四)的俯视图和侧视图，为了节省体积，本发明的生长区(四)的安装方式采用4个/层×5层的环状结构搭建。
具体的，生长区(四)由不锈钢反应管14通过卡箍11与波纹管10相连搭建而成，结构简单。生长区(四)采用不锈钢反应管14的原因是方便安装搭建以及清洗。本实施例的生长区(四)具体确定为2000cm，共20根1m长的不锈钢管14，与前端各区保持一致，不锈钢管内径为5cm。首先，将铝型材架子9搭建成一个正方体，从铝型材架子9上方开始，用固定支架13将不锈钢管14与铝型材架子9固定住，每两节不锈钢管14分别用两个卡箍11与不锈钢波纹管10相连，依次进行安装搭建。为方便移动，铝型材架子9下方安装有滑轮15。每根不锈钢流动管14在管子的10cm及90cm处各设置一个生长区采样口12。不同的反应距离对应着不同的反应时间。做新粒子的形成与生长的实验时，需要将前端石英玻璃流动管用不锈钢波纹管10与生长区(四)相连。图4为用该发明研究硝酸-二甲胺-水三元体系在不同反应时间形成的粒子的粒径变化情况
实验结束后，可用酒精及超纯水清洗流动管内管，然后用零空气产生的干燥空气进行吹扫备用。
上述流动反应装置的内径统一，比如进样区(一)、过渡区(二)和成核区(三)的石英玻璃流动管及生长区(四)不锈钢流动管，均为5cm，使得前后管道里的气体流型不发生太大变化，从而保证实验结果的准确性。
本发明所提供的流动反应装置具有以下优点：
1、本发明采用的流动反应装置结构简单，生长区采用4个/层×5层的环状结构，能有效减小体积；
2、本发明采用的流动反应装置将新粒子的形成及新粒子的生长两部分有机结合起来，研究的范围更宽，得到的信息更全面；
3、利用本发明的装置，能够与多种粒子分析仪器及质谱仪进行配合使用，为研究气溶胶成核的动力学机理提供便利。
综上所述，本发明公开了用于大气气溶胶新粒子形成与生长的流动反应装置。所述流动反应装置长约22米，包括：进样区(一)，过渡区(二)，成核区(三)及生长区(四)四个部分；所述进样区包括三个进样口及一组水浴加热进出水口；所述过渡区包括一个温湿度检测口，一个低挥发性物质进样口和一个初级采样口；所述成核区包括一组水浴控温的进出水口，多个中级采样口，以及一个位于成核区上部的温湿度检测口；所述生长区包括多个生长区采样口。各个采样口的粒子数浓度及粒径变化通过扫描电迁移率粒径谱仪来进行检测。本发明的流动反应装置可用来研究大气中新粒子的生成机制和增长特性，进而研究气溶胶成核的动力学，具有以下特点：精密度高，装置各个采样口位置的粒子数浓度都能够被检测，数据分析更为准确稳定性好；稳定性好，因为各气体反应物能够被长时间连续进样，水浴控温也能保持温度的恒定，实验条件不会发生太大变化；操作简便，采样简单，采样口与检测仪器之间只需连一个采样管即可。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (9)
1.用于大气气溶胶新粒子形成与生长的流动反应装置，其特征在于，包括依次连通的进样区(一)、过渡区(二)、成核区(三)和生长区(四)；
所述进样区(一)开设有进样口(1)；
所述过渡区(二)、成核区(三)和生长区(四)均开设有采样口；
所述进样区(一)和/或所述成核区(三)设置有温控机构，使所述成核区(三)的温度低于所述进样区(一)；
所述生长区(四)的长度为2000cm；所述生长区(四)为多层的环状结构，且相邻两层之间连通形成螺旋结构。
2.根据权利要求1所述的流动反应装置，其特征在于，所述进样口(1)包括物料进样口和载气进样口。
3.根据权利要求1所述的流动反应装置，其特征在于，所述温控机构采用水浴加热，沿反应物流动方向依次开设有水浴进口(2)和水浴出口(3)。
4.根据权利要求1所述的流动反应装置，其特征在于，所述进样区(一)和所述成核区(三)均设置有温控机构；所述进样区(一)的温度维持在40-45度之间；所述成核区(三)的温度维持在25-27度之间。
5.根据权利要求1所述的流动反应装置，其特征在于，所述过渡区(二)开设有低挥发性物质进样口(5)，其入口伸入所述过渡区(二)中，所述入口的内径小于所述进样口(1)的内径。
6.根据权利要求1所述的流动反应装置，其特征在于，所述过渡区(二)开设有初级采样口(6)，所述成核区(三)开设有中级采样口(7)，所述生长区(四)开设有生长区采样口(12)。
7.根据权利要求6所述的流动反应装置，其特征在于，所述中级采样口(7)和/或所述生长区采样口(12)的数量为多个，沿反应物流动方向布设在不同位置。
8.根据权利要求1-7任意一项所述的流动反应装置，其特征在于，所述进样区(一)、所述过渡区(二)和所述成核区(三)共用同一根流动管。
9.根据权利要求1所述的流动反应装置，其特征在于，所述生长区(四)由不锈钢反应管(14)通过卡箍(11)与波纹管(10)相连搭建而成。
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