CN106769697A - 大气纳米颗粒热动力学性质实时追踪测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种大气纳米颗粒物热动力学性质实时追踪测量系统和方法，系统包括硬件部分和软件控制系统；硬件部分包括颗粒物带电部分、颗粒物谱分布扫描部分、吸湿性测量部分、挥发性测量部分和密度测定部分；软件控制系统通过编程程序控制硬件部分的运行；进行测量工作时，环境大气颗粒物先经过颗粒物带电部分使环境大气颗粒物带电，再进入颗粒物谱分布扫描部分进行扫描得到数浓度粒径谱分布峰值粒径，将筛选出的峰值粒径的颗粒物分三部分同时进行颗粒物的吸湿性、挥发性和密度的测定。本发明能够实现高效的实时追踪测量获得大气纳米颗粒物的热动力学性质，操作简单，时间分辨率高。
Description
技术领域
本发明涉及纳米颗粒物性质测量技术，具体涉及一种大气纳米颗粒物热力学和动力学性质的实时追踪测量装置和方法。
背景技术
大气纳米颗粒物是指环境大气中纳米数量级的能够稳定悬浮于气体介质中的颗粒物。京津冀地区大气中存在高浓度的气态前体物，从而为大气成核以及初始和后续增长提供优越条件，即新粒子生成及增长过程。新粒子生成是城市大气细颗粒物数浓度的主要来源，其高频率生成与快速增长是大气重污染的重要环节。因此，实时跟踪研究新粒子生成过程及初始和后续增长中大气纳米颗粒物的热力学和动力学性质是揭示重污染形成机制的关键。
目前，对纳米颗粒物化学成分测定主要依赖于质谱技术，一方面质谱造价昂贵，另外由于纳米颗粒物质量极小，其化学成分极难检测，所以质谱技术不能用于测定小粒子。基于测定纳米颗粒物热动力学性质间接推断颗粒物化学成分的方法也被用于研究纳米颗粒物，但是，现有技术只能对固定颗粒物粒径进行测量，而无法追踪纳米颗粒物在大气中连续增长的过程；此外，现有技术针对颗粒物热动力学性质的测量参数只包括挥发性和吸湿性，无法追踪测定颗粒物密度。现有测量技术手段必然会造成粒径分辨率低、信息损失的问题，而且，现有技术对这些物理化学特性只能分别测量，在进行数据分析时，存在因分辨率不同而进一步造成信息损失和不完整的问题，难以满足纳米颗粒物的研究的需要。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种大气纳米颗粒物热力学和动力学性质的实时追踪测量装置(系统)和方法，通过实时追踪测量系统实时测定颗粒物粒径数浓度谱分布并在线确定数浓度最高值，再通过调节系统设置，追踪测定颗粒物增长过程中不同粒径颗粒物的热力学和动力学性质。
本发明的原理是：新粒子生成过程是指大气中的气态污染物长成颗粒物的过程，因此，我们通过在新粒子生成过程中测定其最大浓度对应的粒径，即可获得新粒子成长后粒径，通过测定最大浓度对应的粒径的颗粒物的吸湿性、挥发性和密度，同时进行高分辨的在线追踪测量，就能得到新粒子生成和后续增长过程中热力学和动力学性质的变化，从而为研究颗粒物成霾等机理研究提供数据和技术手段。本发明将需要由三个独立测量装置实现测量获得数据结果的工作设计成为一个实时追踪测量装置，可实现用数浓度谱分布得到的最高值所对应的粒径，并实时测定该粒径下颗粒物的热动力学性质，由此实现追踪整个新粒子增长过程中的热动力学性质变化。
本发明提供的技术方案是：
一种大气纳米颗粒物热动力学性质实时追踪测量装置(系统)，包括硬件部分和软件控制系统；硬件部分包括颗粒物带电部分、颗粒物谱分布扫描部分、吸湿性测量部分、挥发性测量部分和密度测定部分；软件控制系统为Labview系统软件。labview软件控制系统可通过编程程序控制所有硬件部分(包括颗粒物带电部分、颗粒物谱分布扫描部分、吸湿性测量部分以及挥发性测量部分和密度测定部分)的正常运行的顺序及过程。颗粒物带电部分和颗粒物谱分布扫描部分相连接；颗粒物谱分布扫描部分分别与吸湿性测量部分、挥发性测量部分和密度测定部分相连接；不锈钢管连接。软件控制系统通过数据线连着各硬件，再用程序通过数据线输入信号以及读取各硬件返回的数据信号。环境大气颗粒物进入实时追踪测量系统，首先经过颗粒物带电部分使环境大气颗粒物带电，之后进入颗粒物谱分布扫描部分进行扫描得到数浓度粒径谱分布峰值粒径，将筛选出的峰值粒径的颗粒物同时分为3个并列的部分，分别通过吸湿性测量部分、挥发性测量部分和密度测定部分进行吸湿性、挥发性和密度的测定。
所述颗粒物带电部分包括1个K85中和器。
颗粒物带电部分用电离源将颗粒物带电荷，呈玻尔兹曼分布。常用的电离源有K85和x射线软电离源。
所述谱分布扫描部分包括1个DMA(Differential Mobility Analyzer，电迁移率粒径分析仪)及第一鞘气循环系统和1个CPC(Condensation Particle Counter，凝结式颗粒物计数仪)。所述第一鞘气循环系统包括Nafion管、鼓风机、热交换机、流量计、高效过滤膜。
所述吸湿性测量部分包括加湿模块、1个DMA及第二鞘气循环系统和1个CPC。所述加湿模块包括质量流量计、Core-tex加湿管和加热器，且均由水泵供水。所述第二鞘气循环系统包括Nafion管、鼓风机、热交换机、流量计、高效过滤膜和鞘气加湿模块。
所述挥发性测量部分包括加热模块、1个DMA及第一鞘气循环系统和1个CPC。所述加热模块包括加热部分、冷却部分及温度传感器，所述鞘气循环系统与谱分布扫描部分所用的鞘气循环系统相同。
所述密度测定部分包括1个CPMA(Centrifugal Particle Mass Analyzer，离心粒子质量分析仪)和1个CPC。
所述Labview系统软件控制部分是指计算机中Labview可视化控制程序软件，用于控制各仪器硬件的运行，包括获取数浓度粒径谱分布峰值粒径并筛选出单一粒径的颗粒物，控制吸湿性测量部分、挥发性测量部分及密度测定部分测定时间、PID(ProportionIntegration Differentiation,比例积分微分)调节法调节系统内各气路流量、温度、湿度处于设定值等。
本发明还提供一种大气纳米颗粒物热动力学性质实时追踪测量方法，利用上述大气纳米颗粒物热动力学性质追踪测量装置，对大气纳米颗粒物的热动力学性质进行追踪测量，包括如下步骤：
1)环境大气颗粒物先进入颗粒物带电部分，即含K85的中和器，使颗粒物带电且呈玻尔兹曼分布；
2)颗粒物带电后，以恒定流量(1L/min)进入颗粒物谱分布扫描部分，5分钟后扫描出环境大气颗粒物数浓度粒径谱分布。系统程序通过高斯拟合方法获取最大数浓度所对应的粒径Dp_max，将扫描粒径设定为Dp_max,从而筛选出该粒径的颗粒物；
3)将筛选出的该单一粒径颗粒物分为3路，同时通入吸湿性测量部分、挥发性测量部分及密度测定部分，进行颗粒物的吸湿性、挥发性及密度的测定，测定时间为8-10分钟(或以上)；从而得到最大数浓度所对应的粒径的大气颗粒物的吸湿性、挥发性及密度，由此获得大气颗粒物的热力学和动力学性质；
4)重复步骤1)～3)，从而实时跟踪新粒子生成及增长过程中颗粒物吸湿性、挥发性及密度变化。
上述方法能够实时监测新生成的粒子，测量得到大气中新生成的粒子长到哪个粒径，并同时测定该粒径下的热动力学性质；如此循环监测，最终能够测定获得新生成粒子的增长过程中热动力学性质的变化。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明将由多个独立测量装置实现测量获得数据结果的工作，设计成为一个实时追踪测量装置，能够通过数浓度谱分布来获得到最高值所对应的粒径，并实现实时测定该粒径下颗粒物的热动力学性质，由此实现追踪整个新粒子增长过程中的热动力学性质变化。与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、本发明可实现实时追踪测量大气纳米颗粒物的热力学和动力学性质；
二、测量系统工作时，由谱分布扫描部分提供大气中数浓度最高的颗粒物粒径并筛选出该粒径的颗粒物，吸湿部分、挥发部分及密度测定部分实现吸湿、挥发特性以及密度的针对性测量，时间分辨率为13分钟，具有高效的实时追踪的特点；
三、与传统独立测量方式相比，本发明相当于将三种测量需求一体化，不仅操作上更加集成化、简单明了，而且时间分辨率高、揭示机理的效用远远大于单个仪器分别测定，完全实现了对大气纳米颗粒物的热动力学性质的高效在线实时追踪测量。
附图说明
图1为本发明提供的测量方法的流程框图。
图2为谱分布扫描部分测量的颗粒物数浓度粒径谱分布示意图；
其中，横坐标表示颗粒物粒径；纵坐标表示每个粒径对应的颗粒物数浓度的对数值；竖线表示的是数浓度谱分布中最高值对应的颗粒物粒径。
图3为大气纳米颗粒物热力学和动力学性质追踪测量装置的结构示意图；
其中，虚线框出五个硬件组成部分，包括：1颗粒物带电部分、3—颗粒物谱分布扫描部分、6—吸湿性测量部分、10—挥发性测量部分、14—密度测定部分；颗粒物带电部分1包括：2—K85中和器；颗粒物谱分布扫描部分3包括：4—DMA及鞘气循环系统和5—CPC；吸湿性测量部分6包括：7—加湿模块、8—DMA及鞘气循环系统、9—CPC；挥发性测量部分10包括：11—加湿模块、12—DMA及鞘气循环系统、13—CPC；密度测定部分14包括：15—CPMA和16—CPC；17—软件控制系统；软件控制系统17通过数据传输线分别与颗粒物谱分布扫描部分3、吸湿性测量部分6、挥发性测量部分10及密度测定部分14相连接，用来传输控制命令与接收硬件部分读取的数据。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例进一步描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。
本发明提供一种大气纳米颗粒物热力学和动力学性质的实时追踪测量装置(系统)和方法，通过实时追踪测量系统实时测定颗粒物粒径数浓度谱分布并在线确定数浓度最高值，再通过调节系统设置，追踪测定颗粒物增长过程中不同粒径颗粒物的热力学和动力学性质。图1为本发明提供的测量方法的流程框图，对大气纳米颗粒物的热动力学性质进行追踪测量，能够实时监测新生成的粒子，测量得到大气中新生成的粒子长到哪个粒径，并同时测定该粒径下的热动力学性质；如此循环监测，最终能够测定获得新生成粒子的增长过程中热动力学性质的变化。对大气纳米颗粒物热力学和动力学性质的实时追踪测量具体包括如下步骤：
1)环境大气颗粒物先进入颗粒物带电部分，即含K85的中和器，使颗粒物带电且呈玻尔兹曼分布；
2)颗粒物带电后，以恒定流量(1L/min)进入颗粒物谱分布扫描部分，5分钟后扫描出环境大气颗粒物数浓度粒径谱分布。系统程序通过高斯拟合方法获取最大数浓度所对应的粒径Dp_max，将扫描粒径设定为Dp_max,从而筛选出该粒径的颗粒物；
3)将筛选出的该单一粒径颗粒物分为3路，同时通入吸湿性测量部分、挥发性测量部分及密度测定部分，进行颗粒物的吸湿性、挥发性及密度的测定，测定时间为8-10分钟(或以上)；从而得到最大数浓度所对应的粒径的大气颗粒物的吸湿性、挥发性及密度，由此获得大气颗粒物的热力学和动力学性质；
4)重复步骤1)～3)，从而实时跟踪新粒子生成及增长过程中颗粒物吸湿性、挥发性及密度变化。
图3为大气纳米颗粒物热力学和动力学性质追踪测量装置的结构示意图，其中序号1代表颗粒物带电部分，包括序号为2的K85中和器。本实施例中，环境大气颗粒物经颗粒物带电部分后，进入序号为3的谱分布扫描部分，该部分包括序号为4和5的DMA及鞘气循环系统和CPC。5分钟后可获取颗粒物数浓度粒径谱分布，如图2所示，系统程序通过高斯拟合方法获取最大数浓度所对应的粒径Dp_max＝20nm，因此可得知，此时新粒子增长至20nm。将扫描粒径设定为20nm,筛选出该粒径的颗粒物。将筛选出的20nm大气环境颗粒物分为三路，同时通入序号为6、10和14的吸湿性测量部分、挥发性测量部分及密度测定部分进行吸湿性、挥发性及密度的测定，测定时间为8-10分钟。其中，吸湿性测量部分6包括加湿模块7、DMA及鞘气循环系统8、CPC9。由谱分布扫描部分3筛选出的单一粒径颗粒物经加湿模块7进行加湿处理后，调节DMA给定电压区间配合对应的CPC9计数从而获得实时的吸湿性信息。其中挥发性测量部分10包括加湿模块11、DMA及鞘气循环系统12、CPC13。由谱分布扫描部分3筛选出的单一粒径颗粒物经加湿模块7进行加热处理后，调节DMA给定电压区间配合对应的CPC计数从而获得实时的挥发性信息。密度测定部分14包括CPMA15和CPC16。CPMA(Centrifugal Particle Mass Analyzer)配合CPC计数，从而获得实时的颗粒物密度信息。最终能够获得的数据为：吸湿性(吸湿增长因子：即颗粒物在给定的相对湿度下，吸湿增长后的粒径与干粒径20nm的比值)、挥发性(塌缩因子：即颗粒物在给定的加热温度下，颗粒物中易挥发组分挥发后的粒径与干粒径20nm的比值)及颗粒物的密度(即颗粒物质量浓度与其体积的比值)，由此实现了实时追踪测定颗粒物增长过程中不同粒径颗粒物的热力学和动力学性质。
需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种大气纳米颗粒物热动力学性质实时追踪测量装置，包括硬件部分和软件控制系统；所述硬件部分包括颗粒物带电部分、颗粒物谱分布扫描部分、吸湿性测量部分、挥发性测量部分和密度测定部分；所述软件控制系统通过编程程序控制所述硬件部分的运行，通过数据线输入信号和读取各硬件部分返回的数据信号；所述颗粒物带电部分和颗粒物谱分布扫描部分相连接；颗粒物谱分布扫描部分分别与吸湿性测量部分、挥发性测量部分和密度测定部分相连接；环境大气颗粒物进入所述实时追踪测量装置，首先经过所述颗粒物带电部分使环境大气颗粒物带电，之后进入所述颗粒物谱分布扫描部分进行扫描，得到数浓度粒径谱分布峰值粒径，将筛选出的峰值粒径的颗粒物分别通过吸湿性测量部分、挥发性测量部分和密度测定部分，同时进行颗粒物的吸湿性、挥发性和密度的测定，由此实时获得大气纳米颗粒物的热动力学性质。
2.如权利要求1所述实时追踪测量装置，其特征是，所述软件控制系统为Labview系统软件。
3.如权利要求1所述实时追踪测量装置，其特征是，所述颗粒物带电部分包括1个K85中和器；所述颗粒物带电部分用电离源将颗粒物带电荷，呈玻尔兹曼分布；所述电离源为K85电离源或x射线软电离源。
4.如权利要求1所述实时追踪测量装置，其特征是，所述谱分布扫描部分包括电迁移率粒径分析仪DMA、第一鞘气循环系统和凝结式颗粒物计数仪CPC；所述第一鞘气循环系统包括Nafion管、鼓风机、热交换机、流量计和高效过滤膜。
5.如权利要求1所述实时追踪测量装置，其特征是，所述吸湿性测量部分包括加湿模块、电迁移率粒径分析仪DMA、第二鞘气循环系统和凝结式颗粒物计数仪CPC；所述加湿模块包括质量流量计、Core-tex加湿管和加热器，且均由水泵供水；所述第二鞘气循环系统包括Nafion管、鼓风机、热交换机、流量计、高效过滤膜和鞘气加湿模块。
6.如权利要求1所述实时追踪测量装置，其特征是，所述挥发性测量部分包括加热模块、电迁移率粒径分析仪DMA、第一鞘气循环系统和凝结式颗粒物计数仪CPC；所述加热模块包括加热部分、冷却部分和温度传感器；所述第一鞘气循环系统包括Nafion管、鼓风机、热交换机、流量计和高效过滤膜。
7.如权利要求1所述实时追踪测量装置，其特征是，所述密度测定部分包括离心粒子质量分析仪CPMA)和凝结式颗粒物计数仪CPC。
8.一种利用权利要求1～7所述实时追踪测量装置实现大气纳米颗粒物热动力学性质的实时追踪测量方法，对大气纳米颗粒物的热动力学性质进行实时追踪测量，包括如下步骤：
1)环境大气颗粒物首先进入颗粒物带电部分，使颗粒物带电且呈玻尔兹曼分布；
2)大气颗粒物带电后，以恒定流量进入颗粒物谱分布扫描部分，扫描得出环境大气颗粒物数浓度粒径谱分布；通过高斯拟合方法获取最大数浓度所对应的粒径Dp_max；将扫描粒径设定为Dp_max，筛选得出该粒径的颗粒物；
3)将筛选出的该单一粒径的颗粒物分为三路，同时通入吸湿性测量部分、挥发性测量部分和密度测定部分，进行颗粒物的吸湿性、挥发性和密度的测定，从而得到最大数浓度所对应粒径的大气颗粒物的吸湿性、挥发性和密度，由此获得大气颗粒物的热力学和动力学性质；
重复步骤1)～3)进行颗粒物的吸湿性、挥发性和密度的测定，从而实现实时跟踪新粒子生成及增长过程中的颗粒物吸湿性、挥发性及密度的变化。
9.如权利要求8所述实时追踪测量方法，其特征是，步骤2)所述恒定流量为1L/min；进入颗粒物谱分布扫描部分的扫描时间为5分钟，扫描得出环境大气颗粒物数浓度粒径谱分布。
10.如权利要求8所述实时追踪测量方法，其特征是，步骤3)所述测定的时间为8分钟或以上。
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