CN107255581B - 封闭式畜禽舍内环境空气颗粒物采样装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种封闭式畜禽舍内环境空气颗粒物采样装置，包括：采样器本体，其底部设置有抽气泵；采样器本体顶部设置有气体进口，气体进口下方依次设置有颗粒物切割器、电加热网、滤膜、压差检测传感器和气体出口；抽气泵的抽气嘴位于压差检测传感器的下方；控制器，其设置在采样器本体外部，所述控制器分别与压差检测传感器、抽气泵、电加热网连接；电力箱，其设置在采样器本体外部，所述电力箱与控制器连接；其中，所述滤膜包括依次设置的第一吸附膜层和第二吸附膜层。本发明滤膜采用第一吸附膜层和第二吸附膜层，使用方便测试不同种类的颗粒物，提高了封闭式畜禽舍内环境空气颗粒物的吸附效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种颗粒物颗粒物采样装置，具体涉及一种封闭式畜禽舍内环境空气颗粒物采样装置。
背景技术
一般PM引发的空气污染通常被认为是工业化和城市化的后果，农业并没被当作主要的空气污染来源。然而，欧洲研究表明，农业可能是主要的空气污染排放源之一，其中畜禽养殖业PM又是农业源PM的主要来源之一，并且随着畜禽养殖业的发展，其PM的排放占比还将随之增加。畜禽场的PM与其他人为排放源的PM有3个不同表现：PM的浓度高于其他室内环境、携带恶臭和污染气体、通常含有种类繁多的细菌和微生物而使其具有生物活性。这决定着畜禽场PM对畜禽健康的危害、对畜禽福利的影响以及对环境的影响。
我国是畜禽养殖大国，饲养的畜禽数量大、品种繁多，它们的生长受到遗传、品、饲料、疫病和环境的影响。经过大量科学的生产和实践经验证实，环境影响因素占30％，且随着集约化、规模化养殖的快速发展，环境影响所占比重将越来越大。近年来，由于封闭式畜禽舍的大量采用，舍内环境愈发复杂，口蹄疫、猪无名高热病、禽流感等畜禽类流行性疾病频繁爆发和传播，每年造成的经济损失可达数亿人民币，给畜禽养殖业带来巨大的负面影响，十分不利于养殖及生产的规模化、业化，所以畜禽健康与否和畜禽舍环境状况有着极其密切的关系。
其中，畜禽舍内环境颗粒物对畜禽的生长发育会产生重大的影响，环境颗粒物是最重要的大气污染物之一，是大气中固体和液体颗粒物的总称。按照粒径可分为粗分散体系(>10μm)和胶体分散体系(0.001-10μm)。其中粒径在10μm以下的颗粒物(PM10)称为可吸入颗粒物，粒径在2.5μm以下的颗粒物(PM2.5)称为可入肺颗粒物。粒径在10um以下的颗粒物(如PM10、PM2.5等)可通过呼吸系统进入畜禽肺部，增加呼吸系统的发病率，甚至影响心肺功能。PM2.5对重金属以及气态污染物等的吸附作用明显，对污染物有明显的富集作用，还可成为病毒和细菌的载体，为呼吸道传染病推波助澜，对畜禽健康产生极大危害。因此，对畜禽舍内环境颗粒物的采样检测进行检测研究对畜禽的养殖繁育具有重大的意义。但是，畜禽舍内颗粒物粒径大小不一样，现有采样器采集PM10、PM2.5效率低下且不准确，无法满足高效采样的要求。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种一种封闭式畜禽舍内环境空气颗粒物采样装置，包括：
采样器本体，其底部设置有抽气泵；所述采样器本体顶部设置有气体进口，所述气体进口下方依次设置有颗粒物切割器、电加热网、滤膜、压差检测传感器和设置在采样器本体侧壁的气体出口；所述抽气泵的抽气嘴位于压差检测传感器的下方；
控制器，其设置在采样器本体外部，所述控制器分别与压差检测传感器、抽气泵、电加热网连接；
电力箱，其设置在采样器本体外部，所述电力箱与控制器连接；
其中，所述滤膜包括依次设置的第一吸附膜层和第二吸附膜层，所述第一吸附膜层和第二吸附膜层通过高温热压形成滤膜；所述第一吸附膜层为静电纺丝聚偏氟乙烯形成的薄膜；所述第二吸附膜层为同轴静电纺丝聚四氟乙烯和聚苯乙烯形成的薄膜。
优选的是，所述第一吸附膜层的制备方法为：在40～50℃下，将聚偏氟乙烯溶解在体积比为1:1的N,N-二甲基乙酰胺和丙酮的混合溶剂中，得到浓度为3～8wt％的聚偏氟乙烯纺丝溶液；将聚偏氟乙烯纺丝溶液通过静电纺丝喷射到锡箔接收装置上，并同时将纳米级羧基化氧化石墨烯分散液超声雾化锡箔接收装置上，将锡箔接收装置上的膜层揭下，即得到第一吸附膜层。
优选的是，所述静电纺丝的方法为：将聚偏氟乙烯纺丝溶液注入带不锈钢喷头的喷射容器内，然后用高压电源将电压施加在不锈钢喷头上，并利用与喷射容器连接的推进泵将喷射容器内的聚偏氟乙烯纺丝溶液通过不锈钢喷头喷射至锡箔接收装置上，所述静电纺丝的喷射条件为：环境温度为40～80℃、高压电源的输出电压为15～25kv、金属丝与不锈钢喷头之间距离为10～15cm、流速为2～10mL/h。
优选的是，所述纳米级羧基化氧化石墨烯分散液超声雾化的功率为100W，频率为2.5MHz，雾化率为1～2mL/min，超声雾化的喷出口与锡箔接收装置的距离为5～10cm。
优选的是，所述纳米级羧基化氧化石墨烯分散液包括以下重量份的原料：纳米级羧基化氧化石墨烯20～25份、1-乙基-3-甲基咪唑乳酸1～2份、正丁醇20～30份、丙酮30～50份、烯丙醇10～20份、水20～30份。
优选的是，所述第二吸附膜层的制备方法为：将聚四氟乙烯溶于体积比为1:1的N-甲基吡咯烷酮和水的混合溶剂中，并加入占聚四氟乙烯重量1/10的纳米级羧基化氧化石墨烯，得到浓度为5～15wt％的聚四氟乙烯壳层纺丝液；将聚苯乙烯溶解在体积比为1:2的N,N-二甲基甲酰胺和丙酮的混合溶剂中，得到浓度为3～8wt％的聚苯乙烯核层纺丝液；采用高压静电纺丝设备，将壳层纺丝液和核层纺丝液分别输入到不锈钢同轴针头的外层和内层，设置高压静电喷射条件，将壳层溶液和核层溶液高压静电喷射到锡箔接收装置上；将锡箔接收装置上的膜层揭下，即得到第二吸附膜层。
优选的是，所述第二吸附膜层的制备方法中高压静电纺丝的条件为：环境温度为40～60℃，高压电源的输出电压为20～25kv，接收装置与不锈钢同轴针头喷丝口之间的距离为10～15cm，流量均为10～15mL/h，且壳层纺丝液与核层纺丝液的流速比为1:2～1:3；所述不锈钢同轴针头的外层的内径为1.2～1.6mm，内层的内径为0.5～0.8mm。
优选的是，所述高温热压的条件为压力5～10MPa、100-200℃下热压5～20min。
优选的是，所述气体出口具有朝向气体进口的喇叭状延伸部。
优选的是，还包括设置在电加热网下方的温度传感器，其与所述控制器连接。
本发明至少包括以下有益效果：本发明的畜禽舍内环境空气颗粒物采样装置设置有颗粒物切割器配合自制滤膜使用使空气中的颗粒物切割后更小，且滤膜采用第一吸附膜层和第二吸附膜层，使用方便测试不同种类的颗粒物，第二吸附膜层可以吸附粒径较大的颗粒物，然后通过第一吸附膜层吸附粒径较小的颗粒物，可以适应畜禽舍内复杂的环境颗粒物成分；其中，第一吸附膜层通过静电纺丝聚偏氟乙烯并配合超声雾化纳米级羧基化氧化石墨烯分散液，使得到的聚偏氟乙烯薄膜具有很强的热释电效应，同时利用聚偏氟乙烯薄膜在温度调控下(电加热网)产生的表面电荷的静电作用吸附大气中的污染颗粒物。基于静电吸附的方法可以直接捕获大气中的极性细微颗粒物，同时还能够使中性颗粒物极化，然后将其捕获。该膜层对于微纳米尺度的细小颗粒物具有较高的吸附效率。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明：
图1为本发明所述颗粒物采样装置的结构示意图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
图1示出了本发明的一种封闭式畜禽舍内环境空气颗粒物采样装置，包括：
采样器本体1，其底部设置有抽气泵2；所述采样器本体1顶部设置有气体进口3，所述气体进口3下方依次设置有颗粒物切割器4、电加热网5、滤膜6、压差检测传感器7和设置在采样器本体1侧壁的气体出口8；所述抽气泵2的抽气嘴21位于压差检测传感器7的下方；
控制器(未示出)，其设置在采样器本体外部，所述控制器分别与压差检测传感器7、抽气泵2、电加热网5连接；所述控制器为单片机；所述单片机为为51单片机、AVR单片机、PIC单片机、STM32单片机、TMS单片机、STC单片机中的任意一种；
电力箱(未示出)，其设置在采样器本体外部，所述电力箱与控制器连接；
其中，所述滤膜6包括依次设置的第一吸附膜层61和第二吸附膜层62，所述第一吸附膜层61和第二吸附膜层62通过高温热压形成滤膜；所述第一吸附膜层为静电纺丝聚偏氟乙烯形成的薄膜；所述第二吸附膜层为同轴静电纺丝聚四氟乙烯和聚苯乙烯形成的薄膜。
采用这种技术方案，将使颗粒物采样装置运送至采样点，通过抽气泵抽气，环境颗粒物通过进气口进入颗粒物切割器，然后采集在采样滤膜上，所述的压差检测传感器将压力信号传递给A/D转换器，A/D转换器将接受的信号传递给控制器，控制器将信号传递给抽取泵，来改变抽气泵的转速，采样完成后，对第一吸附膜层和第二吸附膜层上的颗粒物进行分析，得到畜禽舍内颗粒物浓度；采用这种方式，首先第二吸附膜层可以吸附粒径较大的颗粒物，然后通过第一吸附膜层吸附粒径较小的颗粒物；其中，第一吸附膜层通过静电纺丝聚偏氟乙烯并配合超声雾化纳米级羧基化氧化石墨烯分散液，使得到的聚偏氟乙烯薄膜具有很强的热释电效应，同时利用聚偏氟乙烯薄膜在温度调控下(电加热网)产生的表面电荷的静电作用吸附大气中的污染颗粒物，本发明中第一吸附膜层在温度调控即可快速产生大量电荷，能够产生足够的静电吸附力，有效的吸附空气中的粉尘，PM10，PM2.5以及亚微米颗粒。基于静电吸附的方法可以直接捕获大气中的极性细微颗粒物，同时还能够使中性颗粒物极化，然后将其捕获，第一吸附膜层对于微纳米尺度的细小颗粒物具有较高的吸附效率。采用本发明的这种方式，提高了采样速率和采用准确率，使采样结果更加符合实际；
在另一中实施例中，所述第一吸附膜层的制备方法为：在40℃下，将聚偏氟乙烯溶解在体积比为1:1的N,N-二甲基乙酰胺和丙酮的混合溶剂中，得到浓度为5wt％的聚偏氟乙烯纺丝溶液；将聚偏氟乙烯纺丝溶液通过静电纺丝喷射到锡箔接收装置上，并同时将纳米级羧基化氧化石墨烯分散液超声雾化锡箔接收装置上，将锡箔接收装置上的膜层揭下，即得到第一吸附膜层；采用静电纺丝方法得到的第一吸附膜层具有良好的力学性能，并且孔径小，孔隙率80％～90％之间，这充分保证了膜具有较高的气体通量；膜层呈三维立体交叉状结构，纤维粗细均匀，避免了粗细纤维所产生的孔径分布不均；膜层厚度均匀，避免了厚度不均造成的过滤效果不一致；通过将纳米级羧基化氧化石墨烯分散液超声雾化锡箔接收装置上，使得到的聚偏氟乙烯薄膜具有很强的热释电效应。
在另一中实施例中，所述第一吸附膜层的制备方法为：在45℃下，将聚偏氟乙烯溶解在体积比为1:1的N,N-二甲基乙酰胺和丙酮的混合溶剂中，得到浓度为8wt％的聚偏氟乙烯纺丝溶液；将聚偏氟乙烯纺丝溶液通过静电纺丝喷射到锡箔接收装置上，并同时将纳米级羧基化氧化石墨烯分散液超声雾化锡箔接收装置上，将锡箔接收装置上的膜层揭下，即得到第一吸附膜层。
在另一中实施例中，所述静电纺丝的方法为：将聚偏氟乙烯纺丝溶液注入带不锈钢喷头的喷射容器内，然后用高压电源将电压施加在不锈钢喷头上，并利用与喷射容器连接的推进泵将喷射容器内的聚偏氟乙烯纺丝溶液通过不锈钢喷头喷射至锡箔接收装置上，所述静电纺丝的喷射条件为：环境温度为60℃、高压电源的输出电压为20kv、金属丝与不锈钢喷头之间距离为10cm、流速为5mL/h。
在另一中实施例中，所述静电纺丝的方法为：将聚偏氟乙烯纺丝溶液注入带不锈钢喷头的喷射容器内，然后用高压电源将电压施加在不锈钢喷头上，并利用与喷射容器连接的推进泵将喷射容器内的聚偏氟乙烯纺丝溶液通过不锈钢喷头喷射至锡箔接收装置上，所述静电纺丝的喷射条件为：环境温度为80℃、高压电源的输出电压为25kv、金属丝与不锈钢喷头之间距离为15cm、流速为10mL/h。
在另一中实施例中，所述纳米级羧基化氧化石墨烯分散液超声雾化的功率为100W，频率为2.5MHz，雾化率为1mL/min，超声雾化的喷出口与锡箔接收装置的距离为10cm。
在另一中实施例中，所述纳米级羧基化氧化石墨烯分散液超声雾化的功率为100W，频率为2.5MHz，雾化率为2mL/min，超声雾化的喷出口与锡箔接收装置的距离为5cm。
在另一中实施例中，所述纳米级羧基化氧化石墨烯分散液包括以下重量份的原料：纳米级羧基化氧化石墨烯20份、1-乙基-3-甲基咪唑乳酸1份、正丁醇20份、丙酮30份、烯丙醇10份、水20份。
在另一中实施例中，所述纳米级羧基化氧化石墨烯分散液包括以下重量份的原料：纳米级羧基化氧化石墨烯25份、1-乙基-3-甲基咪唑乳酸2份、正丁醇25份、丙酮30份、烯丙醇20份、水30份。
在另一中实施例中，所述第二吸附膜层的制备方法为：将聚四氟乙烯溶于体积比为1:1的N-甲基吡咯烷酮和水的混合溶剂中，并加入占聚四氟乙烯重量1/10的纳米级羧基化氧化石墨烯，得到浓度为10wt％的聚四氟乙烯壳层纺丝液；将聚苯乙烯溶解在体积比为1:2的N,N-二甲基甲酰胺和丙酮的混合溶剂中，得到浓度为5wt％的聚苯乙烯核层纺丝液；采用高压静电纺丝设备，将壳层纺丝液和核层纺丝液分别输入到不锈钢同轴针头的外层和内层，设置高压静电喷射条件，将壳层溶液和核层溶液高压静电喷射到锡箔接收装置上；将锡箔接收装置上的膜层揭下，即得到第二吸附膜层；通过同轴静电纺丝，核层设置为聚苯乙烯溶液，提高了聚四氟乙烯的纺丝性能，使得到的第二吸附膜层具有良好的力学性能，并且得到的纤维粗细均匀，避免了粗细纤维所产生的孔径分布不均。
在另一中实施例中，所述第二吸附膜层的制备方法中高压静电纺丝的条件为：环境温度为40℃，高压电源的输出电压为20kv，接收装置与不锈钢同轴针头喷丝口之间的距离为10cm，流量均为10mL/h，且壳层纺丝液与核层纺丝液的流速比为1:2；所述不锈钢同轴针头的外层的内径为1.6mm，内层的内径为0.6mm。
在另一中实施例中，所述第二吸附膜层的制备方法中高压静电纺丝的条件为：环境温度为60℃，高压电源的输出电压为25kv，接收装置与不锈钢同轴针头喷丝口之间的距离为15cm，流量均为15mL/h，且壳层纺丝液与核层纺丝液的流速比为1:3；所述不锈钢同轴针头的外层的内径为1.2mm，内层的内径为0.5mm。
在另一中实施例中，所述高温热压的条件为压力10MPa、200℃下热压5min。
在另一中实施例中，所述高温热压的条件为压力5MPa、150℃下热压10min。
在另一中实施例中，所述气体出口8具有朝向气体进口的喇叭状延伸部81，采用这种方式，使气体流动速度更快，颗粒物的收集效率更高。
在另一中实施例中，还包括设置在电加热网下方的温度传感器9，其与所述控制器连接，温度传感器可以检测电加热网加热的温度，并将温度信号传递给控制器，控制器控制电加热网的加热温度，以使第一吸附膜层在温度调控下快速产生大量电荷，能够产生足够的静电吸附力，有效的吸附空气中的粉尘，PM10，PM2.5以及亚微米颗粒。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (4)
1.一种封闭式畜禽舍内环境空气颗粒物采样装置，其特征在于，包括：
采样器本体，其底部设置有抽气泵；所述采样器本体顶部设置有气体进口，所述气体进口下方依次设置有颗粒物切割器、电加热网、滤膜、压差检测传感器和设置在采样器本体侧壁的气体出口；所述抽气泵的抽气嘴位于压差检测传感器的下方；
控制器，其设置在采样器本体外部，所述控制器分别与压差检测传感器、抽气泵、电加热网连接；
电力箱，其设置在采样器本体外部，所述电力箱与控制器连接；
其中，所述滤膜包括依次设置的第一吸附膜层和第二吸附膜层，所述第一吸附膜层和第二吸附膜层通过高温热压形成滤膜；所述第一吸附膜层为静电纺丝聚偏氟乙烯形成的薄膜；所述第二吸附膜层为同轴静电纺丝聚四氟乙烯和聚苯乙烯形成的薄膜；
所述第一吸附膜层的制备方法为：在40～50℃下，将聚偏氟乙烯溶解在体积比为1:1的N,N-二甲基乙酰胺和丙酮的混合溶剂中，得到浓度为3～8wt％的聚偏氟乙烯纺丝溶液；将聚偏氟乙烯纺丝溶液通过静电纺丝喷射到锡箔接收装置上，并同时将纳米级羧基化氧化石墨烯分散液超声雾化锡箔接收装置上，将锡箔接收装置上的膜层揭下，即得到第一吸附膜层；
所述静电纺丝的方法为：将聚偏氟乙烯纺丝溶液注入带不锈钢喷头的喷射容器内，然后用高压电源将电压施加在不锈钢喷头上，并利用与喷射容器连接的推进泵将喷射容器内的聚偏氟乙烯纺丝溶液通过不锈钢喷头喷射至锡箔接收装置上，所述静电纺丝的喷射条件为：环境温度为40～80℃、高压电源的输出电压为15～25kv、金属丝与不锈钢喷头之间距离为10～15cm、流速为2～10mL/h；
所述纳米级羧基化氧化石墨烯分散液超声雾化的功率为100W，频率为2.5MHz，雾化率为1～2mL/min，超声雾化的喷出口与锡箔接收装置的距离为5～10cm；
所述纳米级羧基化氧化石墨烯分散液包括以下重量份的原料：纳米级羧基化氧化石墨烯20～25份、1-乙基-3-甲基咪唑乳酸1～2份、正丁醇20～30份、丙酮30～50份、烯丙醇10～20份、水20～30份；
所述第二吸附膜层的制备方法为：将聚四氟乙烯溶于体积比为1:1的N-甲基吡咯烷酮和水的混合溶剂中，并加入占聚四氟乙烯重量1/10的纳米级羧基化氧化石墨烯，得到浓度为5～15wt％的聚四氟乙烯壳层纺丝液；将聚苯乙烯溶解在体积比为1:2的N,N-二甲基甲酰胺和丙酮的混合溶剂中，得到浓度为3～8wt％的聚苯乙烯核层纺丝液；采用高压静电纺丝设备，将壳层纺丝液和核层纺丝液分别输入到不锈钢同轴针头的外层和内层，设置高压静电喷射条件，将壳层溶液和核层溶液高压静电喷射到锡箔接收装置上；将锡箔接收装置上的膜层揭下，即得到第二吸附膜层；
所述第二吸附膜层的制备方法中高压静电纺丝的条件为：环境温度为40～60℃，高压电源的输出电压为20～25kv，接收装置与不锈钢同轴针头喷丝口之间的距离为10～15cm，流量均为10～15mL/h，且壳层纺丝液与核层纺丝液的流速比为1:2～1:3；所述不锈钢同轴针头的外层的内径为1.2～1.6mm，内层的内径为0.5～0.8mm。
2.如权利要求1所述的封闭式畜禽舍内环境空气颗粒物采样装置，其特征在于，所述高温热压的条件为压力5～10MPa、100-200℃下热压5～20min。
3.如权利要求1所述的封闭式畜禽舍内环境空气颗粒物采样装置，其特征在于，所述气体出口具有朝向气体进口的喇叭状延伸部。
4.如权利要求1所述的封闭式畜禽舍内环境空气颗粒物采样装置，其特征在于，还包括设置在电加热网下方的温度传感器，其与所述控制器连接。
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