CN109387463A - 可防止采样误差的高效率静电微粒液相采样器 - Google Patents

可防止采样误差的高效率静电微粒液相采样器 Download PDF

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徐兆廷
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Abstract

本发明提供一种高效率静电微粒液相采样器，该采样器采用干式收集、湿式萃取的采样方式以避免采样误差。干式收集分为两阶收集微粒，第一阶以碳纤维束进行电晕放电，让气胶微粒带电，第二阶利用高电压圆杆‑接地圆柱间的电场，使带电微粒以静电力收着于接地的圆柱壁面；湿式萃取时，利用间歇性开启与关闭的电磁阀，将去离子水以脉冲方式注入采样器冲洗圆柱壁面上收集的气胶成为液体样本，并进行后续气胶液体样本的手动或自动的化学分析。

Description

可防止采样误差的高效率静电微粒液相采样器
技术领域
本发明是关于一种采样设备，特别是关于一种应用干式收集、湿式萃洗的液相采样器。
背景技术
大气中PM2.5的质量及化学成份会随着气象及污染源的变化而产生变动，以往PM2.5的成分监测是以手动采样分析，其通常只能显示日平均浓度，无法有效掌握PM2.5化学成分的逐时变化。
现有的自动监测仪器包括微粒-液体收集器PILS(particle-into-liquidsampler)、以及由蒸气喷射-气胶收集器SJAC(steam jet aerosol collector)制成的气胶及气体监测系统MAGRA、大气离子监测系统AIM及在线式气体与气胶监测仪IGAC等仪器，但这些仪器因使用高温蒸气，致使前驱气体(NH3、SO2)与水溶性离子(Na+、NH4 +、Cl-、NO3 -、SO4 2-)的量测值低估。
另一方面，中国台湾TW I551851号发明专利公开了一种半干式静电旋风采样器，其主要特点在于利用电晕放电原理使微粒带电并进行干式收集，停止放电后再注水清洗收集壁面进行湿式冲洗。然而，由于其电晕放电时的接地端同时也是微粒的主要收集壁面，因此在干式收集时，随着微粒逐渐累积在收集壁面上，会导致电晕放电的电阻增加、电流下降，进而导致收集效率降低。除此之外，中国台湾TW I551851是采用切向进气，引导气胶在腔室内螺旋流动，使得微粒有可能撞击腔室中央的放电电极，或附着于非收集壁面的其它表面，造成采样误差。
为了确保较高的收集效率，中国台湾TW I551851所公开的半干式静电旋风采样器通常需在较高的工作电压进行采样，然而易因此导致臭氧浓度较高，致使NH4 +与NO3 -的背景浓度提高，于后续离子分析时造成采样误差。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种能兼具高收集效率及低采样误差的微粒采样器。
为了达成上述及其它目的，本发明提供一种可防止采样误差的高效率静电微粒液相采样器，其包括一本体、一放电电极及一导电圆杆，该本体具有一位于其顶端的气胶进口、一位于其底端的气胶出口、一位于其底端的出水口、一圆柱壁面及至少一注水口形成于该圆柱壁面，该圆柱壁面围构一微粒充电区连通于该气胶进口及一微粒收集区连通于该气胶出口，该注水口连通于该微粒充电区，该微粒收集区连通于该微粒充电区并位于该微粒充电区的下游端，该圆柱壁面由导电材质制成，该放电电极设于该微粒充电区内且位于该气胶进口下方，该放电电极具有至少一用于电晕放电的碳纤维束，该碳纤维束具有多个长条状碳纤维，该导电圆杆设于微粒收集区内，并用以在导电圆杆与圆柱壁面之间形成一电场而使带电微粒吸附于圆柱壁面；其中，注水口是用以在放电电极停止电晕放电后，利用电磁阀间歇性的开启与关闭以脉冲方式注入去离子水冲洗吸附于圆柱壁面上的微粒，所述出水口则用以将所述去离子水加以采样；其中，所述放电电极及导电圆杆工作时的臭氧产生量低于100ppb。
本发明通过将本体区分为微粒充电区及微粒收集区，使得至少一部份微粒可由微粒收集区加以收集，这样的设计允许放电电极以较低的工作电压进行电晕放电，从而减少臭氧产生量以及由臭氧衍生的NH4 +与NO3 -背景浓度，采样误差因此可得降低。
有关本发明的其它功效及实施例的详细内容，配合图式说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本申请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申请中记载的一些实施例，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它的附图。
图1为本发明其中一实施例的纵向剖面示意图；
图2为本发明其中一实施例的放电电极的立体示意图；
图3为本发明其中一实施例的横向剖面图，表现干式收集的工作状态；
图4为本发明其中一实施例的横向剖面图，表现湿式冲洗的工作状态。
符号说明
10本体 11气胶进口
12气胶出口 13出水口
14圆柱壁面 15注水口
16干净空气注气口 20放电电极
21铁块 22碳纤维束
30导电圆杆 31、32绝缘体
40绝缘壳体 Z1微粒充电区
Z2微粒收集区
具体实施方式
请参考图1至图4，所绘示者为本发明的高效率静电微粒液相采样器(以下简称采样器)的其中一实施例，该采样器具有一本体10、一放电电极20、一导电圆杆30以及一绝缘壳体40。
本体10是由导电材质制成，例如不锈钢，其具有一位于顶端的气胶进口11、一位于底端的气胶出口12、一同样位于底端的出水口13、一圆柱壁面14、若干形成于圆柱壁面14的注水口15及一同样形成于圆柱壁面14的干净空气注气口16。为了便于放电电极20及导电圆杆30的安装，圆柱壁面14可能由若干可拆分的部分组成，且圆柱壁面14围构一微粒充电区Z1及一微粒收集区Z2，微粒充电区Z1连通于气胶进口，微粒收集区Z2则与微粒充电区Z1连通并位于其下游端。工作时，圆柱壁面14通常会接地，使圆柱壁面14表面带有与放电电极20及导电圆杆30相反的极性。为了便于分别收集气体样本及液体样本，气胶出口12与出水口13并不直接连通，但两者均连通于微粒收集区Z2。本实施例中，本体10具有一排气管设于其底端，该排气管顶端高于出水口13，且气胶出口12是由排气管围构。注水口15及干净空气注气口16均连通于微粒充电区Z1，可供注入去离子水及高速冲洗气体；为了实现较好的冲洗效果，注水口15及干净空气注气口16可设计为在圆柱壁面14切线方向上同步注入去离子水及冲洗气体，使去离子水于圆柱壁面14上形成水膜，并沿着圆柱壁面14螺旋向下冲洗。所述去离子水可由注射帮浦(syringe pump)依时定量注射，并由电磁阀控制出水；注射帮浦注水时，电磁阀每关闭一段时间后短暂开启，让去离子水于注入微粒充电区Z1前可先蓄压，形成脉冲水流，进一步提高冲洗效果。在其它可能的实施例中，注水口也可改为仅有一个。
放电电极20设于微粒充电区Z1的中央，且位于气胶进口11下方。由于气胶进口11在轴向上导入气胶等待分析的气体，气胶在流经微粒充电区Z1及微粒收集区Z2时会大致在轴向上流动，使气胶中的微粒较不易因扰动的气流而撞击放电电极20或附着于圆柱壁面以外的位置。本实施例中，放电电极20具有一铁块21及若干碳纤维束22，碳纤维束22具有多个实质上平行排列的长条状碳纤维，且碳纤维束22与铁块21电连接。本实施例中，绝缘壳体40实质包覆铁块21，而可在气流方向上将放电电极20加以遮蔽，防止微粒附着。工作时，于放电电极20施加高压电，放电电极20与圆柱壁面14之间产生电场，使碳纤维束22电晕放电，从而在碳纤维束22与圆柱壁面14之间形成离子云，进而让通过微粒充电区Z1的微粒带电(例如带正电荷)。
导电圆杆30设于微粒收集区Z2的中央，且位于放电电极20下方。工作时，导电圆杆30同样被施以高压电，其电性与微粒所带电荷相同，且使圆柱壁面14带相异电性，带电微粒因而被吸附、收集在圆柱壁面14上。导电圆杆30所施予的电压通常不致使其电晕放电。较佳者，导电圆杆30顶、底端分别设有绝缘体31、32，减少导电圆杆顶、底端产生电场而干扰微粒收集。此外，为了将放电电极20及导电圆杆30设于本体内，可利用绝缘支撑体对两者提供支撑。
放电电极20与导电圆杆30分别经由不同的电源供应器供给高压电。可以理解的是，放电电极20所接受的电压应高于其电晕起使电压，使放电电极20能进行电晕放电；导电圆杆30所接受的电压则通常不高于其电晕起使电压，避免产生电晕。
如图3所示，当气胶依序流经微粒充电区Z1及微粒收集区Z2时，气胶中的微粒带电并吸附于接地而电性相异的圆柱壁面14。一段时间后，停止施加高压电予放电电极20与导电圆杆30，此时放电电极20不再电晕放电，而后如图4所示，去离子水可经由注水口15注入本体内，将吸附于圆柱壁面上的微粒冲洗下来，而后自出水口13采集水样，进行后续分析。
为了减少臭氧的产生量，放电电极20的电压不宜过高，在容许的采样误差范围内，放电电极20与导电圆杆30工作时的臭氧产生量应低于100ppb，从而降低NH4 +与NO3 -的生成浓度。在其中一项实验测试中，放电电极20的工作电压约为4000V，导电圆杆30的工作电压约为5000V，臭氧产生量约70-90ppb，纳米微粒收集效率可达92.4-98.6％，且NH4 +与NO3 -的生成浓度仅为4.2±1.65μg/m3与2.6±0.78μg/m3；该测试中，另参考中国台湾TW I551851第10图所示实施例的设计，制作样品作为对照组，经测试在达成相近的微粒收集效率(92-100％)的前提下，对照组的放电电极的工作电压需达9000V，致使对照组的NH4 +与NO3 -生成浓度分别高达46.8与143.7μg/m3，大幅增加采样误差。
在另一项离子回收率测试中，测试微粒分别为非挥发性微粒硫酸钠(Na2SO4)与硫酸氨((NH4)2SO4)与挥发性微粒硝酸铵(NH4NO3)，将其配置成1％(v/v,硫酸钠、硫酸氨、硝酸铵)水溶液，溶液经由定量雾化器(Atomizer Model 3076，TSI)雾化后，经充分干燥及静电中和后，进入静电筛分仪(EC)产生不同单径的微粒(70、90、110、130、150nm)，接着通过静电中和器将微粒电中性后，气胶再分别同时导入前述实施例的采样器与扫描式电动度分析仪(SMPS,Scanning Mobility Particle Sizer,TSI,Model 3934)，进行采样。采样结束后将SMPS数目浓度依照不同测试微粒的密度转换成质量浓度，再与前述实施例的采样器萃取水样IC分析后的离子浓度进行比对，并计算出各离子的回收率。测试后发现，前述实施例的采样器对于非挥发性微粒硫酸钠(Na2SO4)及硫酸铵((NH4)2SO4)与挥发性微粒硝酸铵(NH4NO3)的离子回收率均很高，Na+与SO4 2-的回收效率分别为93±10％(R2＝0.98)与88±4.5％(R2＝0.99)、NH4 +与SO4 2-的回收效率分别为105±18％(R2＝0.98)与92±5.6％(R2＝0.98)、NH4 +与NO3 -的回收率分别为103±15％(R2＝0.92)与96±8％(R2＝0.97)。
本发明的采样器与现有技术的PILS采样技术相较，在NH4 +及NO3 -的采样准确性与比对相关性皆较为优异。这是因为PILS在凝核的过程中，气胶与高温蒸气混合，使微粒表面温度上升，且微粒溶于水时呈酸性(pH＝5.6)，导致NH4 +的挥发达12-16％以上(Sorooshianet al.,2006,Li et al.,2017)，此外在NO3 -浓度低于2μg/m3时，因NO3 -的黏性较大容易附着于管壁上造成损失，导致PILS的准确性不佳(Orsini et al.,2003)。相对地，本发明的采样器应用静电力吸附微粒，可避免NH4 +因高温导致挥发的问题，实验结果证实NH4 +的比对误差小于10％；此外，本发明采样器的微粒损失相当低(14nm-4μm的微粒损失小于5％)，因此能有效地收集黏性较高的微粒，低浓度NO3 -的回收率经实验验证后，其准确性与比对的相关性皆优于PILS。
以上所述的实施例及/或实施方式，仅是用以说明实现本发明技术的较佳实施例及/或实施方式，并非对本发明技术的实施方式作任何形式上的限制，任何本领域技术人员，在不脱离本发明内容所公开的技术手段的范围，当可作些许的更动或修饰为其它等效的实施例，但仍应视为与本发明实质相同的技术或实施例。

Claims (6)

1.一种可防止采样误差的高效率静电微粒液相采样器，其特征在于，包括：
一本体，具有一位于其顶端的气胶进口、一位于其底端的气胶出口、一位于其底端的出水口、一圆柱壁面及至少一注水口形成于该圆柱壁面，该圆柱壁面围构一微粒充电区连通于该气胶进口及一微粒收集区连通于该气胶出口，该注水口连通于该微粒充电区，该微粒收集区与该微粒充电区连通并位于该微粒充电区的下游端，该圆柱壁面由导电材质制成；
一放电电极，设于该微粒充电区内且位于该气胶进口下方，该放电电极具有至少一用于电晕放电的碳纤维束，该碳纤维束具有多个长条状碳纤维；
一导电圆杆，设于该微粒收集区内，用以在导电圆杆与圆柱壁面之间形成一电场而使带电微粒吸附于该圆柱壁面；
其中，所述注水口是用以在放电电极停止电晕放电后，在本体内注入去离子水以冲洗吸附于圆柱壁面上的微粒，所述出水口是用以将所述去离子水加以采样；
其中，所述放电电极及导电圆杆工作时的臭氧产生量低于100ppb。
2.如权利要求1所述可防止采样误差的高效率静电微粒液相采样器，其特征在于，该本体更具有一干净空气注气口形成于该圆柱壁面并连通于该微粒充电区，该干净空气注气口是用以在注水口注水时一并注入高速气流，使所述去离子水于圆柱壁面上形成水膜并沿着该圆柱壁面螺旋向下流动。
3.如权利要求2所述可防止采样误差的高效率静电微粒液相采样器，其特征在于，所述注水口是在该圆柱壁面的切线方向上注入所述去离子水；所述干净空气注气口是在圆柱壁面的切线方向上注入所述高速气流。
4.如权利要求1所述可防止采样误差的高效率静电微粒液相采样器，其特征在于，该注水口是用一电磁阀间歇性的开启与关闭以注入脉冲水流。
5.如权利要求1所述可防止采样误差的高效率静电微粒液相采样器，其特征在于，导电圆杆的顶、底端分别以一绝缘体遮蔽。
6.如权利要求1所述可防止采样误差的高效率静电微粒液相采样器，其特征在于，更包括一绝缘壳体包覆于该放电电极的一部份，该碳纤维束自该绝缘壳体的底端朝下轴向延伸。
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