CN109745927A - 一种用于气溶胶颗粒物表面包裹有机物的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本公开公开了一种用于气溶胶颗粒物表面包裹有机物的装置及方法，装置包括：恒温室，用于为有机物的蒸发提供恒定温度；瓶，包括瓶本体、第一管路和第二管路，瓶本体为顶部盖有瓶塞的封闭瓶体，第一管路的一端插入所述瓶本体内，并向瓶本体的底部延伸，另一端用于与气溶胶源连接；第二管路的一端与所述瓶本体的顶部连通，形成瓶的出口管路；所述瓶固定于所述恒温室内。有机物通过加热蒸发产生有机物蒸汽，有机物蒸汽遇到种子气溶胶颗粒物会发生凝结，均匀包裹于种子气溶胶的表面，从而形成被有机物包裹的气溶胶颗粒物。

Description

一种用于气溶胶颗粒物表面包裹有机物的装置及方法

技术领域

本公开属于二次气溶胶研究领域，具体涉及一种用于气溶胶颗粒物表面包裹有机物的装置及方法，用于将各种有机物包裹到气溶胶颗粒物表面，模拟有机物在气溶胶颗粒物表面的分布，以用于气溶胶表面化学反应的实验室研究。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

随着经济的高速发展，我国出现了城市和区域性大气颗粒物污染现象，有机气溶胶成为大气污染控制的关键污染物和控制的难点，迫切需要研究有机气溶胶的形成以及大气演化过程。大气气溶胶是分散在大气中的细微的液态或固态微粒，是一个主要的环境问题。大气中的气溶胶会降低大气能见度，吸收和反射太阳辐射而影响辐射收支平衡，与云相互作用从而直接或者间接的影响气候变化，另外对人类最直接的影响是气溶胶的健康效应。

气溶胶按其来源可以分为一次气溶胶(以颗粒物直接排放到大气中)和二次气溶胶(SOA，在大气中由一次污染物经化学转化而生成)。二次有机气溶胶(SOA)在全球天气和气候变化中起着重要的作用，是大气环境的主要污染物之一。SOA引发了一系列环境问题：形成烟雾，降低能见度；散射吸收太阳光，影响全球气温分布；影响云和降水过程从而影响全球气候变化。

种子气溶胶在SOA的生成过程中起着至关重要的作用。一方面，种子气溶胶为大气化学反应提供凝结表面，通过气、固两相的分配作用生成SOA。此外，种子气溶胶中的各组分还能与大气中其他有机物发生反应，改变大气痕量气体平衡和气溶胶的理化性质，对SOA的生成产生影响。同时，种子气溶胶自身的特性，也会影响生成SOA的整体理化性质。外场观测发现，大气中的气溶胶表面通常含有一层被有机物覆盖的表面，这其中包含了水溶液可溶性及不溶性有机物。这些物质可以在颗粒物的表面形成一层分子膜，从而改变了种子气溶胶的性质。被有机物包裹的大气气溶胶颗粒对大气化学及云微物理学有着重要的影响。这层有机物薄膜会抑制气溶胶颗粒物气相和颗粒相之间的质量传递，改变了种子气溶胶本身的性质，从而对SOA的生成产生一定的影响。此外，具有表面活性的有机分子也可包裹到种子气溶胶颗粒物的表面，形成反胶束结构，表面活性分子将亲水端朝向液相核芯而疏水长链指向大气，这一分子结构的形成对于研究界面化学反应具有重要的意义。

烟雾箱模拟实验被广泛应用于研究大气气溶胶的形成机制及其在大气中的转化、降解机制。发明人发现，在生成SOA的实验室模拟研究中，将种子气溶胶表面包裹一层有机物是实验进行中的一个难点。传统的实验中，将有机物和种子气溶胶同时通入烟雾箱反应器中，通过扩散作用混合生成有机物包裹的种子气溶胶，该方法无法使种子气溶胶与有机物充分混合，且在反应器中包裹有机物的颗粒物损失较大。而且通过该种有机物扩散法包裹的种子气溶胶粒径大小不一，不利于挑选出所需粒径范围的种子气溶胶颗粒。此外，对于半挥发及难挥发性性有机物来说，在烟雾箱反应器内，更难实现有机蒸汽与颗粒物的均匀混合。

发明内容

为了解决现有技术中存在的技术问题，本公开的目的是提供一种用于气溶胶颗粒物表面包裹有机物的装置及方法。

本公开的发明人通过对种子气溶胶及被包裹有机物的种子气溶胶的理化性质原理的研究发现，有机物通过加热蒸发产生有机物蒸汽，有机物蒸汽遇到种子气溶胶颗粒物会发生凝结，均匀包裹于种子气溶胶的表面，从而形成被有机物包裹的气溶胶颗粒物。

为了解决以上技术问题，本公开的技术方案为：

一方面，本公开提供了一种用于气溶胶颗粒物表面包裹有机物的装置，包括：

恒温室，用于为有机物的蒸发提供恒定温度；

瓶，包括瓶本体、第一管路和第二管路，瓶本体为顶部盖有瓶塞的封闭瓶体，第一管路的一端插入所述瓶本体内，并向瓶本体的底部延伸，另一端用于与气溶胶源连接；

第二管路的一端与所述瓶本体的顶部连通，形成瓶的出口管路；

所述瓶固定于所述恒温室内。

第二方面，本公开提供了一种用于气溶胶颗粒物表面包裹有机物的系统，包括：

气溶胶发生装置，用于产生所需的种子气溶胶气流；

上述用于气溶胶颗粒物表面包裹有机物的装置，通过所述第一管路与所述气溶胶发生装置连接；

所述第一管路上设置有阀门和/或流量计。

第三方面，本公开提供了一种用于气溶胶颗粒物表面包裹有机物的方法，包括如下步骤：

向瓶本体中加入所需包裹的有机物液体至设定液位，在恒定加热温度下产生有机物蒸汽，向瓶本体内有机物液体表面以上通入种子气溶胶气流，使种子气溶胶气流在瓶本体内自下向上流动，并从瓶本体的顶部流出，得到表面包裹有有机物的气溶胶颗粒物气流。

本公开的有益效果为：

恒温室控制瓶中的有机物液体的温度恒定，在瓶本体中产生的有机物的浓度一定，当种子气溶胶自瓶本体的底部向上运动过程中，一方面很容易与有机物混合均匀，由于种子气溶胶中的固体颗粒在瓶体内的停留时间基本相同，使得种子气溶胶的固体颗粒表面包覆的有机物层的厚度较为均匀；第二方面，可以通过控制种子气溶胶气流的流速和恒温室的温度，调节种子气溶胶的固体颗粒表面包覆的有机物层的厚度，以适应试验研究要求。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为本公开的实施例1的气溶胶颗粒物表面包裹装置的结构示意图；

图2为本公开的实施例2的气溶胶颗粒物表面包裹系统的整体结构示意图；

图3为1.5L/min流速下，在60℃，80℃，100℃温度下，将油酸有机蒸汽包裹到100nmNaCl种子气溶胶表面的粒径谱图；

图4为1.5L/min流速下，在60℃，80℃温度下，将油酸有机蒸汽包裹到120nm NaCl种子气溶胶表面的粒径谱图；

图5为不同流速下(0.8L/min，1.5L/min，3L/min)80℃温度时，油酸有机蒸汽包裹到100nm NaCl种子气溶胶表面的粒径谱图；

其中：1、瓶，2、置物架，3、加热装置，4、流量计，5、恒温室，6、开关，7、温度设置界面，8、排水口。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例1

如图1所示，一种用于气溶胶颗粒物表面包裹有机物的装置，包括：恒温室5，用于为有机物的蒸发提供恒定温度；以保证瓶内的有机物蒸汽的浓度一定，进而保证种子气溶胶的固体颗粒表面的有机物层的厚度。恒温室5的壳体外侧可以设置有开关6和温度设置界面7，用于调节恒温室5中的温度。

瓶1，包括瓶本体、第一管路和第二管路，瓶本体为顶部盖有瓶塞的封闭瓶体，第一管路的一端插入所述瓶本体内，并向瓶本体的底部延伸，第一管路的出口端与瓶本体出口的距离为20cm，另一端用于与气溶胶源连接；气溶胶源产生的气溶胶流体通入至瓶本体的底部，有机物液位以上，并自下向上流动，在流动过程中可与有机物蒸汽进行充分混合、反应，保证包裹有机物的气溶胶固体颗粒的粒径均匀程度。

第二管路的一端与所述瓶本体的顶部连通，形成瓶的出口管路；以使种子气溶胶基本完全流出，避免产生种子气溶胶流体的流动死角，以使种子气溶胶的固体颗粒表面的有机物层的厚度均匀性。

所述瓶1固定于所述恒温室5内。

具体的，所述恒温室5为水浴恒温室或油浴恒温室或电加热恒温室。在一个或多个实施例中，所述恒温室为水浴恒温室或油浴恒温室，两种加热方式均为液体加热，可以提高加热的均匀程度。且两种加热恒温室的内部结构可以相同，具体可以参照图1所示的结构：

恒温室5包括内壳体、外壳体、置物架2和加热装置3，内壳体和外壳体均为上端开口的筒状结构，内壳体套合于外壳体内部，内壳体内的底部设置所述置物架2，外壳体内的底部设置加热装置3，加热装置3位于内壳体的下方。内壳体中可以盛装水或油。

使水或油没过置物架2一定高度，如可以为7cm、10cm、15cm、20cm等，一方面保证对有机物进行充分加热，另一方面，对有机物蒸发的有机物蒸汽进行加热，保证种子气溶胶的固体颗粒包裹有机物时的温度恒定，当盛装水时，可以达到较低的加热温度，当盛装油时，可以达到较高的加热温度。

瓶1放置于置物架2上，为了提高瓶放置的稳定性，最好在置物架2上设置夹紧结构或具有一定深度的槽体，将瓶体放置于槽体中。

所述瓶1的形状和结构不限，最好为细高结构，以提供足够的高度，使种子气溶胶在瓶内有足够的停留时间。如图1中所示，在一个或多个实施例中，所述瓶1包括膨大段和恒径段，膨大段构成瓶的底部，形成有机物液体盛放室；恒径段的一端与膨大段连通，另一端设置开口，开口盖合瓶塞，瓶塞与第一管路和第二管路组合安装。

所述瓶1包括用于液体盛放的膨大段，膨大段可以提供较大的受热面积，以保证瓶内的有机物受热均匀。

所述膨大段的形状为球冠形或椭球冠形。恒径段的高度可以为15-30cm，如可以为15cm、20cm、25cm、30cm等。

为了实现油和水的互换，在内壳体上设置有排液管，排液管上设置阀门。

所述加热装置为电加热，如电加热丝等，或微波加热。在外壳体上设置有温度设置界面，调节加热功率，进而调节加热温度。

所述第一管路和第二管路为导电硅胶管。所述导电硅胶管可以减少静电荷的积聚，并最大限度地减少管壁的颗粒物损失。

实施例2

如图2所示，一种用于气溶胶颗粒物表面包裹有机物的系统，包括：

气溶胶发生装置(Model 3076,TSI,USA)，用于产生所需的气溶胶气流；

实施例1中所述用于气溶胶颗粒物表面包裹有机物的装置，通过所述第一管路与所述气溶胶发生装置连接；所述第一管路上设置有阀门，通过调节阀门的开度，可以调节气溶胶流体的流速和流量。恒温室5的下端设置排水口8，用以排放恒温室5中的水或油。

还可以在第一管路上设置流量计。流量计可以控制气溶胶流体流速，使得可以得到较好的包覆效果，得到目的气溶胶。流量计可以为卡门旋涡式空气流量计，热模式空气流量计或靶式流量计。

进一步的，所述第二管路与烟雾箱反应器的进口连接，烟雾箱反应器的出口与扫描电迁移率粒径谱仪连接。用于测试气溶胶固体颗粒表面的有机物包裹情况。包裹有机物的颗粒物气流难以直接检测，通入烟雾箱相当于提供一个缓冲区域，对包裹有机物的颗粒物进行收集，达到一定量的体积之后，便于检测。除此之外，烟雾箱反应器是反应装置，通入的气溶胶颗粒可以与烟雾箱中加入的氧化剂，挥发性有机物等进一步发生反应。

实施例3

一种用于气溶胶颗粒物表面包裹有机物的方法，包括如下步骤：

1)将需要包裹的有机物倒入瓶中，液面高度不超过40mm；

2)使用种子气溶胶发生器，产生一定量的符合实验要求的种子气溶胶。可以根据不同实验的需求，配制不同种类及不同浓度的种子气溶胶溶液；

3)将产生的种子气溶胶气流先经过质量流量计，根据实验的需求，控制气流的流速为200mL/min-3L/min，如可以为200mL/min、1L/min、2L/min、3L/min，再将流量控制的气流均匀的通入装置中；

4)根据实验的需求，对有机蒸汽包裹装置进行控温设置，选择合适的温度和液体环境；

5)种子气溶胶气流通入被控温瓶中，从进气口进入，在有机蒸汽蒸发瓶中充分与蒸发出来的有机蒸汽混合，使得有机蒸汽在种子气溶胶表明凝结，形成被有机蒸汽包裹的气溶胶颗粒物。

6)将制备好的包裹了有机蒸汽的气溶胶颗粒物通过扫描电迁移率粒径谱仪测试有机气溶胶包裹的情况及包裹厚度。

经实验发现，气溶胶流量越小，在种子气溶胶表面包裹的有机物涂层越厚。

在瓶中，有机物液面可控制在40mm以下，如可以为15mm、20mm、25mm、30mm、35mm，蒸发瓶中的气溶胶进气通道距离有机蒸汽蒸发瓶的瓶底约40mm，种子气溶胶颗粒物从通道进入瓶体，接近有机物液面，种子气溶胶气流从通路流出之后由下至上穿过瓶体，使种子气溶胶与有机蒸汽蒸发瓶中的有机蒸汽充分接触，也为有机蒸汽在种子气溶胶表面的凝结提供充足的时间。

有机物蒸发系统配有控温装置，通过加热装置实现温度控制。有机蒸气蒸发瓶处于液体环境之中，使其受热均匀；液体环境可选用水浴或者甘油浴，当加热温度小于100℃时候，使用水浴对有机蒸气蒸发瓶进行加热；当所需加热的有机物对温度要求较高，超过100℃的时候，选用甘油浴达到所需的温度，使有机蒸汽充分蒸发。

用于包裹的有机物可以为油酸，硬脂酸，棕榈油酸，棕榈酸等挥发性较低的液体有机物。

案例1

配制0.06M氯化钠(NaCl)溶液作为种子气溶胶溶液，用来生成种子气溶胶。用种子气溶胶发生器产生种子气溶胶气流。将种子气溶胶发生器生成的多分散的粒径范围在1000nm以内的种子气溶胶经过差分电迁移率分析仪实现单分散转化，同时将种子气溶胶进行粒径筛选，设定仪器参数筛选粒径为100nm的种子气溶胶，将产生的种子气溶胶气流通过质量流量计控制进入有机物包裹装置的气流。在有机蒸汽蒸发瓶中放入20mm高的油酸溶液，作为有机蒸汽的来源。实验中，设定进入有机蒸汽包裹装置的种子气溶胶流量为1.5L/min，设定有机蒸汽包裹装置的温度分别为60℃，80℃，100℃，待种子气溶胶气流通过有机蒸汽包裹装置之后，将生成的实现有机蒸汽包裹的气溶胶颗粒物通入烟雾箱反应器中，随后用扫描电迁移率粒径谱仪测试气溶胶颗粒物的粒径谱，检测有机蒸汽包裹的厚度。

如图3所示，当进入有机蒸汽包裹装置的种子气溶胶流量为1.5L/min的时候，60℃温度下，包裹作用使得种子气溶胶颗粒物粒径由100nm增长到102nm；当温度增高到80℃时，种子气溶胶颗粒物的粒径增长到113nm，包裹厚度为6.5nm；继续升高温度，使有机蒸气蒸发瓶处于100℃的条件下，可以使种子气溶胶颗粒物的粒径有更为明显的增长，粒径可由100nm增长到121nm，有机物包裹厚度为10.5nm。通过对比不同温度下，种子气溶胶颗粒物表面包裹的有机物涂层的厚度可以发现，随着包裹温度的增高，在种子气溶胶颗粒物表面包裹的有机物涂层越厚。

为了进一步描述有机蒸汽包裹装置的效果，我们进行了重复实验。当气溶胶发生器生成种子气溶胶之后，用差分电迁移率分析仪筛选粒径为120nm的种子气溶胶颗粒物，流量控制后(1.5L/min)通入有机蒸汽包裹装置，在有机蒸汽蒸发瓶中放入20mm高的油酸溶液，作为有机蒸汽的来源，装置设置温度分别为60℃和80℃，随后将生成的实现有机蒸汽包裹的气溶胶颗粒物通入烟雾箱反应器中，用扫描电迁移率粒径谱仪测试气溶胶颗粒物的粒径谱，检测有机蒸汽包裹的厚度。

如图4所示，粒径为120nm的种子气溶胶颗粒物，以1.5L/min的流速通入有机蒸汽包裹装置中，当温度设定在60℃时，粒径增长至126nm，包裹厚度为3nm；当包裹温度为80℃时，被有机蒸汽包裹的气溶胶颗粒物粒径为151nm，包裹厚度为15.5nm；重复实验同样印证了所述气溶胶颗粒物白果包裹有机物的装置对种子气溶胶具有很好的包裹效果，且包裹厚度随包裹温度的升高而增大。

案例2

同样使用浓度为0.06M氯化钠(NaCl)溶液作为种子气溶胶溶液，将其放置于种子气溶胶发生器中，产生种子气溶胶气流。将生成的多分散的粒径范围在1000nm以内的种子气溶胶经过差分电迁移率分析仪实现单分散转化，同时将种子气溶胶进行粒径筛选，设定仪器参数筛选粒径为100nm的种子气溶胶，将产生的种子气溶胶气流通过质量流量计控制进入有机物包裹装置的气流。在有机蒸汽蒸发瓶中放入20mm高的油酸溶液，作为有机蒸汽的来源。实验中，设定进入有机蒸汽包裹装置的种子气溶胶流量分别为0.8L/min，1.5L/min和3L/min，设定有机蒸汽包裹装置的温度80℃，待种子气溶胶气流通过有机蒸汽包裹装置之后，将生成的实现有机蒸汽包裹的气溶胶颗粒物通入烟雾箱反应器中，随后用扫描电迁移率粒径谱仪测试气溶胶颗粒物的粒径谱，检测有机蒸汽包裹的厚度。

如图5所示，当进入有机蒸汽包裹装置的种子气溶胶流量为3L/min的时候，包裹作用使得种子气溶胶颗粒物粒径由100nm增长到102nm；当降低气溶胶气流的流速，设置流量为1.5L/min时，种子气溶胶颗粒物的粒径增长到113nm，包裹厚度为6.5nm；继续降低气溶胶气流的流速，设置流量为0.8L/min，使有机蒸气在蒸发瓶中的停留时间加大，可以使种子气溶胶颗粒物的粒径有更为明显的增长，粒径可由100nm增长到162nm，有机物包裹厚度为31.5nm。通过对比气溶胶流速条件下，种子气溶胶颗粒物表面包裹的有机物涂层的厚度可以发现，随着气溶胶气流流速的降低，种子气溶胶颗粒物表面包裹的有机物涂层逐渐变厚。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于气溶胶颗粒物表面包裹有机物的装置，其特征在于：包括：

恒温室，用于为有机物的蒸发提供恒定温度；

瓶，包括瓶本体、第一管路和第二管路，瓶本体为顶部盖有瓶塞的封闭瓶体，第一管路的一端插入所述瓶本体内，并向瓶本体的底部延伸，另一端用于与气溶胶源连接；

第二管路的一端与所述瓶本体的顶部连通，形成瓶的出口管路；

所述瓶固定于所述恒温室内。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述恒温室为水浴恒温室或油浴恒温室或电加热恒温室。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：恒温室包括内壳体、外壳体、置物架和加热装置，内壳体和外壳体均为上端开口的筒状结构，内壳体套合于外壳体内部，内壳体内的底部设置所述置物架，外壳体内的底部设置加热装置，加热装置位于内壳体的下方。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：置物架上设置夹紧结构或具有一定深度的槽体。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述瓶包括膨大段和恒径段，膨大段构成瓶的底部，形成有机物液体盛放室；恒径段的一端与膨大段连通，另一端设置开口，开口盖合瓶塞，瓶塞与第一管路和第二管路组合安装。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述膨大段的形状为球冠形或椭球冠形。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述第一管路和第二管路为导电硅胶管。

8.一种用于气溶胶颗粒物表面包裹有机物的系统，其特征在于：包括：

气溶胶发生装置，用于产生所需的种子气溶胶气流；

权利要求1-7任一所述用于气溶胶颗粒物表面包裹有机物的装置，通过所述第一管路与所述气溶胶发生装置连接；

所述第一管路上设置有阀门和/或流量计。

优选的，所述第二管路与烟雾箱反应器的进口连接，烟雾箱反应器的出口扫描电迁移率粒径谱仪连接。

9.一种用于气溶胶颗粒物表面包裹有机物的方法，其特征在于：包括如下步骤：

向瓶本体中加入所需包裹的有机物液体至设定液位，在恒定加热温度下产生有机物蒸汽，向瓶本体内有机物液体表面以上通入种子气溶胶气流，使种子气溶胶气流在瓶本体内自下向上流动，并从瓶本体的顶部流出，得到表面包裹有有机物的气溶胶颗粒物气流。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：有机物液体的液位小于40mm。