CN110018090B - 一种颗粒物化学组分测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种颗粒物化学组分测量系统及方法，属于环境监测技术领域，解决了现有技术中只能测量颗粒物的有机化学成分，不能测量颗粒物的无机化学成分，并且无法准确获得粒径小于50nm的颗粒物化学组成的问题。颗粒物化学组分测量系统，包括依次连接的荷电单元、富集单元、热解吸单元和检测单元；荷电单元包括荷电器，用来使颗粒物带电；富集单元通过电富集来富集带电的颗粒物。本发明实现了对粒径小于50nm的颗粒物化学组成的测定问题。

Description

一种颗粒物化学组分测量系统及方法

技术领域

本发明涉及环境监测技术领域，尤其涉及一种颗粒物化学组分测量系统及方法。

背景技术

大气细颗粒物(PM2.5)是造成霾污染的主要污染物，即使在重污染天，纳米颗粒物的数浓度仍占到总数浓度60％以上，对大气中纳米颗粒物(粒径小于50nm)在线监测和定量测量，是研究大气纳米颗粒物来源及其在大气中物理和化学变化过程的基础。

现有在线测量技术一般采用对颗粒物经过空气动力学透镜或毛细管进行浓缩，之后采用激光或加热等气化后进行检测，或先通过滤膜收集，之后采用加热气流进行蒸发，上述方法对粒径较大的颗粒物，如粒径大于100nm的颗粒物，浓缩效果好、检测结果准确，而对于粒径小于50nm的颗粒物无法浓缩、或者浓缩富集的浓度低，无法进行后续检测。

并且，现有的测量系统主要针对有机物，而对于无机物，尤其是对于粒径小于50nm的无机物，无法准确获得其化学成分。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种颗粒物化学组分测量系统及方法，至少可以解决以下技术问题之一：(1)现有系统通常只能测量颗粒物的有机化学成分，不能测量颗粒物的无机化学成分；(2)现有系统无法准确获得粒径小于50nm的颗粒物化学组成的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一方面，本发明公开了一种颗粒物化学组分测量系统，包括依次连接的荷电单元、富集单元、热解吸单元和检测单元；荷电单元包括荷电器，用来使颗粒物带电；富集单元通过电富集来富集带电的颗粒物。

在上述方案的基础上，本发明还做了如下改进：

进一步，富集单元包括移动杆、富集部和收集腔；富集部也带电，富集部所带电荷的电性与颗粒物所带电荷电性相反；移动杆的一端位于收集腔外，另一端与富集部连接，并置于收集腔内；收集腔设有第一出气口，第一出气口通过第一流量控制器与抽气装置连接，所述收集腔与所述荷电器连通。

进一步，所述颗粒物化学组分测量系统还包括保护单元，所述保护单元包括鞘气腔和用于向鞘气腔供气的第一气源，所述第一气源的出气口与所述鞘气腔的进气口连接，鞘气腔部分置于收集腔内，第一富集部置于鞘气腔外。

进一步，富集单元还包括用于使富集部带电的高压电源、用于使富集部上的颗粒物热解的解吸电源和切换开关，富集部与切换开关连接，富集部、高压电源和解吸电源均与切换开关连接，切换开关用于实现高压电源和解吸电源之间的切换。

进一步，荷电单元还包括用来筛选设定粒径颗粒的筛选器，筛选器设于荷电器和收集腔之间。

进一步，收集腔还设有第二出气口，第二出气口与颗粒物计数器连接。

进一步，热解吸单元包括解吸腔，解吸腔分别与收集腔和检测单元连通，富集部能够进入解吸腔。

进一步，解吸腔设有载气口，解吸单元还包括第二流量控制器和第二气源，第二流量控制器位于第二气源和载气口之间。

进一步，收集腔和解吸腔之间设有阀体。

另一方面，本发明还提供了一种颗粒物化学组分测量方法，包括以下步骤：

(1)颗粒物进入荷电器后带电；

(2)带电颗粒物进入富集单元电富集；

(3)富集的颗粒物热分解为气体；

(4)热分解得到的气体进入检测单元检测。

在上述方案的基础上，本发明还做了如下改进：

步骤(2)中，当颗粒物带正电时，高压电源采用负高压模式，使富集部带负电；当颗粒物带负电时，高压电源采用正高压模式，使富集部带正电。

本发明至少可实现如下有益效果之一：

(1)现有的测量系统一般只能针对有机颗粒物进行测量，而本申请通过设置荷电单元使无机颗粒物和有机颗粒物均带电，从而使得本发明的测量系统既能检测无机颗粒物，又能检测有机颗粒物。

(2)现有技术中通常使用膜采样来进行富集，膜采样的富集方式对不同粒径的颗粒一起富集，并且膜采样的富集方式对粒径小于50nm的颗粒富集效果差，本发明富集部所带电荷的电性与颗粒物所带电荷电性相反，使用的是带电气溶胶的电富集方式。与膜采样的富集方式相比，电富集方式对不同粒径级别的颗粒均具有非常好的富集效率。

(3)本发明的解吸电源可使富集部的加热温度高达1000℃，不仅可以使有机成分挥发或热解为气体，而且可以使无机成分挥发或热解为气体，从而使得本发明的测量系统既能检测无机成分，又能检测有机成分。

(4)通过设置载气口和第二气源，一方面，第二气源内的气体载着热解产生的气体进入检测单元检测，另一方面，第二气源内的气体进入解吸腔，形成气帘，阻止收集腔内未经热解的气体进入检测单元检测。

(5)本发明通过设置筛选器能够对特定粒径的颗粒物进行筛选，从而使得测量系统能够针对特定粒径的颗粒进行测量，而不是对不同粒径的颗粒一起测量，使得测量结果更具有针对性。

(6)本发明通过设置切换开关可以方便地实现高压电源和解吸电源之间的切换，从而便于实现富集部的电富集和热解吸之间的切换。

(7)通过设置电动马达，方便实现移动杆在收集腔和解吸腔之间的移动。

(8)通过设置阀体，方便实现收集腔和解吸腔的连通和断开。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书实施例以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例的颗粒物化学组分测量系统示意图。

附图标记：

1-移动杆；2-电动马达；3-富集部；4-鞘气腔；5-收集腔；6-第一出气口；7-高压电源；8-解吸电源；9-切换开关；10-荷电器；11-筛选器；12-颗粒物计数器；13-阀体；14-检测器；15-解吸腔；16-第一气源；17-控制器；18-抽气泵；19-进气口；20-载气口；21-第三流量控制器；22-第一流量控制器；23-第二流量控制器；24-第二气源；25-第二出气口。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

实施例一

本发明的一个具体实施例，公开了一种颗粒物化学组分测量系统，如图1所示，包括依次连接的荷电单元、富集单元、热解吸单元和检测器14。荷电单元包括荷电器10，用来使颗粒物带电。示例性地，本实施例荷电器10的放电源可以为放射性源、X软射线源、电晕放电源、电喷雾电离源或介质阻挡放电。富集单元通过电富集来富集带电的颗粒物。

实施时，大气中的颗粒物经过荷电器后带电，带电颗粒物进入富集单元富集，富集到一定量之后，被富集的颗粒物进入热解吸单元挥发或热分解为气体，气体进入检测单元进行检测。

具体来说，本实施例的富集单元包括移动杆1、富集部3、收集腔5、高压电源7、解吸电源8和切换开关9。

移动杆1的一端位于收集腔5外，另一端与富集部3连接，并置于收集腔5内。示例性地，本实施例的移动杆1采用直杆或螺纹杆，移动杆1的材质可以采用但不限于不锈钢、有机玻璃、玻璃、陶瓷、聚四氟乙烯、塑料等，长度为1毫米至3米，直径为1厘米至1米。

本实施例的富集部3采用导电可加热材料，可以采用但不限于钽丝、铂金丝、钨丝、镍铬合金丝、铁铬铝丝、铜镍合金丝等。富集部3通过导电线与切换开关9相连，同时保证与移动杆1绝缘。

收集腔5的材料可以采用但不限于不锈钢、有机玻璃、玻璃、陶瓷、聚四氟乙烯、塑料等，长度为1毫米至3米，直径为1厘米至3米。

高压电源7用来使富集部带电，包括正高压模式和负高压模式。当颗粒物带正电时，高压电源7采用负高压模式，使富集部3带负电，从而富集带正电的颗粒物；当颗粒物带负电时，高压电源7采用正高压模式，使富集部3带正电，从而富集带负电的颗粒物。示例性地，高压电源7可以采用但不限于线性直流电源和开关直流电源，电压范围为-20000～20000V。其与切换开关9相连。

解吸电源8用来加热富集部3，使富集部3上富集的颗粒物挥发为气体或者热分解为气体。本实施例的解吸电源8可以采用直流或交流电源，通过加热使富集部3的温度高达1000℃，如此高的温度不仅可以使有机颗粒物挥发或热解为气体，而且可以使无机颗粒物挥发或热解为气体，从而使得本发明的测量系统既能检测无机成分，又能检测有机成分。

与现有技术相比，本实施例的测量系统具有下列有益效果：

首先，本实施例提供的颗粒物化学组分测量系统采用的是电富集的方式，现有技术中通常使用膜采样来进行富集，膜采样的富集方式对不同粒径的颗粒一起富集，并且膜采样的富集方式对粒径小于50nm的颗粒富集效果差。而电富集的方式能够对不同粒径级别的颗粒均具有非常好的富集效率。

其次，现有的测量系统一般只能针对有机颗粒物进行测量，而本申请通过设置荷电单元使无机颗粒物和有机颗粒物均带电，从而使得本发明的测量系统既能检测无机颗粒物，又能检测有机颗粒物。

为了实现对特定粒径的颗粒物的筛选，本实施例在荷电器10和收集腔5之间设有用来筛选特定粒径颗粒的筛选器11。通过设置筛选器11，使得具有特定粒径的颗粒物进入富集单元富集，进而进入检测单元检测，而不是所有粒径级别的颗粒物均进行富集、检测，使得测量结果更具有针对性，更有利于研究大气纳米颗粒物来源及其在大气中物理和化学变化过程。

需要说明的是，为了加快待测颗粒物从筛选器进入收集腔，本实施例的富集单元还包括抽气泵18，抽气泵18与收集腔5上的第一出气口6连接。为了便于监测采样流量，在抽气泵18与第一出气口6之间设有第一流量控制器22。本实施例的抽气泵18可以采用但不限于转子泵、齿轮泵、滑片泵、螺杆泵、隔膜泵、罗茨泵、油泵、分子泵等，其与第一流量控制器22连接，用于控制收集腔5中的气体流速以及真空度。

考虑到随着富集的进行，富集部3的富集能力会降低，为了及时获知富集部的富集能力，本实施例的富集单元还包括颗粒物计数器12，该颗粒物计数器12与收集腔5上的第二出气口25连接。通过设计颗粒物计数器12来量化颗粒物富集效率，从而间接反映富集部的富集能力。示例性地，本实施例的颗粒物计数器12可以采用但不限于凝聚颗粒物计数器(CPC)、空气动力学颗粒物数谱仪(APS)以及颗粒物光学计数器(OPC)。

本实施例的热解吸单元包括解吸腔15，解吸腔15分别与收集腔5和检测器14连通，富集部3能够进入解吸腔15。

为了使挥发或热分解的气体顺利进入检测器14，本实施例的解吸腔15设有载气口20，第二气源24内的气体通过载气口20进入解吸腔15。第二气源24内的气体作用有两个，一是载着热解产生的气体进入检测单元检测，二是第二气源24内的气体进入解吸腔，形成气帘，阻止收集腔内未经热解的气体进入检测单元检测，不仅提高了检测精度，而且降低了检测负荷。示例性地，解吸腔可以采用但不限于不锈钢、有机玻璃、玻璃、陶瓷、聚四氟乙烯、塑料等，长度为1毫米至1米，直径为0.2厘米至2米；其后连接检测器14。同时其两侧接有载气口20，用于连接第二流量控制器23和第二气源24，用于载带热解吸后的纳米颗粒物成分进入检测器14。检测器14可以采用但不限于质谱(例如电子轰击质谱、化学电离质谱、电喷雾质谱等)、红外、拉曼、紫外可见吸收、气相色谱等检测设备。

需要说明的是，本实施例的第一、第二和第三流量控制器的流量为0.001～600L/min，流量控制器可以采用但不限于质量流量计、浮子流量计、限流孔等。第二气源24和第一气源16可以采用但不限于高压气瓶(例如氮气、氦气、氧气、氩气、二氧化碳等)、空压机，出气口气压为0.01～10MPa。

为了方便实现移动杆1在收集腔5和解吸腔15之间的移动，本实施例的测量系统还包括电动马达2，电动马达2与移动杆1连接，用于控制移动杆在收集腔5中的位置，同时也可以采用手动模式控制移动杆的位置。示例性地，电动马达可以采用步进电机、伺服电机或普通电机。

考虑到富集过程中，需要收集腔和解吸腔不连通，而解吸过程中，需要收集腔和解吸腔连通，以便富集部进入解吸腔热分解，因此，本实施例在收集腔5和解吸腔15之间设有阀体13，通过阀体13的开启和关闭来实现收集腔和解吸腔的连通和断开。示例性地，本实施例的阀体13可以采用但不限于旋塞阀、闸板阀、蝶阀、柱塞阀等，其通过直径为1厘米至1米。

需要说明的是，本发明富集部的作用是富集颗粒物，但富集过程中，除颗粒物外的气体会不可避免的富集在富集部上，因此，本实施例的测量系统还设置有保护单元，该保护单元包括鞘气腔4、第三流量控制器21和第一气源16，第一气源16内的气体经过第三流量控制器21通过鞘气腔4上的进气口19进入鞘气腔4，鞘气腔部分置于收集腔内，富集部置于鞘气腔外。通过上述设计，使保护单元的气体进入鞘气腔来吹走富集部附近样品中的气体，减少或避免样品中的气体富集在富集部，从而提高了富集部对颗粒物的富集效率以及所富集的颗粒物的纯度。

本实施例的鞘气腔可以采用但不限于不锈钢、有机玻璃、玻璃、陶瓷、聚四氟乙烯、塑料等，长度为1毫米至1米，直径为0.2厘米至2米；其通过进气口19与第三流量控制器21相连，通过第一气源16进行供气。

本实施例中的电动马达2、高压电源7、解吸电源8、切换开关9均分别与控制器17连接，通过控制器17控制上述部件的工作状态。

实施例二

考虑到颗粒物可能一部分带正电，另一部分带负电，而一个高压电源只能采用正高压模式或负高压模式，不能同时采用正、负高压两种模式，因此，富集部只能富集带正电颗粒或带负电颗粒，不能同时富集带正电颗粒和带负电颗粒。基于上述考虑，本实施例的高压电源和富集部的数量均为两个，每个富集部分别连接一个高压电源，且两个高压电源采用不同的高压模式，因此两个富集部可以分别富集不同带电类型的颗粒物，从而提高了富集部的富集效率。优选地，高压电源和富集部的数量也可以均为两个以上，并且二者一一对应。

考虑到抽气泵从收集腔抽出的气体中不可避免的会有未被富集的颗粒，因此，本实施例在抽气泵之后还设有用来回收未被富集的颗粒物的回收装置，并且，该回收装置与收集腔5连通，使得未被富集的颗粒物仍能够进入收集腔5被富集。上述设计，一方面避免了未被富集的颗粒物排入空气中污染环境，另一方面颗粒物经过荷电器后带电，如果未被富集排放，也会造成浪费。

实施例三

本发明的另一个具体实施例，公开了一种颗粒物化学组分测量方法，包括以下步骤：

(1)颗粒物进入荷电器后带电；

(2)带电颗粒物进入富集单元电富集；

(3)富集的颗粒物热分解为气体；

(4)热分解得到的气体进入检测单元检测。

具体过程如下：

经采样器采样后的颗粒物进入颗粒物荷电器10，进一步通过颗粒物筛选器11进行粒径筛选，特定粒径的纳米颗粒物进入收集腔5中。同时第一气源16中的气体通过第三流量控制器21的控制经过进气口19进入收集腔5。

通过电动马达2或手动控制，移动杆1处于左侧位置，使得富集部3接近鞘气腔4的右侧，同时切换开关9处于高压电源7接通状态，富集部3直接与高压电源7进行连通。收集带负电纳米颗粒物时，高压电源7采用正高压模式；收集带正电纳米颗粒物时，高压电源7采用负高压模式。收集过程中通过抽气泵18与第一流量控制器22控制采样流量，同时采用颗粒物计数器12量化颗粒物富集效率。

富集部3富集一定量的纳米颗粒物后，切换开关9切换解吸电源8，使解吸电源8与富集部3连通，通过电动马达2或手动模式将移动杆1向右移动。同时阀体13开启，移动位置为富集部3进入解吸腔15中。此时第二气源24通过第二流量控制器23向解吸腔15中提供无颗粒物的洁净气体，同时解吸电源8开启，使得富集部3上富集的颗粒物热解进入气相。通过检测器14对颗粒物的化学成分进行检测。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种颗粒物化学组分测量系统，其特征在于，包括依次连接的荷电单元、富集单元、热解吸单元和检测单元；

所述荷电单元包括荷电器，用来使颗粒物带电；

所述富集单元通过电富集来富集带电的颗粒物；

所述富集单元包括移动杆、富集部和收集腔；

所述富集部也带电，所述富集部所带电荷的电性与颗粒物所带电荷电性相反；

所述移动杆的一端位于所述收集腔外，另一端与所述富集部连接，并置于所述收集腔内；

所述收集腔设有第一出气口，所述第一出气口通过第一流量控制器与抽气装置连接，所述收集腔与所述荷电器连通；

所述富集单元还包括用于使所述富集部带电的高压电源、用于使所述富集部上的颗粒物热解的解吸电源和切换开关，所述富集部、所述高压电源和所述解吸电源均与所述切换开关连接，所述切换开关用于实现所述高压电源和所述解吸电源之间的切换；

所述解吸电源能够将所述富集部加热至1000℃；

所述高压电源和所述富集部的数量均为两个，每个富集部分别连接一个高压电源，且两个高压电源采用不同的高压模式，两个富集部分别富集不同带电类型的颗粒物；

所述抽气装置之后设有用来回收未被富集的颗粒物的回收装置，所述回收装置与所述收集腔连通。

2.根据权利要求1所述的颗粒物化学组分测量系统，其特征在于，所述颗粒物化学组分测量系统还包括保护单元，所述保护单元包括鞘气腔和用于向鞘气腔供气的第一气源，所述第一气源的出气口与所述鞘气腔的进气口连接，鞘气腔的一部分置于收集腔内，所述富集部置于鞘气腔外。

3.根据权利要求1所述的颗粒物化学组分测量系统，其特征在于，所述荷电单元还包括用来筛选设定粒径颗粒的筛选器，所述筛选器设于所述荷电器和所述收集腔之间。

4.根据权利要求1所述的颗粒物化学组分测量系统，其特征在于，所述收集腔还设有第二出气口，所述第二出气口与颗粒物计数器连接。

5.根据权利要求1所述的颗粒物化学组分测量系统，其特征在于，所述热解吸单元包括解吸腔，所述解吸腔分别与所述收集腔和所述检测单元连通，所述富集部能够进入所述解吸腔。

6.根据权利要求5所述的颗粒物化学组分测量系统，其特征在于，所述解吸腔设有载气口，所述解吸单元还包括第二流量控制器和第二气源，所述第二流量控制器位于所述第二气源和所述载气口之间。

7.根据权利要求5所述的颗粒物化学组分测量系统，其特征在于，所述收集腔和所述解吸腔之间设有阀体。

8.一种颗粒物化学组分测量方法，其特征在于，使用权利要求1-7任一项所述的测量系统，包括以下步骤：

(1)颗粒物进入荷电器后带电；

(2)带电颗粒物进入富集单元电富集；

(3)富集的颗粒物热分解为气体；

(4)热分解得到的气体进入检测单元检测。

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