CN110044662B - 一种地气纳米微粒分离捕集装置及捕集方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种地气纳米微粒分离捕集装置及捕集方法，一种地气纳米微粒分离捕集装置,包括大口径地气纳米微粒采集器、电动调节阀门、纳米微粒过滤捕集器、硅胶管、真空气泵、控制器、鼓风机和螺旋空心钻；螺旋空心钻包括第一螺旋空心钻、第二螺旋空心钻和第三螺旋空心钻；一种地气纳米微粒分离捕集方法，包括以下步骤：S1：设备连接并埋置好后，打开控制器电源，真空气泵和鼓风机开始工作；S2：电动调节阀门的A管连通C管，将大口径地气纳米微粒采集器内部的废气排出，持续30秒；解决采样过程中受到大气颗粒物污染和经常捕集到大粒径微粒的问题。
Description
技术领域
本发明涉及纳米地球化学领域，特别是涉及一种地气纳米微粒分离捕集装置。
背景技术
纳米地球化学的任务之一是研究地球中金属纳米微粒的分布、分配、组合特征、迁移规律等，并利用物理化学方法富集提取纳米微粒并分析元素含量来反映并探测深部金属矿床。大量研究已表明，地表地气中的纳米金属微粒与深部金属矿产密切相关。因此开展地气纳米地球化学研究对于矿产勘查的理论研究意义和实际应用价值。如何有效地从地气介质中分离出纳米微粒并捕集到用于电镜观测的载网上是开展纳米地球化学研究的前提和技术难点。
在地气纳米微粒分离捕集方法的研制过程中经过了多次技术发展，最早的方法是用螺旋取样钻，连接微粒过滤器、纳米微粒捕集器以及真空泵，将螺旋取样钻钻入土壤中，通过真空泵将土壤里面气体抽到纳米微粒捕集器，并被其中的载网所捕获。近几年又用钻进与抽气一体式取样钻取代了螺旋取样钻。但都避免不了抽气作用范围太小，气体流量低，纳米微粒捕集效率低的缺点，极大地影响了实验效果。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种地气纳米微粒分离捕集装置，解决了解决采样过程中受到大气颗粒物污染和经常捕集到大粒径微粒的问题。
本发明采用的技术方案是：一种地气纳米微粒分离捕集装置,包括大口径地气纳米微粒采集器、电动调节阀门、纳米微粒过滤捕集器、硅胶管、真空气泵、控制器、鼓风机和螺旋空心钻；螺旋空心钻包括第一螺旋空心钻、第二螺旋空心钻和第三螺旋空心钻；大口径地气纳米微粒采集器通过硅胶管连通电动调节阀门，电动调节阀门通过硅胶管分别连通纳米微粒过滤捕集器的一端和纳米微粒过滤捕集器另一端，纳米微粒过滤捕集器另一端通过硅胶管连通真空气泵，真空气泵、电动调节阀门和鼓风机通过控制器电性连接，鼓风机通过硅胶管分别连通第一螺旋空心钻、第二螺旋空心钻和第三螺旋空心钻。
优选地，纳米微粒过滤捕集器包括过滤套筒、大双层硅胶圈、微孔滤膜、套筒螺纹密封接头、小双层硅胶圈、载网、载网固定装置和载网套筒；微孔滤膜通过大双层硅胶圈固定在过滤套筒内，过滤套筒连接到套筒螺纹密封接头一侧，载网固定装置通过小双层硅胶圈固定在载网套筒内，载网套筒连接到套筒螺纹密封接头另一侧，载网设置于载网固定装置内。
优选地，微孔滤膜的孔径为1微米，载网为透射电镜观测载样铝网或钼网。
优选地，真空气泵用于产生负压，实现气体和气体携带的土壤气体中的微粒，从大口径地气纳米微粒采集器到电动调节阀门再到纳米微粒过滤捕集器的运动过程。
优选地，第一螺旋空心钻、第二螺旋空心钻和第三螺旋空心钻的结构是一样的，螺旋空心钻用于促使该装置附近的地气流通，从而提高采集地气中的纳米微粒的效率。
优选地，载网固定装置用于固定捕集纳米微粒的载网。
优选地，电动调节阀门包括A管、B管和C管；A管连通C管用于排气，A管连通B管，B管连接纳米微粒过滤捕集器3；电动调节阀门用于排除采样初始阶段大口径地气纳米微粒采集器中的大气，从而避免受到大气颗粒物污染的影响。
优选地，控制器包采集电路，采集电路包括单片机、采样芯片、电阻、运放、电容和电源；采样芯片的型号为AD9220AR，单片机的型号为MCS51，采样芯片的第6引脚连接单片机P0.8引脚，采样芯片的第7引脚连接单片机的P0.7引脚，采样芯片的第8引脚连接单片机P0.6引脚，采样芯片的第9引脚连接单片机P0.5引脚，采样芯片的第10引脚连接单片机P0.4引脚，采样芯片的第11引脚连接单片机的P0.3引脚，采样芯片的第12引脚连接单片机的P0.2引脚，采样芯片的第13引脚连接单片机的P0.1引脚，采样芯片的第17引脚和第19引脚连接地，采样芯片的第23引脚连接电阻R2的一端，电阻R2的另一端分别连接运算放大器的第6引脚和运算放大器的第2引脚，采样芯片的第24引脚连接电阻R2的一端，电阻R2的另一端分别连接接地电容C2、接地电容C1和采样芯片的第18引脚，采样芯片的第15引脚连接接地电容C3，采样芯片的第15引脚和第26引脚连接5V电源，采样芯片的第16引脚和第25引脚均接地，采样芯片的第28引脚连接电源，采样芯片的第20引脚分别连接电容C4的一端、电容C5的一端和接地电容C6，采样芯片的第21引脚分别连接电容C4的另一端、C5的另一端和接地电容C7，采样芯片的第27引脚连接地；控制器电性连接真空气泵、电动调节阀门和鼓风机，用于控制电动调节阀门转换，同时控制真空气泵和鼓风机的工作时间。
优选地，一种采用地气纳米微粒分离捕集装置的捕集方法，包括以下步骤：
S1：设备连接并埋置好后，打开控制器电源，真空气泵和鼓风机开始工作；
S2：电动调节阀门的A管连通C管，将大口径地气纳米微粒采集器里面的废气排出，持续30秒；
S3：30秒后，控制器自动调节电动调节阀门，使A管连接B管，持续5分钟；
S4：在此过程中携带微粒的气体通过导管到达纳米微粒过滤捕集器，气体中大于1微米的微粒被滤膜过滤，小于1微米的纳米微粒吸附至载网上；
S5：剩余气体由真空气泵排入大气；
S6：到达5分钟时，控制器自动调节电动调节阀门，使A管连通C管，真空气泵和鼓风机停止工作。
本发明地气纳米微粒分离捕集装置及捕集方法的有益效果如下：
1.利用大口径地气纳米微粒采集器和电动调节阀门可以避免大气颗粒物的污染，同时提高纳米微粒采集效率。
2.通过1微米微孔滤膜实现将采集到地气取样器中的微粒分级截流，使小于1微米的微粒能到达并附着于纳米微粒分离捕集器里的载网上。
3.整个分离捕集过程在密闭系统中自动完成，避免了污染样品。
4.新增的鼓风器可以促进土壤中的地气循环，调高样品采集效率。
5.增加了控制器，可以实现样品自动采集。
附图说明
图1为本发明一种地气纳米微粒分离捕集装置及捕集方法的结构图。
图2为本发明一种地气纳米微粒分离捕集装置及捕集方法的电动调节阀门图。
图3为本发明一种地气纳米微粒分离捕集装置及捕集方法的纳米过滤捕集器图。
图4为本发明一种地气纳米微粒分离捕集装置及捕集方法的气体采集电路图。
附图标记：1-大口径地气纳米微粒采集器、2-电动调节阀门、3-纳米微粒过滤捕集器、4-硅胶管、5-真空气泵、6-鼓风机、7-螺旋空心钻、7-1-第一螺旋空心钻、7-2-第二螺旋空心钻、7-3-第三螺旋空心钻、8-控制器、9-过滤套筒、10-大双层硅胶圈、11-微孔滤膜、12-套筒螺纹密封接头、13-小双层硅胶圈、14-载网固定装置、15-载网、16-载网套筒。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，一种地气纳米微粒分离捕集装置,包括大口径地气纳米微粒采集器1、电动调节阀门2、纳米微粒过滤捕集器3、硅胶管4、真空气泵5、控制器、鼓风机6、螺旋空心钻7和控制器8；螺旋空心钻7包括第一螺旋空心钻7-1、第二螺旋空心钻7-2和第三螺旋空心钻7-3；大口径地气纳米微粒采集器1通过硅胶管4连通电动调节阀门2，电动调节阀门2通过硅胶管4分别连通纳米微粒过滤捕集器3的一端和纳米微粒过滤捕集器3另一端，纳米微粒过滤捕集器3另一端通过硅胶管4连通真空气泵5，真空气泵5、电动调节阀门2和鼓风机6通过控制器8电性连接，鼓风机6通过硅胶管4分别连通第一螺旋空心钻7-1、第二螺旋空心钻7-2和第三螺旋空心钻7-3。
如图3所示，纳米微粒过滤捕集器3包括过滤套筒9、大双层硅胶圈10、微孔滤膜11、套筒螺纹密封接头12、小双层硅胶圈13、载网固定装置14、载网15和载网套筒16；微孔滤膜11通过大双层硅胶圈10固定在过滤套筒9内，过滤套筒9连接到套筒螺纹密封接头12一侧，载网固定装置14通过小双层硅胶圈13固定在载网套筒16内，载网套筒16连接到套筒螺纹密封接头12另一侧，载网15设置于载网固定装置14内。
本实施方案的微孔滤膜11的孔径为1微米，载网15为透射电镜观测载样铝网或钼网。
本实施方案的真空气泵5用于实现气体和气体携带的土壤气体中的微粒，从大口径地气纳米微粒采集器1到电动调节阀门2再到纳米微粒过滤捕集器3的运动过程。
本实施方案的第一螺旋空心钻7-1、第二螺旋空心钻7-2和第三螺旋空心钻7-3的结构是一样的，螺旋空心钻7用于促使该装置附近的地气流通，从而提高采集地气中的纳米微粒的效率。
本实施方案的载网固定装置14用于固定捕集纳米微粒的载网15。
如图2所示，本实施方案的电动调节阀门2包括A管、B管和C管；A管连通C管用于排气，A管连通B管，B管连接纳米微粒过滤捕集器3；电动调节阀门2用于排除采样初始阶段大口径地气纳米微粒采集器中的大气，从而避免受到大气颗粒物污染的影响。
本实施方案在实施时，大口径地气纳米微粒采集器1放置于挖好的40cm左右深的土壤坑内，后用土壤填埋密封，用硅胶管4连接带孔密封盖气孔和电动调节阀门2，如图2所示，A管连通C管为排气，A管连通B管，B管连接纳米微粒过滤捕集器3，最后再通过硅胶管4连接真空气泵5，在采样初始阶段，打开控制器，通过电动调节阀门2排掉大口径地气纳米微粒采集器1中所含的大气，大口径地气纳米微粒采集器1，埋置于土壤深坑后，可以隔绝大气与地气的交换，由于口径大，可大幅提高纳米微粒的采集效率，在取样点1-2m的范围内增设鼓风机6，鼓风机6连接3个螺旋空心钻7，通过给土壤中注气的方式增强土壤中地气的流动，小双层硅胶圈12和载网固定装置13固定用于电镜观测载网，载网15可吸附小于1微米的纳米微粒，装置中的真空气泵5，通过硅胶管4连接纳米微粒过滤捕集器3，产生负压，实现气体和气体携带的土壤气体中的微粒，从大口径地气纳米微粒采集器1到排气和采集电动调节阀门2再到纳米微粒过滤捕集器3的运动过程，从而实现高效分离捕集土壤中1微米纳米微粒的目的。
本实施方案的控制器包括采集电路，如图4所示，采集电路包括单片机、采样芯片、电阻、运放、电容和电源；采样芯片的型号为AD9220AR，单片机的型号为MCS51，采样芯片的第6引脚连接单片机P0.8引脚，采样芯片的第7引脚连接单片机的P0.7引脚，采样芯片的第8引脚连接单片机P0.6引脚，采样芯片的第9引脚连接单片机P0.5引脚，采样芯片的第10引脚连接单片机P0.4引脚，采样芯片的第11引脚连接单片机的P0.3引脚，采样芯片的第12引脚连接单片机的P0.2引脚，采样芯片的第13引脚连接单片机的P0.1引脚，采样芯片的第17引脚和第19引脚连接地，采样芯片的第23引脚连接电阻R2的一端，电阻R2的另一端分别连接运算放大器的第6引脚和运算放大器的第2引脚，采样芯片的第24引脚连接电阻R2的一端，电阻R2的另一端分别连接接地电容C2、接地电容C1和采样芯片的第18引脚，采样芯片的第15引脚连接接地电容C3，采样芯片的第15引脚和第26引脚连接5V电源，采样芯片的第16引脚和第25引脚均接地，采样芯片的第28引脚连接电源，采样芯片的第20引脚分别连接电容C4的一端、电容C5的一端和接地电容C6，采样芯片的第21引脚分别连接电容C4的另一端、C5的另一端和接地电容C7，采样芯片的第27引脚连接地；所述控制器8电性连接电动调节阀门2、真空气泵5和鼓风机6，用于控制电动调节阀门转换2，同时控制真空气泵5和鼓风机6的工作时间。
本实施方案在实施时，本采集电路的设计采用的高速/>AD9220实现波形信号的采集，AD9220最高采样速率可达10MHz，采用外部晶体振荡器8MHz，单片机内部通过采样实现波形存储，AD9220有直流耦合和交流耦合两种输入方式，本系统设计采用直流耦合，0～5V的输入方式，采用内部2.5V参考电压，由于系统垂直分辨率只需255级，故采用AD9220的高8位，数据采集电路如图4所示。
本实施方案的采用地气纳米微粒分离捕集装置的捕集方法，包括以下步骤：
S1：设备连接并埋置好后，打开控制器电源，真空气泵和鼓风机开始工作；
S2：电动调节阀门的A管连通C管，将大口径地气纳米微粒采集器里面的废气排出，持续30秒；
S3：30秒后，控制器自动调节电动调节阀门，使A管连接B管，持续5分钟；
S4：在此过程中携带微粒的气体通过导管到达纳米微粒过滤捕集器，气体中大于1微米的微粒被滤膜过滤，小于1微米的纳米微粒吸附至载网上；
S5：剩余气体由真空气泵排入大气；
S6：到达5分钟时，控制器自动调节电动调节阀门，使A管连通C管，真空气泵和鼓风机停止工作。
本实施方案在实施时，打开控制器电源，真空气泵和鼓风机开始工作；此时，电动控制阀门A管连通C管，将大口径地气纳米微粒采集器里面的废气排出，持续30秒；30秒后，控制器8自动调节电动调节阀门，使A管连接B管，持续5分钟；在此过程中携带微粒的气体通过导管到达纳米微粒过滤捕集器，气体中大于1微米的微粒被滤膜过滤，小于1微米的纳米微粒吸附至载网上；剩余气体由真空气泵排入大气；到达5分钟时，控制器8自动调节电动调节阀门，使A管连通C管，真空气泵和鼓风机停止工作。整个采样过程5分半钟。
Claims (7)
1.一种地气纳米微粒分离捕集装置,其特征在于，包括：大口径地气纳米微粒采集器（1）、电动调节阀门（2）、纳米微粒过滤捕集器（3）、硅胶管（4）、真空气泵（5）、鼓风机（6）、螺旋空心钻（7）和控制器（8）；所述螺旋空心钻（7）包括第一螺旋空心钻（7-1）、第二螺旋空心钻（7-2）和第三螺旋空心钻（7-3）；所述大口径地气纳米微粒采集器（1）通过硅胶管（4）连通电动调节阀门（2），所述电动调节阀门（2）通过硅胶管（4）分别连通纳米微粒过滤捕集器（3）的一端和纳米微粒过滤捕集器（3）另一端，所述纳米微粒过滤捕集器（3）另一端通过硅胶管（4）连通真空气泵（5），所述电动调节阀门（2）、真空气泵（5）和鼓风机（6）通过控制器（8）电性连接，所述鼓风机（6）通过硅胶管（4）分别连通第一螺旋空心钻（7-1）、第二螺旋空心钻（7-2）和第三螺旋空心钻（7-3）；
所述纳米微粒过滤捕集器（3）包括过滤套筒（9）、大双层硅胶圈（10）、微孔滤膜（11）、套筒螺纹密封接头（12）、小双层硅胶圈（13）、载网（15）、载网固定装置（14）和载网套筒（16）；所述微孔滤膜（11）通过大双层硅胶圈（10）固定在过滤套筒（9）内，所述过滤套筒（9）连接到套筒螺纹密封接头（12）一侧；所述载网固定装置（14）通过小双层硅胶圈（13）固定在载网套筒（16）内，所述载网套筒（16）连接到套筒螺纹密封接头（12）另一侧，所述载网（15）设置于载网固定装置（14）内；
所述微孔滤膜（11）的孔径为1微米；
所述电动调节阀门（2）包括A管、B管和C管；所述A管连通C管用于排气，所述A管连通B管，所述B管连接纳米微粒过滤捕集器（3），所述电动调节阀门（2）用于排除采样初始阶段大口径地气纳米微粒采集器（1）中混入的大气，从而避免受到大气颗粒物污染的影响。
2.根据权利要求1所述的地气纳米微粒分离捕集装置,其特征在于，所述载网（15）为透射电镜观测载样铝网或钼网。
3.根据权利要求1所述的地气纳米微粒分离捕集装置，其特征在于，所述真空气泵（5）用于产生负压，实现地气和地气携带的微粒，从大口径地气纳米微粒采集器（1）到电动调节阀门（2）再到纳米微粒过滤捕集器（3）的运动过程。
4.根据权利要求1所述的地气纳米微粒分离捕集装置，其特征在于，所述第一螺旋空心钻（7-1）、第二螺旋空心钻（7-2）和第三螺旋空心钻（7-3）的结构是一样的，所述螺旋空心钻（7）用于促使该装置附近的地气流通，从而提高采集地气中的纳米微粒的效率。
5.根据权利要求1所述的地气纳米微粒分离捕集装置，其特征在于，所述载网固定装置（14）用于固定捕集纳米微粒的载网（15）。
6.根据权利要求1所述的地气纳米微粒分离捕集装置，其特征在于，所述控制器（8）包括采集电路；所述采集电路包括单片机、采样芯片、电阻、运放、电容和电源；所述采样芯片的型号为AD9220AR，所述单片机的型号为MCS51，所述采样芯片的第6引脚连接单片机P0.8引脚，所述采样芯片的第7引脚连接单片机的P0.7引脚，所述采样芯片的第8引脚连接单片机P0.6引脚，所述采样芯片的第9引脚连接单片机P0.5引脚，所述采样芯片的第10引脚连接单片机P0.4引脚，所述采样芯片的第11引脚连接单片机的P0.3引脚，所述采样芯片的第12引脚连接单片机的P0.2引脚，所述采样芯片的第13引脚连接单片机的P0.1引脚，所述采样芯片的第17引脚和第19引脚连接地，所述采样芯片的第23引脚连接电阻R2的一端，所述电阻R2的另一端分别连接运算放大器的第6引脚和运算放大器的第2引脚，所述采样芯片的第24引脚连接电阻R2的一端，所述电阻R2的另一端分别连接接地电容C2、接地电容C1和采样芯片的第18引脚，所述采样芯片的第15引脚连接接地电容C3，所述采样芯片的第15引脚和第26引脚连接5V电源，所述采样芯片的第16引脚和第25引脚均接地，所述采样芯片的第28引脚连接电源，所述采样芯片的第20引脚分别连接电容C4的一端、电容C5的一端和接地电容C6，所述采样芯片的第21引脚分别连接电容C4的另一端、C5的另一端和接地电容C7，所述采样芯片的第27引脚连接地；所述控制器（8）电性连接电动调节阀门（2）、真空气泵（5）和鼓风机（6），用于控制电动调节阀门（2）转换，同时控制真空气泵（5）和鼓风机（6）的工作时间。
7.一种如权利要求1-6任意一项所述的地气纳米微粒分离捕集装置的捕集方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：设备连接并埋置好后，打开控制器电源，真空气泵和鼓风机开始工作；
S2：电动调节阀门的A管连通C管，将大口径地气纳米微粒采集器内部的废气排出，持续30秒；
S3：30秒后，控制器自动调节电动调节阀门，使A管连接B管，持续5分钟；
S4：在此过程中携带微粒的气体通过导管到达纳米微粒过滤捕集器，气体中大于1微米的微粒被滤膜过滤，小于1微米的纳米微粒吸附至载网上；
S5：剩余气体由真空气泵排入大气；
S6：到达5分钟时，控制器自动调节电动调节阀门，使A管连通C管，真空气泵和鼓风机停止工作。
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