CN110441203A - 一种用于活性氧在线监测捕获装置及监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于活性氧在线监测捕获装置及监测装置。捕获装置包括捕获机构、供液机构以及集液机构；捕获机构包括腔室和降膜管；降膜管上设置螺旋槽；供液机构与集液机构分别与螺旋槽连接。监测装置包括，预处理装置、捕获装置、气相活性氧反应器、颗粒相活性氧反应器以及荧光检测装置；气相活性氧反应器在入口处与集液机构连接并与荧光检测装置连接；颗粒相活性氧反应器在入口处与腔室的气流出口连接，并与荧光检测装置连接。本发明具有气相活性氧捕获完全，后续不需要进一步净化处理气相活性氧的优势，不仅可以获得准确的、实际的气相活性氧含量，也为后续检测颗粒相活性氧含量提供便利。此外，本发明具有结构简单，成本低的优势。
Description
技术领域
本发明涉及大气污染物检测技术领域，更具体地，涉及一种用于活性氧在线监测捕获装置及监测装置。
背景技术
大气环境中细颗粒物(PM2.5)的浓度上升，会增加易感人群心血管疾病、哮喘及慢性支气管炎发病机率。目前，越来越多的研究表明，机体内活性氧(ROS，reactive oxygenspecies)过渡累积导致的氧化应激效应而引起的机体损伤是其重要的机理之一。
现有技术对在线ROS检测装置的研制和应用为定量颗粒相中ROS含量带来了新的启发，并对颗粒物致病机理及其健康效应的研究带来了较大的推动作用。然而，颗粒相中ROS只是大气ROS的一部分，气相中ROS数据的缺失对大气氧化性的表征以及气固相分配规律的探索造成很大的基础数据缺失。
为了获得气相ROS的准确含量，中国科学院大学的张元勋等以湿式扩散管理论和蒸汽喷射气溶胶收集技术为理论指导，自主设计出一套能够同时获取大气中气相和颗粒相ROS浓度的在线监测系统。例如，公开号为CN 103424383 A主题为“大气中活性氧物质在线监测仪”的专利文件，其采用基本与待检测气流流向平行的湿式旋转扩散管，并利用气相ROS和颗粒相ROS在水中的扩散系数的不同，达到将气相和颗粒相分离并分别检测的目的。
但是，该技术方案中气相平行流过扩散管，仅在气流层的边缘与扩散管水膜接触，导致气相ROS的捕集不完全，并且不能很好的将气相ROS与颗粒相ROS分离，需要依靠后续旋风分离机构进一步的分离，增加了设备复杂程度以及监测成本。因此，目前仍缺少能够较为准确的分别监测颗粒相及气相ROS浓度的装置。
发明内容
本发明的首要目的是针对现有技术中气相ROS捕获不完全的技术问题，提供一种能够增加气相ROS与液相接触面积的用于活性氧在线监测的捕获装置。
本发明的另一个目的是配合上述用于活性氧在线监测捕获装置的使用，提供一种活性氧在线监测装置，达到一次性获得较为准确的气相ROS和颗粒相ROS含量的目的。
为了实现上述目的，本发明采用的具体的技术方案为：
首先，提供一种用于活性氧在线监测捕获装置，包括捕获机构、供液机构以及集液机构；所述捕获机构包括腔室和设置在所述腔室内部的大体沿纵向分布的降膜管；所述降膜管上设置沿降膜管轴向延伸的具有粗糙表面的螺旋槽；所述供液机构与所述螺旋槽的进液端连接，以供给所述螺旋槽内形成降膜所需要的液体；所述集液机构与所述螺旋槽的出液端连接，以收集所述螺旋槽流出的液体。
本发明中用于活性氧在线监测捕获装置的工作原理为：
通常情况下，在进行ROS捕集前都会对大气中颗粒粒径大于2.5μm的颗粒进行脱除，然后将待研究的颗粒粒径小于2.5μm的部分进行分析。本发明也是如此，进入用于活性氧在线监测捕获装置的颗粒粒径都是小于的PM2.5的颗粒。
本发明中，大体沿纵向分布指的是降膜管的轴线与腔室的轴线的夹角范围小于90°，也可以理解为降膜管始终不会与腔室横向平行的布置，这样布置的目的是为了增加气相与螺旋槽的碰撞几率。
本发明中，粗糙表面的粗糙度以轮廓算术平均偏差Ra计算，即在取样长度内，沿测量方向的轮廓线上的点与基准线之间距离绝对值的算术平均值，为0.8～1.6。传统的开槽都是考虑表面尽量光滑，或者表面粗糙也是为了形成液膜的稳定，并没有考虑反弹颗粒。而在本发明中粗糙表面具有使得颗粒反弹重新进入气流中心区的作用。
通过腔室内部的大体沿纵向分布的降膜管以及设置在降膜管上的螺旋槽，增加了气相与捕集部件的碰撞几率，极大的增加了气相中ROS被捕集的概率。本发明与传统技术不同，采用具有较为粗糙表面的螺旋槽的目的是，一方面，增加了液膜的形成稳定性，此处的目的主要是为了获得较薄的液膜层，方便误入液膜层的颗粒相ROS的反弹，重新进入环流中心区域；另一方面，螺旋槽具有侧面，可以保证在较大的气相流速下，较薄的液膜仍不会被破坏的目的。由于在本装置中基本上所有的气相ROS全部被拦截，所以在将其应用到后续的检测装置中，不需要对颗粒相ROS进行净化处理(例如，传统技术的旋风分离净化处理)。
由此可见，本发明具有气相ROS捕获完全，后续不需要进一步净化处理气相ROS的优势，不仅可以获得准确的、实际的气相ROS含量，也为后续检测颗粒相ROS含量提供便利。
作为本发明进一步的技术方案，所述供液机构包括设置在所述腔室顶部的，且与所述螺旋槽进液端连接的溢流口；所述集液机构包括设置在所述腔室底部的，且与所述螺旋槽出液端连接的集液口。
通过设置溢流口可以更好的保证螺旋槽的供液量的稳定性，防止在连接处漏液；通过设置集液口方便收集从螺旋槽流出的液体，以便于进行气相ROS检测。
作为本发明更进一步的技术方案，所述腔室的高度为30～80cm，所述螺旋槽的宽度为2～5cm，平均深度为0.3～0.5cm，螺距为3～7cm。
作为本发明更进一步的技术方案，所述螺旋槽的表面包括底面和侧面；所述底面与侧面的夹角为60～120°。
作为本发明更进一步的技术方案，所述底面的形状为圆弧形、平面形或波浪形中的任意一种。
作为本发明更进一步的技术方案，所述底面的形状为朝向所述降膜管轴心凹陷的均匀圆弧形。
这样的结构进步一的增加了气相与螺旋槽的接触面积。
作为本发明进一步的技术方案，所述供液机构为层状结构；所述集液机构为漏斗状结构。
这样的结构有利于供液和集液。
然后，为了配合上述用于活性氧在线监测捕获装置的使用，达到分别定量气相ROS含量和颗粒相ROS含量的目的，提供一种活性氧在线监测装置，包括预处理装置、上述用于活性氧在线监测捕获装置、气相活性氧反应器、颗粒相活性氧反应器以及荧光检测装置；所述气相活性氧反应器在入口处与所述集液机构连接，在出口处与所述荧光检测装置连接；所述颗粒相活性氧反应器在入口处与所述腔室的气流出口连接，在出口处与所述荧光检测装置连接。
本发明中，预处理装置的目的是过滤掉粒径范围大于2.5μm的颗粒，可以采用旋风分离脱除方式、洗涤除尘方式或电除尘方式中的任意方式进行处理。
本发明中活性氧在线监测装置的工作原理为：
经过预处理装置的处理待监测气相进入用于活性氧在线监测捕获装置，之后，集液机构将捕获的气相ROS输送至气相活性氧反应器进行检测；通过捕获装置的气相含有颗粒相ROS，继续进入颗粒相活性氧反应器进行检测。其中，检测方法可以采用DCFH(2，7一二氯荧光素)溶液与HRP(辣根过氧化物酶)溶液混合溶液分析法检测颗粒相ROS。其检测机理为，二氯荧光素DCFH本身为非荧光物质，但可以被大气中的ROS氧化为能发出荧光的DCF，在特征波长(激发波长480nm，发射波长515nm)下检测DCF产生的荧光值，最后通过计算可得出样品中ROS的浓度水平。但是不限于此种分析方法，可以达到检测分析的目的即可。之后，通过对反应后的溶液进行荧光检测即可分别获得气相ROS和颗粒相ROS的含量。因为，气相ROS基本可以在捕获装置中捕获，气相不需要后续的处理即可进入颗粒相活性氧反应器进行颗粒相ROS检测。由此可见，本发明具有结构简单，成本低的优势。
作为本发明进一步的技术方案，还包括废液收集装置。
废液收集装置用于收集反应体系中产生的废液。
作为本发明进一步的技术方案，水泵。
水泵，为供液机构提供降膜管形成液膜所需要的液体的动力。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明具有气相ROS捕获完全，后续不需要进一步净化处理气相ROS的优势，不仅可以获得准确的、实际的气相ROS含量，也为后续检测颗粒相ROS含量提供便利。此外，本发明具有结构简单，成本低的优势。
附图说明
图1为具有螺旋槽的降膜管的立体结构示意图。
图2为实施例1中螺旋槽截面结构示意图。
图3为实施例2中螺旋槽截面结构示意图。
图4为实施例3中螺旋槽截面结构示意图。
图5为实施例1中捕获装置的平面结构示意图。
图6为实施例4中监测装置结构示意图。
图中：
10、捕获机构；101、腔室；102、降膜管；1021、螺旋槽；1022、底面；1023、侧面；
20、供液机构；201、溢流口；
30、集液机构；301、集液口；
40、预处理装置；
50、气相活性氧反应器；
60、颗粒相活性氧反应器；
70、荧光检测装置；
80、废液收集装置；
90、水泵；
100、结晶器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚且易于理解，以下结合具体实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
参考图1、图2和图5，本实施例1提供一种用于活性氧在线监测捕获装置，包括捕获机构10、供液机构20以及集液机构30；捕获机构10包括腔室101和设置在腔室101内部的大体沿纵向分布的降膜管102；降膜管102上设置沿降膜管102轴向延伸的具有粗糙表面的螺旋槽1021；供液机构20与螺旋槽1021的进液端连接，以供给螺旋槽1021内形成降膜所需要的液体；集液机构30与螺旋槽1021的出液端连接，以收集螺旋槽1021流出的液体。
本实施例1中，供液机构20包括设置在腔室101顶部的，且与螺旋槽1021进液端连接的溢流口201；集液机构30包括设置在腔室101底部的，且与螺旋槽1021出液端连接的集液口301。通过设置溢流口201可以更好的保证螺旋槽1021的供液量的稳定性，防止在连接处漏液；通过设置集液口301方便收集从螺旋槽1021流出的液体，以便于进行气相ROS检测。
腔室101的高度为30～80cm，螺旋槽1021的宽度为2～5cm，平均深度为0.3～0.5cm，螺距为3～7cm。螺旋槽1021的表面包括底面1022和侧面1023；底面1022与侧面1023的夹角为60～120°。
为了达到更好的吸收气相ROS的效果，本实施例1中，如图5所示，设置有多个螺旋槽1021，且螺旋槽1021相互高低交错设置。
本实施例1中，腔室101的高度为30cm，螺旋槽1021的平均宽度为5cm，平均深度为0.3～0.5cm，螺距为3cm。螺旋槽1021的表面包括底面1022和侧面1023且两者的夹角为90°。
更为具体的，底面1022的形状为圆弧形、平面形或波浪形中的任意一种。本实施例1中，底面1022的形状为朝向降膜管102轴心凹陷的均匀圆弧形。这样的结构进步一的增加了气相与螺旋槽1021的接触面积。
本实施例1中，供液机构20为层状结构；集液机构30为漏斗状结构。这样的结构有利于供液和集液。
本实施例1的工作原理为：
通常情况下，在进行ROS捕集前都会对大气中颗粒粒径大于2.5μm的颗粒进行脱除，然后将待研究的颗粒粒径小于2.5μm的部分进行分析。本发明也是如此，进入用于活性氧在线监测捕获装置的颗粒粒径都是小于2.5μm的颗粒。
本发明中，大体沿纵向分布指的是降膜管的轴向与腔室的轴向的夹角范围小于90°，也可以理解为降膜管始终不会与腔室横向平行的布置，这样布置的目的是为了增加气相与螺旋槽的碰撞几率。
本发明中，粗糙表面的粗糙度以轮廓算术平均偏差Ra计算，即在取样长度内，沿测量方向的轮廓线上的点与基准线之间距离绝对值的算术平均值，为0.8～1.6。传统的开槽都是考虑光滑，或者粗糙也是为了形成液膜的稳定，并没有考虑反弹颗粒。
通过腔室内部的大体沿纵向分布的降膜管102以及设置在降膜管102上的螺旋槽1021，增加了气相与捕集部件的碰撞几率，极大的增加了气相中ROS被捕集的概率。本发明与传统技术不同，采用具有较为粗糙表面的螺旋槽1021的目的是，一方面，增加了液膜的形成稳定性，此处的目的主要是为了获得较薄的液膜层，方便误入液膜层的颗粒相ROS的反弹，重新进入环流中心区域；另一方面，螺旋槽1021具有侧面，可以保证在较大的气相流速下，较薄的液膜仍不会被破坏的目的。由于在本装置中基本上所有的气相ROS全部被拦截，所以在将其应用到后续的检测装置中，不需要对颗粒相ROS进行净化处理(例如，传统技术的旋风分离净化处理)。
由此可见，本发明具有气相ROS捕获完全，后续不需要进一步净化处理气相ROS的优势，不仅可以获得准确的、实际的气相ROS含量，也为后续检测颗粒相ROS含量提供便利。
实施例2
参考图3，本实施例2在技术方案上基本与实施例1相同，不同之处在于，本实施例2中，腔室101的高度为80cm，螺旋槽1021的平均宽度为3cm，平均深度为0.4cm，螺距为7cm。底面1022与侧面1023的夹角为60°且底面1022为波浪形。
实施例3
参考图4，本实施例3在技术方案上基本与实施例1相同，不同之处在于，本实施例3中，腔室101的高度为50cm，螺旋槽1021的平均宽度为4cm，平均深度为0.3cm，螺距为6cm。底面1022与侧面1023的夹角为120°且底面1022为平面形。
实施例4
参考图6，为了配合上述用于活性氧在线监测捕获装置的使用，达到分别定量气相ROS含量和颗粒相ROS含量的目的，本实施例4提供一种活性氧在线监测装置，包括预处理装置40、上述用于活性氧在线监测捕获装置、气相活性氧反应器50、颗粒相活性氧反应器60以及荧光检测装置70；气相活性氧反应器50在入口处与集液机构30连接，在出口处与荧光检测装置70连接；颗粒相活性氧反应器60在入口处与腔室101的气流出口连接，在出口处与荧光检测装置70连接。
为了使颗粒相ROS更容易的被检测到，同时为了获得准确的检测结果，可以在颗粒相ROS进入颗粒相活性氧反应器60之前设置结晶器100，通过加入高温蒸汽后冷却的方式使颗粒相变大，进而方便检测。
本发明中，预处理装置40的目的是过滤掉粒径范围大于2.5μm的颗粒，可以采用旋风分离脱除方式、洗涤除尘方式或电除尘方式中的任意方式进行处理。
此外，还包括废液收集装置80，废液收集装置80分别与颗粒相活性氧反应器60和气相活性氧反应器50连接，用于收集这两部分的废液；还包括水泵90，以为供液机构提供降膜管形成液膜所需要的液体的动力。
本实施例4的工作原理为：
经过预处理装置40处理的待监测气流进入用于活性氧在线监测的捕获装置，之后，集液机构30将捕获的气相ROS输送至气相活性氧反应器50进行处理；通过捕获装置的气流含有颗粒相ROS，继续进入颗粒相活性氧反应器60进行处理。通过气相活性氧反应器50和颗粒相活性氧反应器60处理的物质进行荧光检测装置70的检测，获得气相ROS和颗粒相ROS含量。其中，检测方法可以采用DCFH(2，7一二氯荧光素)溶液与HRP(辣根过氧化物酶)溶液混合溶液分析法检测ROS。其检测机理为，二氯荧光素DCFH本身为非荧光物质，但可以被大气中的ROS氧化为能发出荧光的DCF，在特征波长(激发波长480nm，发射波长515nm)下检测DCF产生的荧光值，最后通过计算可得出样品中ROS的浓度水平。但是不限于此种分析方法，可以达到检测分析的目的即可。之后，通过对反应后的溶液进行光学检测即可分别获得气相ROS和颗粒相ROS的含量。因为，气相ROS基本可以在捕获装置中捕获，气相不需要后续的处理即可进入颗粒相活性氧反应器进行颗粒相ROS检测。由此可见，本发明具有结构简单，成本低的优势。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种用于活性氧在线监测捕获装置，其特征在于，包括捕获机构(10)、供液机构(20)以及集液机构(30)；
所述捕获机构(10)包括腔室(101)和设置在所述腔室(101)内部的大体沿纵向分布的降膜管(102)；
所述降膜管(102)上设置沿降膜管(102)轴向延伸的具有粗糙表面的螺旋槽(1021)；
所述供液机构(20)与所述螺旋槽(1021)的进液端连接，以供给所述螺旋槽(1021)内形成降膜所需要的液体；
所述集液机构(30)与所述螺旋槽(1021)的出液端连接，以收集所述螺旋槽(1021)流出的液体。
2.根据权利要求1所述的用于活性氧在线监测捕获装置，其特征在于，所述供液机构(20)包括设置在所述腔室(101)顶部的，且与所述螺旋槽(1021)进液端连接的溢流口(201)；
所述集液机构(30)包括设置在所述腔室(101)底部的，且与所述螺旋槽(1021)出液端连接的集液口(301)。
3.根据权利要求1或2所述的用于活性氧在线监测捕获装置，其特征在于，所述腔室(101)的高度为30～80cm，所述螺旋槽(1021)的宽度为2～5cm，平均深度为0.3～0.5cm，螺距为3～7cm。
4.根据权利要求3所述的用于活性氧在线监测捕获装置，其特征在于，所述螺旋槽(1021)的表面包括底面(1022)和侧面(1023)；所述底面(1022)与侧面(1023)的夹角为60～120°。
5.根据权利要求4所述的用于活性氧在线监测捕获装置，其特征在于，所述底面(1022)的形状为圆弧形、平面形或波浪形中的任意一种。
6.根据权利要求5所述的用于活性氧在线监测捕获装置，其特征在于，所述底面(1022)的形状为朝向所述降膜管(102)轴心凹陷的均匀圆弧形。
7.根据权利要求3所述的用于活性氧在线监测捕获装置，其特征在于，所述供液机构(20)为层状结构；所述集液机构(30)为漏斗状结构。
8.一种活性氧在线监测装置，其特征在于，包括预处理装置(40)、根据权利要求1～7任一项所述的用于活性氧在线监测捕获装置、气相活性氧反应器(50)、颗粒相活性氧反应器(60)以及荧光检测装置(70)；
所述气相活性氧反应器(50)和所述颗粒相活性氧反应器(60)分别在入口处与所述集液机构(30)连接，在出口处与所述荧光检测装置(70)连接。
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