CN110873659B - 一种气溶胶类样品采集、富集和热解析装置 - Google Patents

一种气溶胶类样品采集、富集和热解析装置 Download PDF

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Abstract

设计一种气溶胶样品现场在线连续采集、富集和解析装置。该装置将撞击收集器与热解析器相结合，设计体积小、采样效率高，结构紧凑，维护方便，特别适合应用于微型化便携式仪器(如：离子迁移谱，IMS)的现场在线连续采集分析样品。

Description

一种气溶胶类样品采集、富集和热解析装置
技术领域
本发明涉及气溶胶类样品采样和热解析技术领域，具体涉及一种应用于离子迁移谱的气溶胶类样品采集、富集和热解析装置。
背景技术
气溶胶由液态或固态微粒均匀地分散在气体中形成相对稳定的悬浮体系，液态或固态微粒空气动力学直径为0.001～100μm，形状很复杂，液体颗粒物近似于球形,固体颗粒物多不规则。
气溶胶样品主要以积聚模态形式存在，在空气中的滞留时间较长，持续时间和危害性比较大。大气环境中气溶胶样品含量一般较低，气溶胶样品的在线收集和解析一直是个难题。
气溶胶样品通常用过滤收集器、撞击收集器和沉积收集器采集。沉积收集器一般用于较大颗粒物的采集。气溶胶中的样品大多分布于细颗粒中，对于样品有机成分的分析，宜采用过滤收集器或撞击收集器采集。过滤采集器对于有机样品的采集比撞击采集器应用更普遍，但具有体积大和解析过程复杂，需要合适的前处理等缺点，不宜应用于现场在线重复分析。撞击收集器便于研究气溶胶有机样品的粒径分级。在撞击器上，样品收集在吸收物质如吸附膜上，该方法采样体积也较小，适用于连续在线采样。本专利采用撞击收集器与热解析器相结合的方式对气溶胶样品在线连续采集、富集和解析。该装置设计体积小、采样效率高，结构简单，维护方便，特别适合应用于微型化便携式仪器(如：离子迁移谱，IMS)的现场在线连续采集分析样品。在热解析部分可以结合其它技术，如：时间分辨的热解析器，可以时间分辨解析大气中复杂的混合样品，拓展了该装置的应用范围，提高了分析效率，特别适用于现场应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种气溶胶类样品在线采集、富集和热解析装置，重点解决了气溶胶类样品现场在线高效采集、富集与解析，实现了气溶胶采样与解析装置的微型化、集成化和一体化。
本发明采用下面技术方案:
一种气溶胶类样品采集、富集和热解析装置，包括：电机、载气通道、挡雨尘板、热解析器、气溶胶样品收集器、富集膜、富集膜支撑托盘、风扇、热解析样品气通道、三通气流切换阀和气流通道；
气溶胶样品收集器包括上下二端开口的、中空的上部倒锥台状结构，上下二端开口的、中空的下部锥台状结构，上部倒锥台状结构和下部锥台状结构通过一上下二端开口的中空筒体相连通，上部倒锥台状结构的上开口端作为采样口，采样口上部设有挡雨尘板；采样口上部设有挡雨尘板留有空隙；于挡雨尘板下部设有于块状热解析器，于块状热解析器下方设有用于气体流动分配的第一凹槽，于挡雨尘板上部设有电机，电机的输出轴穿过挡雨尘板与块状热解析器上方固接，通过电机控制热解析器上下往复运动；
富集膜支撑托盘包括上下二端开口的中空筒体，于中空筒体内的中部设有一块体，块体上方开设有用于气体流动分配的第二凹槽，块体通过支杆与中空筒体相连接；中空筒体上开口端与下部锥台状结构下开口端相对贴接或相互套接，第二凹槽上开口处设置有支撑网，支撑网上设置有富集膜；第二凹槽位于第一凹槽的正下方，第一凹槽向下移动扣合于第二凹槽上，使第一凹槽的下开口与第二凹槽上开口间相密封；
中空筒体下开口端与风扇的进气口相连通；
载气气源中的载气经第一三通气流切换阀通过载气通道与第一凹槽相连通；
第二凹槽经第二三通气流切换阀通过热解析样品气通道流出；第一三通气流切换阀的第三接口与第二三通气流切换阀的第三接口相连。
富集膜支撑托盘的另一端连接风扇。富集膜支撑托盘的中心位于气溶胶样品收集器的中心偏下位置；
富集膜支撑托盘上放置支撑网和富集膜，在支撑网下面是中空结构，有热解析样品气通道与其相连，热解析样品气通道的另一端与三通气流切换阀相连；
电机固定于挡雨尘板上，电机的升降杆上安装热解析器，能实现热解析器的升降。有一载气通道穿过热解析器和电机与外界气流切换阀相连；
两个外界三通气流切换阀相连，形成一路气流通道；它们的另一端分别与载气和离子迁移管相连；
装置的三通气流切换阀结合离子迁移谱完成载气气路切换，采样、富集时载气流过气流通道，热解析时将流过载气通道、富集膜后，热解析后的样品气送入仪器分析。
气溶胶样品收集器为沙漏型，或也可设计成漏斗型等有利于气溶胶样品收集的形状。
富集膜为玻璃纤维膜(棉)、聚四氟乙烯膜、硅胶膜、陶瓷膜等耐高温易吸附和解析的材料中的一种。
热解析器内设有电加热棒和/或电加热丝、以及温度传感器，电加热棒和/或电加热丝、以及温度传感器经温度控制器与外电源相连，能实现智能程序控温。
电机为直线电机或步进电机等能实现升降的装置、或采用推拉式电磁阀或推拉式电磁体替代。
风扇为大流量风扇，也可用大流量气泵来代替，实现采集样品。
第一凹槽的下开口与第二凹槽上开口的形状和尺寸相匹配。
第二凹槽中流出的热解析样品气通入离子迁移管中。
三通气流切换阀为二位三通电磁阀。
本发明吸收撞击收集器的原理，实现气溶胶样品的连续采集与富集，有机结合程控热解析器，实现样品的在线解析。整个气溶胶样品的采集、富集和解析分成两个步骤进行：(1)样品的采集和富集。电机将热解析器收回到气溶胶样品收集器顶端，风扇开始工作，利用风扇的抽力，气溶胶样品被收集到气溶胶收集器中，气溶胶样品在空气动力作用下，直接撞击到富集膜上，被富集膜采集到，一段时间后，气溶胶样品布满富集膜，实现了采集、富集作用。同时载气经过另一路气体通道流入迁移管，起到清洁和平衡迁移管作用。(2)样品热解析。风扇停止工作，电机将热解析器送到富集膜上面，载气切换至热解析这边，在程序控温的控制下，对富集到富集膜上的气溶胶样品加热热解析，在载气的带动下解析出的样品气体穿透富集膜，被送入迁移管中进行分析。
整个装置采集、富集和热解析连续进行，特别适用于现场在线连续采样和分析。特别容易集成到现场在线连续采集分析样品的微型化便携式仪器(如：离子迁移谱，IMS)中。该装置设计体积小、采样效率高，结构紧凑，维护方便。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明：
图1本发明气溶胶样品采集、富集和解析装置的采集和富集过程结构示意图。
图2本发明气溶胶样品采集、富集和解析装置的热解析过程结构示意图。
具体实施方式
根据结构示意图图1所示，气溶胶样品采集、富集和解析装置包括：电机1，载气通道2，挡雨尘板3，温度传感器4，热解析器5，电热棒6，气溶胶样品收集器7，富集膜8，支撑网9，富集膜支撑托盘10，风扇11，热解析样品气通道12，三通气流切换阀13，气流通道14。
气溶胶样品收集器7为沙漏型设计，有利于样品的采集和富集。它的两端一端为挡雨尘板3，一端为富集膜支撑托盘10。富集膜支撑托盘10的中心位于气溶胶样品收集器7沙漏型结构下漏斗的狭窄的连接管的中心下部。采样时样品经过此处后，样品的浓度会升高，有利于富集，同时此处气流比较大，特别容易达到富集膜8上，有利于采样。
电机1固定在挡雨尘板3上，升降杆的一端连接热解析器5，实现热解析器5的升降。热解析器5有温度传感器4和电热棒6，能实现智能程序控温，如实现时间分辨热解析功能。
风扇11为大流量风扇，使得气溶胶能撞击富集膜8上。
整个装置的工作过程是：(1)气溶胶样品的采集和富集。电机1将热解析器5收回到气溶胶样品收集器7顶端，风扇11开始工作，利用风扇11的抽力，气溶胶样品被收集到气溶胶收集器7中，收集器沙漏型设计，在上漏斗的底部放置样品富集膜8，在负压和气流的带动下，气溶胶样品在空气动力作用下，直接撞击到富集膜8上，被富集膜8采集到，一段时间后，气溶胶样品布满富集膜8，实现了采集、富集作用。(2)气溶胶样品热解析。风扇11停止工作，电机1将热解析器5送到富集膜8上面，载气切换至热解析这边，在程序控温的控制下，对富集到富集膜8上的气溶胶样品加热解析，载气经载气通道2，穿透富集膜8，经热解析样品气通道12，被解析出的样品气体送入分析仪器中进行分析。
在样品的采集、富集和解析过程中，载气由两个三通气流切换阀13不断的切换；在采集和富集时：载气经一路气流通道14流入迁移管，起到清洁和平衡迁移管作用。大流量样品气经过富集膜8，被采集到。在解析时：三通气流切换阀13将载气切换到另一路，经载气通道2，穿透富集膜8，流过热解析样品气通道12进入分析仪器中。
以上实施方式使用离子迁移谱做说明的，对于其它分析仪器可以对照此进行设计，同样适用本专利。

Claims (10)

1.一种气溶胶类样品采集、富集和热解析装置，包括：电机、载气通道、挡雨尘板、热解析器、气溶胶样品收集器、富集膜、富集膜支撑托盘、风扇、热解析样品气通道、三通气流切换阀和气流通道；
气溶胶样品收集器包括上下二端开口的、中空的上部倒锥台状结构，上下二端开口的、中空的下部锥台状结构，上部倒锥台状结构和下部锥台状结构通过一上下二端开口的中空筒体相连通，上部倒锥台状结构的上开口端作为采样口，采样口上部设有挡雨尘板；采样口上部设有挡雨尘板留有空隙；于挡雨尘板下部设有于块状热解析器，于块状热解析器下方设有用于气体流动分配的第一凹槽，于挡雨尘板上部设有电机，电机的输出轴穿过挡雨尘板与块状热解析器上方固接，通过电机控制热解析器上下往复运动；
富集膜支撑托盘包括上下二端开口的中空筒体，于中空筒体内的中部设有一块体，块体上方开设有用于气体流动分配的第二凹槽，块体通过支杆与中空筒体相连接；中空筒体上开口端与下部锥台状结构下开口端相对贴接或相互套接，第二凹槽上开口处设置有支撑网，支撑网上设置有富集膜；第二凹槽位于第一凹槽的正下方，第一凹槽向下移动扣合于第二凹槽上，使第一凹槽的下开口与第二凹槽上开口间相密封；
中空筒体下开口端与风扇的进气口相连通；
载气气源中的载气经第一三通气流切换阀通过载气通道与第一凹槽相连通；
第二凹槽经第二三通气流切换阀通过热解析样品气通道流出；第一三通气流切换阀的第三接口与第二三通气流切换阀的第三接口相连。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：
富集膜支撑托盘的另一端连接风扇；
富集膜支撑托盘的中心位于气溶胶样品收集器的中心偏下位置；
富集膜支撑托盘上放置支撑网和富集膜，在支撑网下面是中空结构，有热解析样品气通道与其相连，热解析样品气通道的另一端与三通气流切换阀相连；
电机固定于挡雨尘板上，电机的升降杆上安装热解析器，能实现热解析器的升降，有一载气通道穿过热解析器和电机与外界气流切换阀相连；
两个外界三通气流切换阀相连，形成一路气流通道；它们的另一端分别与载气和离子迁移管相连；
装置的三通气流切换阀结合离子迁移谱完成载气气路切换，采样、富集时载气流过气流通道，热解析时将流过载气通道、富集膜后，热解析后的样品气送入仪器分析。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于：气溶胶样品收集器为沙漏型，或设计成漏斗型的有利于气溶胶样品收集的形状。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于：富集膜为玻璃纤维膜/棉、聚四氟乙烯膜、硅胶膜、陶瓷膜中的一种。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于：热解析器内设有电加热棒和/或电加热丝、以及温度传感器，电加热棒和/或电加热丝、以及温度传感器经温度控制器与外电源相连，能实现智能程序控温。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于：电机为直线电机或步进电机能实现升降的装置、或采用推拉式电磁阀或推拉式电磁体替代。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于：风扇为大流量风扇，或用大流量气泵来代替，实现采集样品。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于：
第一凹槽的下开口与第二凹槽上开口的形状和尺寸相匹配。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于：
三通气流切换阀为二位三通电磁阀。
10.如权利要求1所述的装置，其特征在于：
第二凹槽中流出的热解析样品气通入离子迁移管中。
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