CN111624071A - 一种多种粒径标准粒子的发生装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种多种粒径标准粒子的发生装置，包括：标准溶液流路，用于提供发生标准粒子所需的标准溶液；稀释流路，用于稀释标准溶液；液体混合器，设置在标准液体流路和稀释流路下游，用于混合标准溶液和稀释液，形成混合液；干燥气体流路，用于提供干燥气体；液滴干燥室，分别与液体混合器和干燥气体流路相连，用于干燥混合液在液滴干燥室中形成的液滴，以制备标准粒子。本申请所提供的发生装置可自动发生准确浓度的标准粒子并可发生不同粒径的标准粒子。
Description
技术领域
本申请涉及大气监测领域，具体涉及多种粒径标准粒子的发生装置、发生方法及组分分析仪。
背景技术
标准粒子是指具有精确的粒径并且其粒径分布范围很窄的微小颗粒，由于其具有已知且固定的粒径，通常应用在以下领域：1、用作测定颗粒物粒径分析仪或者粒子计数器的校准，2、用作激光光路的校对和检查，3、用来验证某些产品颗粒物过滤效率的测试等。目前，市面上已有商品化的标准粒子，但其往往为单粒径或处于悬浊液的形式，难以实现自动选择多种粒径发生，难以按照预设浓度进行粒子发生，并且其价格比较昂贵。
在环境大气中，悬浮着大小、成分各异的颗粒物，按照其粒径分布，可分为可悬浮颗粒物(粒径≤100μm)、可吸入颗粒物(粒径≤10μm)和细颗粒物(粒径≤2.5μm)；按照物质化学组成，颗粒物又包括硫酸盐、硝酸盐、铵盐、有机碳、无机碳、重金属等组分。由于可入肺颗粒物(PM2.5)具有较小的粒径，且吸入肺部后无法排出，对人体危害极大。目前《环境空气质量标准》(GB3095-2012)中规定了PM2.5的二级环境浓度限值为35μg/m3(年均值)，表明了我国对环境空气中细颗粒物污染的密切关注。
背景技术部分的内容仅仅是公开人所知晓的技术，并不代表本领域的现有技术。
发明内容
本申请提供一种多种粒径标准粒子的发生装置，可以自动发生准确浓度的标准粒子，并可自动制备不同粒径的标准粒子。
根据本申请的一个方面，所述多种粒径标准粒子的发生装置，包括：标准溶液流路，用于提供发生标准粒子所需的标准溶液；稀释流路，用于稀释所述标准溶液；液体混合器，设置在所述标准液体流路和所述稀释流路下游，用于混合所述标准溶液和稀释液，形成混合液；干燥气体流路，用于提供干燥气体；液滴干燥室，分别与所述液体混合器和所述干燥气体流路相连，用于干燥液滴，以制备标准粒子。
根据本申请一些实施例，所述标准液体流路包括：标准溶液容器，容纳标准溶液；第一注射泵，用于从所述标准溶液容器中抽取一定的标准溶液，并按照设定的注射流量进行液体输送。
根据本申请一些实施例，所述标准溶液包括：一定浓度的氯化钠溶液。
根据本申请一些实施例，所述稀释流路包括：稀释容器，容纳稀释液；第二注射泵，用于从所述稀释容器中抽取一定的稀释液，并且按照设定的注射流量进行液体输送。
根据本申请一些实施例，所述液体混合器为包括混合腔体，所述液体混合器的入口分别与所述第一注射泵和所述第二注射泵相连，并将所述混合液输送至所述液滴干燥室。
根据本申请一些实施例，所述干燥气体包括：干燥空气。
根据本申请一些实施例，所述的干燥气体流路包括：压缩空气源，用于提供压缩空气；干燥管，用于对所述压缩空气进行干燥；颗粒物过滤器，用于过滤所述干燥空气；控流装置，用于提供恒定气体流量的干燥空气进入所述液滴干燥室。
根据本申请一些实施例，所述液滴干燥室包括：液体入口，与所述液体混合器相连；气体入口，与所述干燥气体流路相连；雾化器，设置在所述液体入口与所述液滴干燥室连接处，用于雾化所述混合液。
根据本申请一些实施例，所述液滴干燥室还包括：配置为上部为圆筒体下部为锥体的液滴干燥室。
根据本申请一些实施例，所述液滴干燥室材料包括:铝材或亚克力。
根据本申请另一方面，还提供一种多种粒径标准粒子的发生方法，用于根据如上所述的多种粒径标准粒子的发生装置中，包括：启动多种粒径标准粒子发生装置，记录初始状态数据；根据所述初始状态数据，计算标准液滴直径dn；根据所述液滴直径dn，计算标准粒子粒径D。
根据本申请一些实施例，所述初始状态数据包括：进入干燥室的气体流量为V；第一注射泵标准溶液进液流量为Q1；第二注射泵稀释液进液流量为Q2。
根据本申请一些实施例，所述根据初始状态数据计算根据所述初始状态数据，计算标准液滴直径dn，计算公式如下：
其中，T为液滴的表面张力系数，N/m；ρ为液滴的密度，kg/m3；f为雾化器声波的震动频率，Hz。
根据本申请一些实施例，所述多种粒径标准粒子的发生方法还包括：
根据所述标准液滴的直径dn，结合溶液浓度c，通过调节Q1与Q2的比例，可得到不同标准粒子直径D。计算公式如下：
D＝dn{cQ1/[(Q1+Q2)ρ0]}1/3
其中，c为氯化钠标准溶液的浓度，g/L；
ρ0为氯化钠晶体的密度，2165kg/m3；
Q1为第一注射泵的标准溶液进液流量，mL/min；
Q2为第二注射泵的稀释液进液流量，mL/min。
根据本申请一些实施例，所述多种粒径标准粒子的发生方法还包括：计算所述标准粒子的质量浓度，公式如下：
δ＝106cQ1/V
其中，δ为标准粒子的质量浓度，μg/m3；c为标准溶液的浓度，g/L；Q1为第一注射泵的标准溶液进液流量，mL/min；V为进入干燥室的气体流量，L/min。
根据本申请又一方面，还提供一种组分分析仪，包括如上所述的多种粒径标准粒子的发生装置，实现如上所述的多种粒径标准粒子的发生方法对颗粒物组分分析仪的校准。
本申请的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到本申请所提供的多种粒径标准粒子发生器可自动发生准确浓度的标准粒子，还可以发生不同粒径的标准粒子。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本申请实施例的多种粒径标准粒子的发生装置结构示意图；
图2为本申请另一实施例的多种粒径标准粒子的发生装置结构示意图；
图3为本申请实施例中的多种粒径标准粒子的发生方法流程图。
附图标记列表：
101 标准溶液流路
103 稀释流路
105 液体混合器
107 干燥气体流路
109 液滴干燥室
202 标准溶液容器
204 第一注射泵
206 稀释容器
208 第二注射泵
210 压缩空气源
212 干燥罐
214 颗粒物过滤器
216 控流装置
218 液体入口
219 气体入口
220 雾化器
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本申请的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本申请的方案以及其各个方面的优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本申请的限制。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请的说明书和权利要求书及所述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖非排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
由于大气颗粒物的危害，许多大气颗粒物监测设备开始对颗粒物中的浓度和组分进行监测。由于大气中颗粒物没有均匀分散在气体中的标准物质，目前的监测设备往往采用间接标准物质对仪器进行校准。如β射线颗粒物监测仪采样校准膜片进行仪器的校准，气溶胶中可溶性组分分析仪采用标液直接注射进样的方式进行校准，这些校准忽略了采样过程中可能造成的采样损失，并且标准物质形态与实际环境中存在的颗粒物存在很大差异，因此间接校准时的准确度与真实采样有较大的差异。
目前市面上已有的商品化的标准粒子为单粒径分布的标准粒子，且其往往配置成悬浊液，不能自动发生多种粒径的粒子，不能准确发生特定浓度，并且价格昂贵，难以应用于大气颗粒物监测领域；并且能溯源的标准粒子的化学组分往往是聚苯乙烯、二氧化硅或硅硼酸盐玻璃等，其被人体吸入后难以降解，对人体健康有着潜在的危害，而对于大气颗粒物中存在的化学组分，则并没有对应的商品化标准粒子，因此，市面上的标准粒子对大气颗粒物浓度和组分分析仪的校准和质量控制没有实质性的帮助。
有鉴于此，本申请提供了一种多种粒径标准粒子的发生装置，形成不同粒径的标准粒子，用于分析仪的校准。
下面参考具体实施例，对本申请进行说明。下述实施例中所取工艺条件数值均为示例性的，其可取数值范围如前述申请内容中所示，对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。下述实施例所用的监测方法均为本行业常规的监测方法。
图1为本申请实施例中的多种粒径标准粒子的发生装置结构示意图。
参见图1，根据示例性实施例，多种粒径标准粒子的发生装置包括标准溶液流路101、稀释流路103、液体混合器105、干燥空气流路107以及液滴干燥室109。
如图所示，根据一些实施例，标准溶液流路101用于提供发生标准粒子所需的标准溶液。标准溶液可以使用一定浓度的无机盐溶液作为母液，例如，已知浓度的氯化钠溶液，对人体无害，当然，本申请不仅限于此。通过与超稀释流路103中提供的稀释液，在液体混合器105中按比例稀释至不同浓度，形成混合液。由液体混合器105将混合液输送至液滴干燥室109中。在液滴干燥室109中形成一定粒径的液滴，经空气干燥流路107与液滴干燥室109的连通，使得液滴经空气干燥后，形成均匀分布的空气中的确定粒径、确定浓度的粒子。
根据一些实施例，多种粒径标准粒子的发生装置可根据需要通过调节稀释比例，可以得到不同浓度的盐溶液，从而形成不同粒径、不同浓度的标准粒子。
图2为本申请另一实施例中的多种粒径标准粒子的发生装置结构示意图。
参见图2，根据示例性实施例，标准液体流路包括标准溶液容器202和第一注射泵204。其中标准溶液容器202用于容纳标准溶液，标准溶液的选择如前述实施例，此处不再赘述。第一注射泵204用于从标准溶液容器中202中抽取一定的标准溶液，并按照设定的注射流量进行液体输送。根据另一些实施例，可以用蠕动泵加液体流量计的方式替换注射泵。
如图2所示，根据一些实施例，稀释流路包括稀释容器206和第二注射泵208。其中稀释容器206用于容纳稀释液。第二注射泵208用于从稀释容器中抽取一定的稀释液，并且按照设定的注射流量进行液体输送。此处需要说明的是，稀释流路中可以为蒸馏水，也可以是根据第一注射泵中的标准溶液的溶剂选择其他稀释液，本申请此处不做限制。
如图2所示，根据一些实施例，液体混合器105为一混合腔体，其入口分别与第一注射泵和第二注射泵相连接，并将混合液输送至液滴干燥室109。液体混合器105中混合标准溶液和稀释形成混合液。根据另一些实施例，还可以选用多通道阀连接不同浓度的标准溶液，并且只使用一套注射泵(或蠕动泵+液体流量计)，通过多通道阀的切换，来实现不同浓度溶液的进液。
如图2所示，根据示例性实施例，干燥气体可选用干燥空气。在本实施例中，干燥气体流路包括压缩空气源210、干燥管212、颗粒物过滤器214以及控流装置216。压缩空气源210提供压缩空气，可以由真空泵或空气压缩机提供。干燥管212，用于对压缩空气进行干燥，利用干燥物质将空气中的水蒸气分离出压缩空气，降低压缩空气的相对湿度，有利于后续液滴的干燥。干燥物质包括硫酸钙或氯化钙，本申请不仅限于此。
此外，干燥空气流路中还设置有颗粒物过滤器214，用于过滤干燥空气中的颗粒物质，避免额外的杂质粒子进入液滴干燥室而造成最终产生的标准粒子粒径的变化。
如图2所示，根据一些实施例，液滴干燥室109包括液体入口218、气体入口219和雾化器220。液滴干燥室109的液体入口219与液体混合器相连。气体入口与控流装置216相连通，控流装置用来控制气体流量，并保持恒定的气体流量经气体入口219进入液滴干燥室。在本实施例中，液滴干燥室109还设有标准粒子出口。
如图2所示，根据示例性实施例，液体入口与液体混合器105相连通，其中雾化器220位于液滴干燥室与液体入口连接处，与液体混合器连接。液滴干燥室109为一上部为圆筒形，下部为圆锥形拼接而成的内部中空的腔体结构，材质可以为铝材或亚克力。在干燥室内，有雾化器220雾化出来的微小液滴与干燥空气进行混合，由于干燥空气中的水分很低，液滴中的液态水开始蒸发生成气态水蒸气而使得液滴逐渐缩小，最终液滴中含有不能蒸发的盐，形成微小晶体。
根据一些实施例，雾化器为液体雾化装置，再次液体会雾化解离成粒径相同的微小液滴，液滴大小与雾化器的激发频率有关，频率越大，雾化后的小液滴粒径越小。雾化后的液滴由雾化器出口进入液滴干燥室中。
根据一些实施例，本申请所提供的标准粒子发生装置可以自动发生准确浓度的标准粒子，并且可自动发生不同粒径的标准粒子。选用的标准粒子原料无害、易获得、价格低廉。该多种粒径标准粒子的发生装置可用于大气颗粒物监测仪和颗粒物组分分析仪的校准和质量控制。
图3为本申请实施例中的多种粒径标准粒子的发生方法流程图。
如图3所示，根据一些实施例，在S301中，启动多种粒径标准粒子发生装置，记录初始状态数据。在本实施例中，初始状态数据包括进入干燥室的气体流量(控流装置流量)为V，即为进入干燥室的气体流量；第一注射泵标准溶液进液流量为Q1；第二注射泵稀释液进液流量为Q2。
在S303中，根据初始状态数据，计算标准液滴直径dn，计算公式如下：
公式中T为液滴的表面张力系数，N/m；ρ为液滴的密度，kg/m3；f为雾化器声波的震动频率，Hz。
在S305中，根据液滴直径dn，结合溶液浓度c，再通过调节Q1与Q2的比例，可得到不同标准粒子直径D，计算公式如下：
D＝dn{cQ1/[(Q1+Q2)ρ0]}1/3
其中，c为氯化钠标准溶液的浓度，g/L；
ρ0为氯化钠晶体的密度，2165kg/m3；
Q1为第一注射泵的标准溶液进液流量，mL/min；
Q2为第二注射泵的稀释液进液流量，mL/min。在本实施例中，可以为蒸馏水的流量，也可以是根据第一注射泵中的标准溶液的溶剂选择其他溶剂的流量，本申请此处不做限制。
此外，当控流装置控制气体流量(进入干燥室的气体流量)为恒定值V时，还可以获得标准粒子的质量浓度，计算公式如下：
δ＝106cQ1/V
公式中，δ为标准粒子的质量浓度；c为标准溶液的浓度，g/L；Q1为第一注射泵的标准溶液进液流量，mL/min；V为进入干燥室的气体流量，L/min。
本申请所提供的多种粒径标准粒子发生器及发生方法可以应用于一种组分分析仪的校准。
需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的操作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的操作顺序的限制。依据本申请，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
通过以上的详细描述，本领域的技术人员易于理解，根据本申请实施例的技术方案具有以下优点中的一个或多个。
根据一些实施例，采用本申请所提供的多种粒径标准粒子发生装置，可自动发生准确浓度的标准粒子，并可以自动发生不同粒径的标准粒子。此外，由于本申请中发生多种粒径标准粒子的方法是通过调节液体浓度实现的，则可以选择一种原料母液，容易获得，替代有毒害标准粒子，价格也更为低廉。该种标准粒子发生装置多用于大气颗粒物监测仪或颗粒物组分分析仪的校准和质量控制系统中。
显然，上述实施例仅是为清楚地说明本申请所作的举例，而并非对实施方式的限定。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。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本申请的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种多种粒径标准粒子的发生装置，其特征在于，包括：
标准溶液流路，用于提供发生标准粒子所需的标准溶液；
稀释流路，用于稀释所述标准溶液；
液体混合器，设置在所述标准液体流路和所述稀释流路下游，用于混合所述标准溶液和所述稀释液，形成混合液；
干燥气体流路，用于提供干燥气体；
液滴干燥室，分别与所述液体混合器和所述干燥气体流路相连，用于干燥所述混合液在所述液滴干燥室中形成的液滴，以制备标准粒子。
2.根据权利要求1所述的发生装置，其特征在于，所述标准液体流路包括：
标准溶液容器，容纳标准溶液；
第一注射泵，用于从所述标准溶液容器中抽取一定的标准溶液，并按照设定的注射流量进行液体输送。
3.根据权利要求2所述的发生装置，其特征在于，所述标准溶液包括：预定浓度的氯化钠溶液。
4.根据权利要求2所述的发生装置，其特征在于，所述稀释流路包括：
稀释容器，容纳所述稀释液；
第二注射泵，用于从所述稀释容器中抽取一定的稀释液，并且按照设定的注射流量进行液体输送。
5.根据权利要求4所述的发生装置，其特征在于，所述液体混合器包括：
混合腔体，所述液体混合器的入口分别与所述第一注射泵和所述第二注射泵相连。
6.根据权利要求1所述的发生装置，其特征在于，所述干燥气体包括：干燥空气。
7.根据权利要求6所述的发生装置，其特征在于，所述的干燥气体流路包括：
压缩空气源，用于提供压缩空气；
干燥管，用于对所述压缩空气进行干燥；
颗粒物过滤器，用于过滤所述干燥空气；
控流装置，用于提供恒定气体流量的干燥空气进入所述液滴干燥室。
8.根据权利要求1所述的发生装置，其特征在于，所述液滴干燥室包括：
液体入口，与所述液体混合器相连；
气体入口，与所述干燥气体流路相连；
雾化器，设置在所述液体入口与所述液滴干燥室连接处，用于雾化所述混合液。
9.根据权利要求8所述的发生装置，其特征在于，所述液滴干燥室还包括：
上部为圆筒体下部为锥体。
10.根据权利要求8所述的发生装置，其特征在于，所述液滴干燥室材料包括:铝材或亚克力材料。
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|---|---|---|---|
| CN202010555623.0A CN111624071A (zh) | 2020-06-17 | 2020-06-17 | 一种多种粒径标准粒子的发生装置及方法 |
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- 2020-06-17 CN CN202010555623.0A patent/CN111624071A/zh active Pending
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