CN113405861A - 一种新型的用于检测环境中pm2.5浓度的采样条带 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微小颗粒检测领域，更具体地涉及到一种新型的用于检测环境中PM2.5浓度的采样条带的制备及使用方法。所述新型PM2.5浓度的采样条带的组成结构，包括吸附层，衬底层，所述的吸附层由多层石墨烯或氧化石墨烯通过抽滤方式依附在所述衬底层上，用于贝塔射线衰减法粉尘检测仪。本发明提供的采样条带具有高的PM2.5吸附能力，高贝塔射线透射率，即能提高采样条带的使用时长，又能提高了PM2.5检测精确度。

Description

一种新型的用于检测环境中PM2.5浓度的采样条带
技术领域
本发明涉及一种微小颗粒检测技术,属于环境检测技术领域。
背景技术
PM2.5是指环境空气中空气动力学当量直径小于等于2.5微米的颗粒物。PM2.5粒径小，易附带有毒、有害物质，且在大气中的停留时间长，因而对人体健康和大气环境质量有重大影响。在2016年实施的新《环境空气质量标准》中，PM2.5成为空气污染指数的必要统计对象。
目前，计算空气中PM2.5的方法包括以下三种：重量法、贝塔射线衰减法和微量振荡天平法。这三种方法都需要将一定体积待测气体的通过过滤方法将PM2.5截留在滤膜中，再对滤膜中的PM2.5数量进行统计得到待测气体中PM2.5的浓度。其中重量法通过称量过滤前后滤膜的质量变化来计算PM2.5数量。贝塔射线衰减法依据贝塔射线穿透材料造成能量损失原理，当滤膜吸附PM2.5后，滤膜对贝塔射线的衰减能力增加，通过计算贝塔射线能量衰减变化来计算PM2.5数量。微量振荡天平法将滤膜材料放置于振荡器上，通过电场激励振荡器产生振荡。当滤膜吸收PM2.5后，滤膜增重从而改变整个振荡器的质量引起振荡频率的改变。通过计算频率变化得到滤膜上PM2.5质量进而计算待测气体中PM2.5的含量。目前市面上主流的PM2.5测量装置普遍采用贝塔射线衰减法进行测量。
无论哪种检测方法，滤膜是核心组件，滤膜对PM2.5的吸附能力直接影响测量的准确性。现在市面用于吸附PM2.5的材料有玻璃纤维、聚丙烯熔喷布，涤纶树脂等。PM2.5吸附材料对PM2.5吸附能力主要体现在材料的比表面积。目前伴随科学领域发展，市面上所用材料的比表面积逐渐失去优势。
目前，市面上所用的吸附条带材料为空白玻璃纤维滤纸。这种材料具有较好的强度和吸附性能力，但是由于材料本身较厚对于贝塔射线的吸收较强，因此使用贝塔射线法计算PM2.5颗粒时计算精度较低。已有研究表明纯聚丙烯腈纤维材料对PM2.5的截留能力达到93.36％，而掺杂0.5％质量浓度的氧化石墨烯制成的氧化石墨烯-聚丙烯腈符合材料对PM2.5的截留能力达到99.97％，极大的提高了检测的准确度。(Jing Li.DazhenZhang.Nanofibrous membrane of graphene oxide-in-polyacrylonitrile compositewith low filtration resistance for the effective capture of PM2.5.Journal ofMembrane Science.2018.551,85-92.)。
发明内容
为了解决现有技术存在的材料本身对于贝塔射线的吸收较强，对于PM2.5颗粒的吸附能力较差，因此对于PM2.5颗粒的检测灵敏度较低的问题，本发明提供了一种新型的用于检测环境中PM2.5浓度的采样条带，采用石墨烯基为吸附层，检测灵敏度高，对PM2.5颗粒的西服能力强。
技术方案：一种新型的用于检测环境中PM2.5浓度的采样条带，包括吸附层和衬底层，所述的吸附层由石墨烯基材料组成，所述的衬底层由稀疏多孔材料组成。
所述的石墨烯基材料包括石墨烯、氧化石墨烯。
所述的稀疏多孔材料包括PET材料粗滤网、玻璃纤维粗滤纸。
吸附层依附于衬底层上，或吸附层嵌入衬底层之内。
吸附层厚度为5-100微米。
所述的新型的用于检测环境中PM2.5浓度的采样条带的制作方法，包括以下步骤：
(1)配置吸附层材料分散液：
(2)在过滤器中衬入一层滤纸：
(3)在滤纸上放置入一层衬底层材料：
(4)将步骤(1)所得的悬浮溶液倒入步骤(3)所装配的过滤器材中：
(5)使用加速过滤方法加速步骤(1)所得的悬浮溶液的过滤，得到潮湿的覆盖吸附层材料的衬底层材料：
(6)将步骤(5)所得的潮湿的覆盖吸附层材料的衬底层材料进行干燥处理，得到干燥的覆盖吸附层材料的衬底层材料，完成吸附层依附于衬底层结构的采样条带。
(7)将步骤(6)所得吸附层依附于衬底层结构的采样条带置于平整平面，吸附层材料向上。另取一张衬底层材料覆盖在吸附层材料之上，形成衬底层-吸附层-衬底层结构，密封上下衬底层，形成吸附层嵌入衬底层结构的采样条带。
步骤(1)得到吸附层材料分散液的溶液浓度为10～0.5mg/ml。
步骤(4)使用的悬浮溶液体积为50～1000ml。
步骤(5)使用的过滤加速方法为负压抽滤方法。
步骤(7)使用的密封方法为胶水密封方法。
所述的新型的用于检测环境中PM2.5浓度的采样条带在贝塔射线衰减法粉尘检测中的应用。
有益效果：
本发明采用石墨烯材料为吸附层，石墨烯材料由碳元素组成，具有高比表面积和材料低原子序数特点。高比表面积特点可以增强石墨烯对PM2.5的吸附能力，材料低原子序数特点可以减小滤膜本身对贝塔射线的衰减影响从而提高对PM2.5检测精度。
本发明步骤(6)中干燥的覆盖吸附层材料的衬底层材料厚度由步骤(1)配置的溶液浓度和步骤(4)中使用的溶液体积决定。
附图说明
图1为吸附结构的新型的用于检测环境中PM2.5浓度的采样条带结构俯视图。
图2为吸附结构的新型的用于检测环境中PM2.5浓度的采样条带结构侧视图。
1-吸附层、2-衬底层。
图3为石墨烯吸附PM2.5后的在电子显微镜下的表面照片。
具体实施方式
实施例1
第一步，取200mg石墨烯粉末加入到100ml去离子水中，使用功率为40w超声机超声分散成2mg/ml的分散液。
第二步，选取一套抽滤装置，在过滤装置中的漏斗放上一层滤纸。
第三步，取一段PET粗过滤网，以单层结构叠加在第二步的滤纸之上。
第四部，将第一步配置的100ml的2mg/ml的分散液倒入漏斗中并使用差分泵进行抽滤，抽滤完成后移去滤纸，得到带石墨烯的PET粗滤网。
第五步，将第四部得到的带石墨烯的PET粗滤网放入烤箱中以150摄氏度烘烤30分钟进行干燥处理，吸附层为80微米，吸附面积约为20平方厘米。
实施例2
第一步，取25mg氧化石墨烯粉末加入到100ml去离子水中，使用功率为40w超声机超声分散成0.25mg/ml的分散液。
第二步，选取一套抽滤装置，在过滤装置中的漏斗放上一层滤纸。
第三步，取一段玻璃纤维粗滤纸，以单层结构叠加在第二步的滤纸之上。
第四部，将第一步配置的100ml的0.25mg/ml的分散液倒入漏斗中并使用差分泵进行抽滤，抽滤完成后移去滤纸，得到带氧化石墨烯的玻璃纤维粗滤纸。
第五步，将第四部得到的带氧化石墨烯的玻璃纤维粗滤纸放入烤箱中以150摄氏度烘烤30分钟进行干燥处理，吸附层厚度为10微米，吸附面积约为20平方厘米。
实施例3
第一步，取125mg氧化石墨烯粉末加入到100ml去离子水中，使用功率为40w超声机超声分散成1.25mg/ml的分散液。
第二步，选取一套抽滤装置，在过滤装置中的漏斗放上一层滤纸。
第三步，取一段玻璃纤维粗滤纸面积，以单层结构叠加在第二步的滤纸之上。
第四部，将第一步配置的100ml的1.25mg/ml的分散液倒入漏斗中并使用差分泵进行抽滤，抽滤完成后移去滤纸，得到带氧化石墨烯的玻璃纤维粗滤纸。
第五步，将第四部得到的带氧化石墨烯的玻璃纤维粗滤纸放入烤箱中以150摄氏度烘烤30分钟进行干燥处理，吸附层厚度为50微米，吸附面积约为20平方厘米。
第六步，将第五部得到的干燥带氧化石墨烯的玻璃纤维粗滤纸放于平整平面，氧化石墨烯面向上，另取一张玻璃纤维粗滤纸覆盖在氧化石墨烯上，将UV固化胶涂于未覆盖氧化石墨烯的上下璃纤维粗滤纸边缘并使用紫外灯照射UV固化胶使其固化。
表1为两种吸附层材料的部分物理特性。
Figure BDA0003183962760000031
本发明的新型的PM2.5采样条带制备方式简单，使用效果好，相较现有同类材料有精度高的特点。

Claims (10)

1.一种新型的用于检测环境中PM2.5浓度的采样条带，其特征在于，包括吸附层和衬底层，所述的吸附层由石墨烯基材料组成，所述的衬底层由稀疏多孔材料组成。
2.根据权利要求1所述的新型的用于检测环境中PM2.5浓度的采样条带，其特征在于，所述的石墨烯基材料包括石墨烯、氧化石墨烯。
3.根据权利要求1所述的新型的用于检测环境中PM2.5浓度的采样条带，其特征在于，所述的稀疏多孔材料包括PET材料粗滤网、玻璃纤维粗滤纸。
4.根据权利要求1所述的新型的用于检测环境中PM2.5浓度的采样条带结构，其特征在于，吸附层依附于衬底层上，或吸附层嵌入衬底层之内。
5.根据权利要求1所述的新型的用于检测环境中PM2.5浓度的采样条带结构，其特征在于，吸附层厚度为5-100微米。
6.权利要求1～5任一所述的新型的用于检测环境中PM2.5浓度的采样条带的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)配置吸附层材料分散液：
(2)在过滤器中衬入一层滤纸：
(3)在滤纸上放置入一层衬底层材料：
(4)将步骤(1)所得的悬浮溶液倒入步骤(3)所装配的过滤器材中：
(5)使用加速过滤方法加速步骤(1)所得的悬浮溶液的过滤，得到潮湿的覆盖吸附层材料的衬底层材料：
(6)将步骤(5)所得的潮湿的覆盖吸附层材料的衬底层材料进行干燥处理，得到干燥的覆盖吸附层材料的衬底层材料，完成吸附层依附于衬底层结构的采样条带；
(7)将步骤(6)所得吸附层依附于衬底层结构的采样条带置于平整平面，吸附层材料向上，另取一张衬底层材料覆盖在吸附层材料之上，形成衬底层-吸附层-衬底层结构，密封上下衬底层，形成吸附层嵌入衬底层结构的采样条带。
7.根据权利要求6所述的新型的用于检测环境中PM2.5浓度的采样条带的制作方法，其特征在于，步骤(1)得到吸附层材料分散液的溶液浓度为10～0.5mg/ml。
8.根据权利要求6所述的新型的用于检测环境中PM2.5浓度的采样条带的制作方法，其特征在于，步骤(4)中使用的悬浮溶液体积为50～1000ml。
9.根据权利要求6所述的新型的用于检测环境中PM2.5浓度的采样条带的制作方法，其特征在于，步骤(5)使用的过滤加速方法为负压抽滤方法，步骤(7)使用的密封方法为胶水密封方法。
10.权利要求1～5任一所述的新型的用于检测环境中PM2.5浓度的采样条带在贝塔射线衰减法粉尘检测中的应用。
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