CN113899613B - 一种基于水蒸气过饱和增长技术的纳米气溶胶富集装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于水蒸气过饱和增长技术的纳米气溶胶富集装置及方法。本发明涉及了一种基于水蒸气饱和凝结原理的纳米气溶胶增长富集装置及方法。该装置包括凝结增长管、超纯水通道、空气动力学富集模块和温度控制装置。本发明基于水蒸气过饱和凝结原理，利用三级温度控制装置控制过饱和凝结增长的温度，在气溶胶样品通过过饱和凝结增长管时，首先利用水蒸气扩散速率高于气体传热速率的特性，为颗粒物凝结增长提供水蒸气过饱和条件，之后通过趋势相反的温度梯度设置，使增长室降温的同时保持过饱和条件，实现气溶胶凝结增长。粒径增长后的气溶胶通过空气动力学富集模块，实现对气溶胶数浓度的富集。

Description

一种基于水蒸气过饱和增长技术的纳米气溶胶富集装置及 方法

技术领域

本发明涉及气溶胶监测技术领域，具体涉及一种基于水蒸气过饱和凝结原理的纳米气溶胶富集装置及控制方法。

背景技术

目前，对于超细纳米气溶胶(<100纳米)的主要测量方法是使纳米气溶胶在过饱和条件下凝结增长至可被光学检测器检测的粒径范围，并通过光学检测器检测其数浓度。

目前我国基于水蒸气的纳米气溶胶过饱和凝结增长装置主要为两段控温的凝结增长装置，专利公开号为CN106680057B的专利提供了一种基于水蒸气的纳米气溶胶两段过饱和凝结增长装置，该装置存在以下缺点：1)过饱和凝结增长后的气流温度过高，不利于质谱检测；2)没有与空气动力富集模块的联用，凝结增长后的气溶胶进入质谱检测所得到的信号强度低。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种基于水蒸气过饱和凝结原理的纳米气溶胶富集装置及方法。

该装置通过三级温控过饱和凝结装置在实现气溶胶过饱和增长的同时，控制样品温度和露点，并利用空气动力学富集模块使气溶胶的数浓度提升5～10倍。

本发明采用的技术方案具体如下：

一种基于水蒸气过饱和凝结原理的纳米气溶胶富集装置，至少包括过饱和凝结增长管、超纯水通道、空气动力学富集模块和温度控制装置。所述过饱和凝结增长管由空心圆柱状储水滤芯和与储水滤芯外围同轴装配的套管组成；温度控制装置设置于所述过饱和凝结增长管外侧，用于控制所述过饱和凝结增长管从入口至出口三个连续的区域的温度，其中，第二区域的温度高于第一区域的温度，第三区域的温度低于第二区域的温度。所述超纯水通道与储水滤芯连接，用于使过储水滤芯保持水饱和；空气动力学富集模块与饱和凝结增长管的出口连接，用于富集从饱和凝结增长管出口流出的气溶胶。

进一步地，所述温度控制装置具体包括第一级制冷装置、加热装置和第二级制冷装置，分别用于控制第一区域、第二区域和第三区域的温度。

进一步地，所述第一级制冷装置、加热装置和第二级制冷装置与所述过饱和凝结增长管之间均设置有温度传感器。

进一步地，第一区域、第二区域和第三区域之间采用绝热环隔绝。

进一步地，所述储水滤芯的内径不小于10mm；所述储水滤芯的材质为多孔尼龙介质材料，且多孔尼龙介质材料的孔隙直径不小于1μm。

进一步地，所述空气动力学富集模块包括固定模块、与过饱和凝结增长管内径相等的圆柱体，固定模块用于固定连接凝结增长管和圆柱体。所述圆柱体内设有多个按照气溶胶空气动力学透镜原理设计的轴向圆形通道作为气溶胶通道，多个圆形通道沿径向排布，且距离圆心越近圆形通道的内径越大。每个圆形通道的侧壁设有相互连通的周向狭缝，用于在气溶胶样品通过透镜孔时排出气溶胶样品外围气流。每个圆形通道的外壁内设有相互连通的空腔，用于缓冲外围气流。圆柱体后端与设有喷嘴的后面板相连，用于排出富集后的气溶胶。圆柱体后端内，气溶胶通道与后面板之间设有空腔，用于缓冲气溶胶通道排出的气溶胶。

上述空气动力学富集模块采用多个通道沿径向分布的圆形通道，并且距离圆心越近圆形通道的孔径越大模拟了经所述过饱和凝结增长管凝结增长后的颗粒物过饱和增长的大致分布，从而极大地提升了富集效率。

一种基于上述纳米气溶胶富集装置的气溶胶吸湿增长并富集方法，包括以下步骤：

(1)控制超纯水通道，使过储水滤芯保持水饱和状态；

(2)开启温度控制装置，控制所述过饱和凝结增长管从入口至出口三个连续的区域的温度，产生两种变化趋势相反的温度梯度条件。

(3)通入气溶胶，从空气动力学富集模块出口获得吸湿增长并富集后的气溶胶。其中，通过调节所述过饱和凝结增长管从入口至出口三个连续的区域间的温度梯度对气溶胶过饱和增长后的粒径大小进行控制。同时利用空气动力富集模块使气溶胶富集于中心气流处，通过采集中心气流，排空外围气流的方式，对气溶胶数浓度进行富集，通过控制外围气流的排空流量，使气溶胶数浓度富集效率得到控制。

本发明至少可实现如下有益效果：

(1)使用去离子水作为工作液，无有机杂质引入。

(2)本发明所述的富集方法，通过控制过饱和凝结增长管三个饱和水蒸气区域的温度差，调节水蒸气的过饱和度，实现对吸湿增长气溶胶的粒径大小的控制，同时控制出气温度和露点，利于与成分检测设备联用。

(3)本发明通过空气动力学富集模块，对增长后的气溶胶进行富集，能够使成分检测的检测限降低5-10倍。

附图说明

图1是基于水蒸气过饱和增长技术的纳米气溶胶富集装置的结构示意图；

图2是空气动力富集模块的结构图；

图中：

1、第一级制冷装置，2、加热装置，3、第二级制冷装置，4、储水滤芯，5、空气动力学富集模块，6、超纯水储存装置，7、蠕动泵，8、不锈钢套管，9、超纯水通道，10、第一绝热环，11、第二绝热环，12、过饱和凝结增长管，13、温度控制装置，14、第一级温度传感器，15、第二级温度传感器，16、第三级温度传感器，17、排水管，18、气溶胶通道，19、设有喷嘴的后面板，20、固定模块，21、密封O型圈，22、第一圆柱体，23、第二圆柱体，24、狭缝，25、空腔。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进一步详细说明：

如图1所示，一种基于水蒸气过饱和增长技术的纳米气溶胶富集装置，包括过饱和凝结增长管12、超纯水通道9、空气动力学富集模块5和温度控制装置13。超纯水通道9、过饱和凝结增长管12和空气动力学富集模块5依次相连，温度控制装置13包裹在过饱和凝结增长管12外，用于控制所述过饱和凝结增长管从入口至出口三个连续的区域的温度，其中，第二区域的温度高于第一区域的温度，第三区域的温度低于第二区域的温度。温度控制装置13通过数据线与计算机相连。

具体地说，所述过饱和凝结增长管12包括不锈钢套管8和储水滤芯4，储水滤芯4为空心圆柱状，与不锈钢套管8同轴装配；所述超纯水通道9与储水滤芯4连接，用于使过储水滤芯4保持水饱和；具体包括超纯水储存容器6、蠕动泵7和排水管17；蠕动泵7驱动将超纯水储存容器6中的超纯水从一端输送入储水滤芯4中，并通过与储水滤芯4另一端连接的排水管17排出。所述温度控制装置13包括依次包裹在过饱和凝结增长管12外的第一级制冷装置1、加热装置2、第二级制冷装置3以及分别设置在第一、第二级制冷装置(1、3)和加热装置2与过饱和凝结增长管12之间的温度传感器(14、15、16)，温度传感器数据采集系统以及相应的控制电路。空气动力学富集模块5与饱和凝结增长管12的出口连接，用于富集从饱和凝结增长管出口流出的气溶胶。

进一步地，所述储水滤芯4的内径不小于10mm；所述储水滤芯4的材质为多孔尼龙介质材料；且多孔介质的孔隙直径不小于1μm。

进一步地，所述第一级制冷装置1和加热装置2间装配第一绝热环10，所述第二级制冷装置3和加热装置2间装配第二绝热环11，便于严格控制各区域的温度。

作为一优选方案，如图2所示，其中空气动力学富集模块5包括固定模块20、与过饱和凝结增长管12内径相等的圆柱体，固定模块20用于固定连接凝结增长管18和圆柱体。圆柱体内设有多个按照气溶胶空气动力学透镜原理设计的轴向圆形通道作为气溶胶通道18，图中所示为8通道，多个圆形通道沿径向排布，且距离圆心越近圆形通道的内径越大(图中未示出)。每个圆形通道的侧壁设有相互连通的周向狭缝24，用于在气溶胶样品通过圆形通道排出气溶胶样品外围气流。进一步地，每个圆形通道的外壁内设有相互连通的空腔25，用于缓冲外围气流。圆柱体后端与设有喷嘴的后面板19相连，通过O型圈21密封，用于排出富集后的气溶胶。同样地，圆柱体后端内，气溶胶通道18与后面板19之间设有空腔，用于缓冲气溶胶通道18排出的气溶胶。

优选地，如图2所示，所述圆柱体包括第一圆柱体22和第二圆柱体23，第一圆柱体22与第二圆柱体23外壁通过O型圈21密封连接，使中间连接处形成狭缝24，同时圆柱体最外侧的空腔25侧壁留有通孔(图中未示出)，可与抽气泵相连，便于排出气溶胶样品外围气流。

气溶胶通道18长23mm，直径2mm；喷嘴可以采用八角喷嘴，其尺寸不小于1mm。以上述提供的基于水蒸气过饱和增长技术的纳米气溶胶富集装置为例，本实施例中还详细描述了一种使气溶胶吸湿增长并富集的方法，该方法包括以下步骤：

(1)通过调节蠕动泵7的转速，使超纯水储存容器6中的超纯水以稳定流速流入储水滤芯4，使其保持浸湿状态，多余的超纯水通过排水管17排出；

(2)第一级制冷装置1、加热装置2和第二级制冷装置3把过饱和凝结增长管12分为三级区域，中间分别通过第一绝热环10和第二绝热环11相连，使制冷装置在制冷模式下工作、加热器在加热模式下工作，产生两种变化趋势相反的温度梯度条件；

(3)通入气溶胶，气溶胶样品进入过饱和凝结增长管12的第一区域进行冷却，加湿；再进入第二区域进行加热，使气溶胶在水蒸气饱和条件下活化和初始增长；最后进入第三区域，进行过饱和凝结后续增长，降低样品的温度和露点。

采用以下方式对气溶胶过饱和增长后的粒径大小进行控制：

控制第一级制冷装置、第二级制冷装置和加热装置的工作温度，改变过饱和凝结增长管各区域间的温度梯度，从而影响过饱和凝结增长管中气溶胶过饱和凝结增长效率，对气溶胶过饱和增长后的粒径大小进行控制。

(4)利用空气动力富集模块使气溶胶富集于中心气流处，通过采集中心气流，排空外围气流的方式，对气溶胶数浓度进行富集，通过控制外围气流的排空流量，使气溶胶数浓度富集效率得到控制。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，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他不同形式的变化或变动。这里无需也无法把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发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于水蒸气过饱和凝结原理的纳米气溶胶富集装置，其特征在于：包括过饱和凝结增长管、超纯水通道、空气动力学富集模块和温度控制装置；所述过饱和凝结增长管由空心圆柱状储水滤芯和与储水滤芯外围同轴装配的套管组成；温度控制装置设置于所述过饱和凝结增长管外侧，用于控制所述过饱和凝结增长管从入口至出口三个连续的区域的温度，其中，第二区域的温度高于第一区域的温度，第三区域的温度低于第二区域的温度；所述超纯水通道与储水滤芯连接，用于使过储水滤芯保持水饱和；空气动力学富集模块与饱和凝结增长管的出口连接，用于富集从饱和凝结增长管出口流出的气溶胶；所述空气动力学富集模块包括固定模块、与过饱和凝结增长管内径相等的圆柱体，固定模块用于固定连接凝结增长管和圆柱体；所述圆柱体内设有多个按照气溶胶空气动力学透镜原理设计的轴向圆形通道作为气溶胶通道，多个圆形通道沿径向排布，且距离圆心越近圆形通道的内径越大；每个圆形通道的侧壁设有相互连通的周向狭缝，用于在气溶胶样品通过气溶胶通道时排出气溶胶样品外围气流；每个圆形通道的外壁内设有相互连通的空腔，用于缓冲外围气流；圆柱体后端与设有喷嘴的后面板相连，用于排出富集后的气溶胶；圆柱体后端内，气溶胶通道与后面板之间设有空腔，用于缓冲气溶胶通道排出的气溶胶。

2.根据权利要求1所述的纳米气溶胶富集装置，其特征在于：所述温度控制装置具体包括第一级制冷装置、加热装置和第二级制冷装置，分别用于控制第一区域、第二区域和第三区域的温度。

3.根据权利要求2所述的纳米气溶胶富集装置，其特征在于：所述第一级制冷装置、加热装置和第二级制冷装置与所述过饱和凝结增长管之间均设置有温度传感器。

4.根据权利要求1所述的纳米气溶胶富集装置，其特征在于：第一区域、第二区域和第三区域之间采用绝热环隔绝。

5.根据权利要求1所述的纳米气溶胶富集装置，其特征在于：所述储水滤芯的内径不小于10mm；所述储水滤芯的材质为多孔尼龙介质材料，且多孔尼龙介质材料的孔隙直径不小于1μm。

6.一种基于权利要求1-5任一项所述纳米气溶胶富集装置的气溶胶吸湿增长并富集方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）控制超纯水通道，使过储水滤芯保持水饱和状态；

（2）开启温度控制装置，控制所述过饱和凝结增长管从入口至出口三个连续的区域的温度，产生两种变化趋势相反的温度梯度条件；

（3）通入气溶胶，从空气动力学富集模块出口获得吸湿增长并富集后的气溶胶；其中，通过调节所述过饱和凝结增长管从入口至出口三个连续的区域间的温度梯度对气溶胶过饱和增长后的粒径大小进行控制。

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