CN114383918B - 一种enm气溶胶扩散干燥系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种ENM气溶胶扩散干燥系统，包括第一干燥段、过滤段和第二干燥段，第一干燥段包括第一管体以及贴附在第一管体内壁的硅胶；过滤段包括圆柱管体和圆台管体，圆台管体的大端与圆柱管体的一端连通，圆柱管体上远离圆台管体的一端开设有多个第一通孔，圆台管体的锥面开设有多个第二通孔，圆柱管体和圆台管体内设置有活性炭；第二干燥段包括第二管体和设置在第二管体内的螺旋形纱管，螺旋形纱管上开设有多个第三通孔，螺旋形纱管内填充有干燥剂；第一管体和第二管体均与圆柱管体的外壁密封连接，圆台管体伸入第一管体内，且硅胶与圆台管体的锥面不接触。本发明可以有效完成ENM气溶胶的干燥、吸附，使得干燥后的ENM气溶胶流速符合实验要求。
Description
技术领域
本发明涉及工程纳米材料(ENM)气溶胶制备和监测技术领域，尤其涉及一种ENM气溶胶扩散干燥系统。
背景技术
工程纳米材料(Engineered Nanomaterials，ENM)由于其独特的性质已经被广泛应用于很多领域，但随着工程纳米材料的大规模制备和广泛应用，它对环境以及人类的潜在危害越来越引起人们的关注，制备符合要求的ENM气溶胶是开展进一步研究的前提，然而在对气溶胶采样过程中，仪器本身内部正常工作的相对湿度多小于40％，此外，气溶胶中的吸湿组分在相对湿度大于50％时有明显的吸湿增长现象。因此，降低气溶胶采样过程中的相对湿度成为必要。为了研究ENM气溶胶对动物的影响和危害，使产生的气溶胶更利于动物的呼吸，必须对新鲜制备的ENM气溶胶的湿度和气流速度进行控制。因此，气溶胶扩散干燥系统就起到了决定性作用。
目前无论是场外观测还是实验室模拟实验，人们常用到的干燥装置有两类：(1)利用薄膜干燥技术的Nafion干燥管。Nafion干燥管仅能用于气溶胶的干燥，并且适用于小流量的气流干燥，无法满足其他用途，比如去除工程纳米材料中的杂质，另一个原因，商业化的Nafion干燥管价格比较昂贵。(2)利用气体扩散，硅胶吸附技术的扩散干燥管，商业化的扩散干燥管一般只有一个气体通道，并且一根扩散干燥管只能填充一种物质，而且输出的气溶胶流速不能达到预期的要求，不利于开展后续的研究。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种ENM气溶胶扩散干燥系统，可以有效完成ENM气溶胶的干燥、吸附，使得干燥后的ENM气溶胶流速符合实验要求，方便监测浓度和湿度，减少颗粒物损失。
为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种ENM气溶胶扩散干燥系统，包括第一干燥段、过滤段和第二干燥段，所述第一干燥段包括第一管体以及贴附在所述第一管体内壁的硅胶；所述过滤段包括圆柱管体和圆台管体，所述圆台管体的大端与所述圆柱管体的一端连通，所述圆柱管体上远离所述圆台管体的一端开设有多个第一通孔，所述圆台管体的锥面开设有多个第二通孔，所述圆柱管体和所述圆台管体内设置有活性炭；所述第二干燥段包括第二管体和设置在所述第二管体内的螺旋形纱管，所述螺旋形纱管与所述第二管体的内壁之间设置有间隙，所述螺旋形纱管上开设有多个第三通孔，所述螺旋形纱管内填充有干燥剂；所述第一管体和所述第二管体均与所述圆柱管体的外壁密封连接，所述圆台管体伸入所述第一管体内，且所述硅胶与所述圆台管体的锥面不接触。
进一步地，所述多个第一通孔为蜂窝孔且均布开设在所述圆柱管体的一端，所述多个第二通孔为圆孔且均布开设在所述圆台管体的锥面，所述多个第三通孔为圆孔且均布开设在所述螺旋形纱管上。
进一步地，所述圆柱管体内还设置有发热包。
进一步地，所述圆柱管体的外壁开设有外螺纹，所述第一管体和所述第二管体的内壁开设有内螺纹，所述第一管体和所述第二管体均与所述圆柱管体通过螺纹连接。
进一步地，所述圆柱管体上远离所述圆台管体的一端的中部设置有螺纹孔，所述螺旋形纱管的一端设置有与所述螺纹孔相适配的螺纹，所述螺旋形纱管的一端与所述螺纹孔螺纹连接。
进一步地，所述第二管体内远离所述过滤段的一端设置有浓度检测装置。
进一步地，所述第二管体内远离所述过滤段的一端设置有湿度检测装置。
进一步地，所述第一管体上远离所述过滤段的一端设置有气溶胶输入口。
进一步地，所述第二管体上远离所述过滤段的一端设置有气溶胶输出口。
进一步地，所述活性炭表面的微孔直径为2nm～50nm。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明提供的一种ENM气溶胶扩散干燥系统，在使用时，将ENM气溶胶通入第一干燥段，ENM气溶胶与第一管体内壁的硅胶接触后，两者之间产生作用，这种作用主要是物理和化学作用，物理作用来自于硅胶表面与ENM气溶胶分子之间的范德华力，化学作用主要是硅胶表面的硅羟基与ENM气溶胶之间的氢键作用，硅胶对ENM气溶胶进行初步干燥，同时也能降低气流流速，便于更好地通过扩散法进行后续的干燥和吸附。ENM气溶胶从圆台管体的锥面上的第二通孔进入，截面积逐渐增大，气流速度逐渐减小，从圆柱管体的蜂窝状的第一通孔流出，利用活性炭吸附去除ENM气溶胶中的杂质，同时，因为ENM气溶胶先后经过从圆台管体和圆柱管体，由流体力学知识可知，气体以一定的流量在截面积变化的管道内流动时，气体流速与管径截面积成反比，过滤段一端呈锥面的结构使得截面积逐渐变大，气溶胶流经过滤器后，速度降低。经过过滤后的ENM气溶胶进入第二管体中，ENM气溶胶在第二管体内流动时，会受到沿程阻力，具体地说，沿程阻力包括ENM气溶胶内摩擦力及ENM气溶胶与管壁的摩擦力，另外，因为设计了螺旋形纱管的存在会使流通截面增加，阻力增加，这些阻力会使ENM气溶胶流动的能量损失，流速降低。
进一步地，根据分子扩散现象，物质分子从高浓度区域向低浓度区域转移直到均匀分布的现象，高浓度的ENM气溶胶向第二干燥段内流动扩散时，过滤段的圆柱管体表面的蜂窝状孔洞可以使ENM气溶胶在第二干燥段内实现全部扩散，干燥效果更好，另外，通孔的均匀分布使得ENM气溶胶流动均匀。
进一步地，在圆柱管体内设置有发热包，ENM气溶胶具有布朗运动的特性，分子运动的剧烈程度随着流体温度的升高而增加，ENM气溶胶流经发热包后，温度升高，分子内部运动加剧，因此加快了ENM气溶胶在第二干燥段内的扩散程度，有利于后续的干燥过程。
进一步地，第一管体和第二管体均与圆柱管体通过螺纹连接，整套装置结构简单，拆卸方便，成本较低。
进一步地，螺旋形纱管的一端与过滤段螺纹连接，安装拆卸方便，便于更换。
进一步地，第二管体内远离过滤段的一端设置有浓度检测装置，便于工作人员观测干燥结束后的ENM气溶胶的浓度。
进一步地，第二管体内远离过滤段的一端设置有湿度检测装置，便于工作人员观测干燥结束后的ENM气溶胶的干燥程度。
进一步地，在第一管体上远离过滤段的一端设置有气溶胶输入口，利用气溶胶输入口更好的引导ENM气溶胶进入第一干燥段内。
进一步地，第二管体上远离过滤段的一端设置有气溶胶输出口，利用气溶胶输入口便于将干燥后的ENM气溶胶输出。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式中的技术方案，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种ENM气溶胶扩散干燥系统的整体结构示意图；
图2为本发明一种ENM气溶胶扩散干燥系统的爆炸示意图；
图3为本发明一种ENM气溶胶扩散干燥系统的过滤段的结构示意图；
图4为本发明一种ENM气溶胶扩散干燥系统的螺旋形纱管的结构示意图；
图5为本发明一种ENM气溶胶扩散干燥系统的第二管体的结构示意图。
图中：1-第一干燥段；101-第一管体；2-过滤段；201-圆柱管体；202-圆台管体；203-第一通孔；204-第二通孔；3-第二干燥段；301-第二管体；302-螺旋形纱管；303-第三通孔；4-螺纹孔；5-浓度检测装置；6-湿度检测装置；7-气溶胶输入口；8-气溶胶输出口。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
作为本发明的某一具体实施方式，结合图1至图5所示，一种ENM气溶胶扩散干燥系统，包括第一干燥段1、过滤段2和第二干燥段3，第一干燥段1用于对ENM气溶胶进行初步的干燥，过滤段2用于对对ENM气溶胶进行过滤去除杂质，第二干燥段3用于对ENM气溶胶进行最终的干燥。
具体地说，结合图2所示，第一干燥段1包括第一管体101以及贴附在第一管体101内壁的硅胶，硅胶对ENM气溶胶进行初步干燥，同时也能降低气流流速，便于更好地通过扩散法进行后续的干燥和吸附。在第一管体101上远离过滤段2的一端设置有气溶胶输入口7，ENM气溶胶从气溶胶输入口7输入，气溶胶输入口7用于引导ENM气溶胶流入第一管体101内。
结合图2和图3所示，过滤段2包括圆柱管体201和圆台管体202，圆台管体202的大端与圆柱管体201的一端连通，优选的，圆台管体202的大端直径与圆柱管体201的直径相同，圆柱管体201和圆台管体202为一体连接。在圆柱管体201上远离圆台管体202的一端开设有多个第一通孔203，优选的，多个第一通孔203为蜂窝孔且均布开设在圆柱管体201的一端。在圆台管体202的锥面开设有多个第二通孔204，优选的，多个第二通孔204为圆孔且均布开设在圆台管体202的锥面。在圆柱管体201和圆台管体202内设置有活性炭，利用活性炭吸附去除ENM气溶胶中的杂质。更加优选的，在圆柱管体201内还设置有发热包，发热包可以使流经的ENM气溶胶气流温度升高，加剧分子热运动，使ENM气溶胶在第二干燥段3内得到充分扩散。ENM气溶胶从圆台管体202的锥面上的第二通孔204进入，截面积逐渐增大，气流速度逐渐减小，从圆柱管体201的蜂窝状的第一通孔203流出，经过多次仿真实验表明，蜂窝状的第一通孔203可以使ENM气溶胶在第二干燥段3内具有更好的扩散效果。
本实施例中，圆柱管体201和圆台管体202内部设置有多层片状活性炭，活性炭具有发达的孔隙结构，有较大的表面积比，吸附能力较强，ENM气溶胶颗粒大小在0.01μm～10μm之间，活性炭表面的微孔直径在2nm～50nm之间，ENM气溶胶颗粒可以透过活性炭孔隙，并且活性炭可以吸附其中杂质，使最终干燥后的ENM气溶胶更适合后续实验。
结合图2、图4和图5所示，第二干燥段3包括第二管体301和设置在第二管体301内的螺旋形纱管302，螺旋形纱管302与第二管体301的内壁之间设置有间隙，也就是说，螺旋形纱管302与第二管体301的侧壁以及底部之间都预留有一定的间隙。第二管体301上远离过滤段2的一端设置有气溶胶输出口8，过滤干燥后的ENM气溶胶从气溶胶输出口8输出。优选的，结合图3所示，在圆柱管体201上远离圆台管体202的一端的中部设置有螺纹孔4，螺旋形纱管302的一端设置有与螺纹孔4相适配的螺纹，螺旋形纱管302的一端与螺纹孔4螺纹连接，便于拆卸安装。螺旋形纱管302上开设有多个第三通孔303，螺旋形纱管302内填充有干燥剂，第三通孔303的孔隙小于干燥剂的直径，优选的，多个第三通孔303为圆孔且均布开设在螺旋形纱管302上。螺旋形纱管302内的干燥剂对ENM气溶胶进行二次干燥，干燥剂以螺旋状分布使得ENM气溶胶各部分受到均匀干燥，且对流动的气流产生一定阻力，气流在到达气溶胶输出口8的速度能达到预期要求。螺旋形纱管302配合第一管体101内壁的硅胶对ENM气溶胶进行干燥，可以有效地降低气溶胶湿度。
更加优选的，在第二管体301内远离过滤段2的一端设置有浓度检测装置5和湿度检测装置6，浓度检测装置5和湿度检测装置6位于气溶胶输出口8周围，浓度检测装置5和湿度检测装置6可方便人员对干燥后的ENM气溶胶湿度和浓度进行检测。
结合图1和图2所示，优选的，在圆柱管体201的外壁开设有外螺纹，在第一管体101和第二管体301的内壁开设有内螺纹，第一管体101和第二管体301均与圆柱管体201通过螺纹连接，螺纹连接便于拆卸和安装，第一管体101和第二管体301均与圆柱管体201的外壁密封，圆台管体202伸入第一管体101内，且硅胶与圆台管体202的锥面不接触。
本实施例中采用的硅胶化学式为xSiO2·yH2O，为透明或乳白色粒状固体，具有开放的多孔结构，吸附性强。ENM气溶胶与硅胶接触后，两者之间产生作用，这种作用主要是物理和化学作用，物理作用来自于硅胶表面与ENM气动角分子之间的范德华力，化学作用主要是硅胶表面的硅羟基与ENM气溶胶之间的氢键作用。
第一管体101和第二管体301采用玻璃或合成塑料材质，玻璃是硅酸盐类非金属材料，主要成分为二氧化硅和其他氧化物，具有隔风透光的作用；合成塑料的组要成分为树脂，化学性质稳定，具有良好的透明性和耐磨耗性，制造容易。根据对ENM气溶胶性质的研究，ENM气溶胶与玻璃或合成塑料不会产生化学反应，且气溶胶在玻璃或合成塑料表面扩散时不易产生附着现象，同时也利于在实验过程中观察到ENM气溶胶的干燥情况和方便在管体内壁设置螺纹。
本实施例中，螺旋形纱管302采用不锈钢材质，螺旋形纱管302的长度为13cm、管径为2cm，圆柱管体201的高度为6cm，圆台管体202的高度为6cm，制备的ENM气溶胶用于研究对大鼠呼吸系统的影响，大鼠体温在39℃左右，平均呼吸频率为85.5次/min，耗氧量2000mm3/g体重，潮气量0.86ml左右，通气量7.3ml/min，通入舒适的呼吸气流速度为0.2m/s，湿度在15％左右，进而根据流量公式Q＝Sv，ENM气溶胶在管体内流动时通过管体各截面的流量不变，为保证大鼠吸入一定量舒适的ENM气溶胶，结合大鼠吸入的流量Q和管体中各截面面积S，计算得到气溶胶输出口8的气流速度应控制在0.4m/s左右。由流体力学知识可知，气体以一定的流量在截面积变化的管体内流动时，气体流速与管径截面积成反比，过滤段一端呈锥面的结构使得截面积逐渐变大，ENM气溶胶流经过滤段后，速度降低。第一干燥段1和第二干燥段3的总长度设计为39cm，宽度为15cm，ENM气溶胶进入第一干燥段1的速度约为0.8m/s，经过第一干燥段1后的湿度约为25％左右，干燥完成的ENM气溶胶湿度控制在15％左右，流速在0.4m/s左右。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种ENM气溶胶扩散干燥系统，其特征在于，包括第一干燥段(1)、过滤段(2)和第二干燥段(3)，所述第一干燥段(1)包括第一管体(101)以及贴附在所述第一管体(101)内壁的硅胶；所述过滤段(2)包括圆柱管体(201)和圆台管体(202)，所述圆台管体(202)的大端与所述圆柱管体(201)的一端连通，所述圆柱管体(201)上远离所述圆台管体(202)的一端开设有多个第一通孔(203)，所述圆台管体(202)的锥面开设有多个第二通孔(204)，所述圆柱管体(201)和所述圆台管体(202)内设置有活性炭；所述第二干燥段(3)包括第二管体(301)和设置在所述第二管体(301)内的螺旋形纱管(302)，所述螺旋形纱管(302)与所述第二管体(301)的内壁之间设置有间隙，所述螺旋形纱管(302)上开设有多个第三通孔(303)，所述螺旋形纱管(302)内填充有干燥剂；所述第一管体(101)和所述第二管体(301)均与所述圆柱管体(201)的外壁密封连接，所述圆台管体(202)伸入所述第一管体(101)内，且所述硅胶与所述圆台管体(202)的锥面不接触；
所述圆柱管体(201)上远离所述圆台管体(202)的一端的中部设置有螺纹孔(4)，所述螺旋形纱管(302)的一端设置有与所述螺纹孔(4)相适配的螺纹，所述螺旋形纱管(302)的一端与所述螺纹孔(4)螺纹连接；
所述第一管体(101)上远离所述过滤段(2)的一端设置有气溶胶输入口(7)；
所述第二管体(301)上远离所述过滤段(2)的一端设置有气溶胶输出口(8)。
2.根据权利要求1所述的一种ENM气溶胶扩散干燥系统，其特征在于，所述多个第一通孔(203)为蜂窝孔且均布开设在所述圆柱管体(201)的一端，所述多个第二通孔(204)为圆孔且均布开设在所述圆台管体(202)的锥面，所述多个第三通孔(303)为圆孔且均布开设在所述螺旋形纱管(302)上。
3.根据权利要求1所述的一种ENM气溶胶扩散干燥系统，其特征在于，所述圆柱管体(201)内还设置有发热包。
4.根据权利要求1所述的一种ENM气溶胶扩散干燥系统，其特征在于，所述圆柱管体(201)的外壁开设有外螺纹，所述第一管体(101)和所述第二管体(301)的内壁开设有内螺纹，所述第一管体(101)和所述第二管体(301)均与所述圆柱管体(201)通过螺纹连接。
5.根据权利要求1所述的一种ENM气溶胶扩散干燥系统，其特征在于，所述第二管体(301)内远离所述过滤段(2)的一端设置有浓度检测装置(5)。
6.根据权利要求1所述的一种ENM气溶胶扩散干燥系统，其特征在于，所述第二管体(301)内远离所述过滤段(2)的一端设置有湿度检测装置(6)。
7.根据权利要求1所述的一种ENM气溶胶扩散干燥系统，其特征在于，所述活性炭表面的微孔直径为2nm～50nm。
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