CN1695771A - 一种气溶胶细粒子采样器 - Google Patents

Abstract

气溶胶细粒子采样器涉及环境检测的大气颗粒物采集技术领域。其特征是，由多个单级冲击器依次连接而成的多级冲击器，每级冲击器均含有开有喷嘴的隔离板，喷嘴大小从第一级至最后一级依次减小以截获空气动力学直径从大到小的大气溶胶颗粒；隔离板下方是一个圆形样品收集台，收集台中部开有导气孔，在收集台侧边缘上均匀分布有磁块；收集台由轴承套接在固定支架上，隔离板和固定支架由合金外壁与上级固定支架和下级隔离板固接；还有一个圆筒形金属外罩，金属外罩内壁上嵌有磁块，金属外罩由微型马达带动旋转。本发明能同时收集到不同空气动力学直径大小的气溶胶细粒子，能提供足够量的均匀一致的平面样品进行分析，能保证分级切割粒径的稳定性。

Description

一种气溶胶细粒子采样器

技术领域：

本发明涉及环境检测的大气颗粒物采集技术领域。

背景技术：

大气溶胶对于大气能见度、气候、环境、生物健康及特性等会产生重大影响，近年来对大气溶胶颗粒物特别是细粒子的研究正越来越受到关注，正确地对大气溶胶颗粒物进行粒度分级和标定，确定污染的来源，是研究和解决大气颗粒物污染的首要问题。

发明内容：

本发明所提出的气溶胶细粒子采样器工作原理是以颗粒的惯性冲击形成的曲线运动为基础的。当气体围绕一个障碍物流动时，大气溶胶颗粒的运动情况是十分复杂的。颗粒很小时，其惯性可以略去，这时颗粒将完全沿着气体的流线而运动；而粒径很大且很重的颗粒由于惯性较大则不会随气体的流线运动，由于惯性的作用颗粒保持原有的运动趋势而来不及改变运动方向撞击到障碍物上。大多数的大气溶胶颗粒刚好处于这两种极端运动情况之间：它们随气体的流线运动，但由于惯性的原因，有或多或少的偏离气体的流线，一部分惯性小的颗粒可以绕过障碍物而继续保留在大气溶胶系统中，另一部分惯性较大的颗粒因不能绕过障碍物而被从大气溶胶系统中分离出去。颗粒惯性大小可以用松弛时间来表示：松弛时间大的颗粒调整本身的速度适应一种新的力的状态需要的时间长，也就是惯性大。这样，经过一次绕过障碍物的曲线运动，大气溶胶中的颗粒就按照松弛时间的大小被分为两类。只有松弛时间小于某一临界值的颗粒才能继续保留在大气溶胶系统中，而松弛时间大于该值的颗粒则被分离出大气溶胶系统。而颗粒的松弛时间大小就完全取决于其空气动力学直径的大小。

本发明所述的气溶胶细粒子多级分离采样系统就是基于上述理论设计的，本发明的特征在于，是一种由多个单级冲击器依次连接而成的多级冲击器，所述每一级冲击器均含有一个或多个开有喷嘴的隔离板，所述喷嘴在隔离板上沿圆周方向均匀分布，所述喷嘴的大小从第一级至最后一级依次减小以截获空气动力学直径从大到小的大气溶胶颗粒；在所述隔离板的下方是一个圆形的样品收集台，所述样品收集台中部开有导气孔，在所述样品收集台的侧边缘上均匀分布有四个磁块；所述样品收集台的下端通过轴承套接固定在固定支架上，固定支架上也开有导气孔与所述样品收集台上的导气孔相通；所述隔离板和固定支架由合金外壁连接并固定，并由所述合金外壁与上一级冲击器的固定支架和下一级冲击器的隔离板固定连接；所述第一级冲击器上方也由合金外壁连接一个开有导气孔的固定支架，该固定支架上的导气孔与外部空气相通，在该固定支架上也套有轴承，该轴承套接一个罩住所有冲击器的圆筒形金属外罩，在所述金属外罩的内壁上嵌有磁块，该磁块所嵌的高度以及磁块的个数与所述每一级冲击器的样品收集台上所分布磁块的高度和个数相同，所述金属外罩通过传送带由一个微型马达带动旋转；所述最后一级冲击器的导气孔通过依次连接一个真空泵。

所述轴承的材料为不锈钢。所述合金外壁通过定位销钉与上一级冲击器的固定支架和下一级冲击器的隔离板固定连接。

所述喷嘴是矩形喷嘴时，其尺寸满足下述关系：

                    1≤S/W≤5，1≤H/W≤5其中：W是矩形喷嘴的宽，H是矩形喷嘴的高，S各级冲击器的矩形喷嘴到该级冲击器样品收集台的距离。

所述喷嘴是圆形喷嘴时，其尺寸满足下述关系：

                    1≤S/d≤2.5，1≤H/d≤2.5

其中：H是圆形喷嘴的高，d是圆形喷嘴的直径，S是各级冲击器的圆形喷嘴到该级冲击器样品收集台的距离。

所述冲击器有七级，各级冲击器的截止直径从上至下依次为：10μm、5.0μm、2.5μm、1.0μm、0.5μm、 0.25μm、0.1μm。

实验证明：本发明能够同时收集到不同空气动力学直径大小的气溶胶细粒子，能提供足够量的均匀一致的平面样品进行物理、化学分析，同时能保证分级切割粒径的稳定性，达到了预期的目的。

附图说明：

图1为气溶胶细粒子采样器的惯性冲击原理图；

图2为气溶胶细粒子采样器的实际与理想的效率曲线；

图3为气溶胶细粒子采样器的系统装置图；

图4为气溶胶细粒子采样器的单级冲击器示意图；

图5为气溶胶细粒子采样器收集台的粒子收集示意图；

图6为气溶胶细粒子采样器的矩形喷嘴示意图。

具体实施方式：

下面结合附图说明本发明的具体实施方式。

如图1所示：1为矩形喷嘴，2为冲击曲线，3为收集台面。大气溶胶经一个喷嘴流过，同时流出的气流指向冲击板，使流体突然偏转90度。具有足够惯性的颗粒不能随流线偏转，而是碰撞在平板上；较小的颗粒则能够跟随流体沿流线运动，不会撞击到平板上。因此，一个冲击器可以把大气溶胶分为两个尺寸范围：大于一定空气动力尺寸的颗粒从气流中去除了，而小于上述尺寸的颗粒继续保持大气溶胶状态并穿过冲击器。对于大多数冲击器来说并不需要完整的冲击器效率随颗粒尺寸变化的曲线。在理想冲击器中大于一定的空气动力尺寸的颗粒被收集了，而小于这一尺寸的颗粒都通过了。而实际和理想冲击器的截止曲线如图2所示，当空气动力学直径大于d₅₀(收集效率为50％的粒子粒径)时，粒子几乎可以完全被收集台面收集，收集效率接近于100％；反之，粒子收集效率接近于0，粒子几乎可以完全通过冲击器。由此可见，我们要设计截止直径可靠的冲击板，必须充分考虑到使得收集效率曲线足够陡峭，最大限度的把空气动力学直径不同的颗粒分开。

将截止直径不同的多个冲击器串联使用，称为多级冲击器。这些级按照截止直径的大小顺序布置，截止尺寸最大的在最上面面。考虑到流量对于各级来说是相同的，故可以通过控制喷嘴的大小和个数来控制气体的流速，从而控制粒子的截止直径。当粒子通过某一级时，只有空气动力直径小于d₅₀的颗粒可以进入下一级，这样每级收集到的颗粒的空气动力直径就处于两极的d₅₀之间，从而将不同空气动力直径的粒子收集在不同级上。将截止半径不同的多个冲击器串联使用，并按照截止尺寸的大小顺序布置由上而下，截止尺寸最大的在最上面，组成气溶胶细粒子多级分离采样系统。以本发明的气溶胶细粒子采样器为核心的整个采集系统还包括真空泵、流量计、微型马达几个主要部分，如图3所示：4为旋转轴承(轴承可采用不锈钢材料，以防止在高湿度地区长时间采样工作或放置时轴承生锈，造成轴承生锈不旋转)，5为金属外罩，6为流量计，7为导气管，8为真空泵，9为金属套接管，10为微型马达。11为橡胶皮带，12为系统底座。

本发明的气溶胶细粒子采样器是整个采样装置的核心部分，我们实验中使用的多级冲击器有七级，各级的标称截止直径d₅₀自上而下依次为：10、5、2.5、1、0.5、0.25、0.1μm。采样器的入口装置是一长为5.0cm，直径为1.3cm的圆管，该入口可对颗粒进行截获，其截止直径为38μm(10L/min)。由于流量对于各级来说是相同的，故可以通过控制喷嘴的大小和个数来控制气体的流速，从而控制粒子的截止半径。当粒子通过某一级时，只有空气动力直径小于d₅₀的大气溶胶颗粒就可以进入下一级，这样每级收集到的颗粒的空气动力直径就处于其上下两极的d₅₀之间，从而将不同空气动力直径的大气溶胶颗粒收集在不同级上。多级冲击器各级结构基本相同，冲击器每一级主要由5部分组成：带矩形喷口的隔离板、柱形的合金外壁、放置收集表面的圆台、圆台轴承支撑架和定位销钉，如图4所示：15为隔离板，17为合金外壁(例如铝合金，不影响收集台旋转时所受磁力影响)，16为收集台，18为固定支架，14为定位销钉(将两级冲击器固定，也可采用其他固定方式，使气体不会通过缝隙外泄)，13为磁块，19为导气孔，20塑料转子(可避免金属外罩对合金外壁的直接摩擦)。

本采样器兼顾了PM10、PM2.5的气溶胶细粒子采样，为了防止收集到的颗粒物形成堆积，以致给采用表面分析方法对颗粒进行分析带来不便，气溶胶细粒子采样器采用了旋转式结构。如图5所示：1为隔离板，2为矩形喷嘴，3为样品收集的环带，4为样品收集台，5为导气孔。当矩形喷嘴(或圆形喷嘴)有多个时，其在隔离板上应沿圆周方向均匀分布，以保证旋转时的各相同性。利用微型马达带动内嵌磁块的金属框架旋转，通过磁力带动内部收集板(外壁上粘有磁块)的旋转，以致喷嘴在冲击板上的投影就形成了一个圆环带，从而使得采集到的大气溶胶颗粒均匀分布在这个圆环带上，避免了颗粒的堆积。

实验中选用的真空泵抽气速率大于40L/min，使第七级的压强小于5.0×10⁴Pa，达到第七级喷嘴限流的目的，使得上面六级的流速稳定，最终能得到较好的分层效果。

兼顾PM2.5、PM10的气溶胶细粒子多级分离采样系统的机械微型马达采用220V交流电驱动，通过一根橡胶圈与多级冲击器外部的一个柱形金属外罩相联，并带动其旋转。金属外罩的内壁和冲击器内部各收集台外壁上均粘有磁块，金属罩上的磁块与收集台上的磁块的高度要匹配，如每一级收集台上的磁块要在金属外罩的同样高度对应相同数目的磁块，当马达带动金属架旋转时候，与之无接触的各冲击板也随之旋转。转速一般为：10r/min。

大气溶胶颗粒物收集表面的选取是非常重要的，它直接决定着颗粒的收集效率和分析的目的所在。大气溶胶颗粒将会牢固的粘附在他们接触到的任何表面上，这是与气体分子不同的一个特点，新型冲击采样器正是利用这一性质来采集大气溶胶颗粒物的。收集颗粒方法的基础就是利用大气溶胶颗粒对收集表面的粘着力的，尺寸为微米量级的颗粒的粘着力超过常见其它力几个数量级。当一个固体颗粒在低速下同一个表面接触时，由于颗粒本身和表面的变形而损失掉了颗粒的动能。速度越大则变形越大，而且粘着越好。但在高速情况下，一部分动能在变形过程中耗散了，而另一部分弹性的转变成为反跳的动能。如果反跳的能量超过了粘着能量，即克服粘着力所需要的功，那么颗粒就会从表面跳开去，降低了收集效率。

在实验中我们通常选用铝箔作为收集表面，是因为铝箔弹性好、重量轻，并且在空气中十分稳定，并且利于电镜分析。在新型冲击采样器的第七层我们需要注意，气体流速相当快，接近于声速，如果该层的铝箔较薄，则容易被吹碎，碎片随气流进入导气口，会堆积在限流小口处，减小小孔面积，将严重影响系统正常工作。所以该层宜选用厚度为30-50μm的铝箔衬底，而不是其他层选用的厚度为15-25μm的铝箔衬底。在收集大气溶胶粒子实验前应对铝箔进行清洗，先用丙酮洗去铝箔表面的油渍和有机成分，再用蒸馏水冲去残留的丙酮，最后用酒精脱水吹干后放入培养皿中保存。使用铝箔最大的缺点是产生铝本底的影响，无法对颗粒中铝的成分进行分析，当分析铝的含量时，应使用其它的收集衬底。在研究大气溶胶粒子的质量—粒度大小分布时，需要在实验前和实验后用十万分之一克精度的电子天平对铝箔衬底进行称重，在称重过程中要尽量减少对铝箔衬底的污染，最好在无纤维纸上进行。由上所述，气溶胶细粒子采样器主要是基于惯性冲击原理对大气溶胶颗粒进行粒度大小分离采集的，在不同的收集级上得到不同粒径范围的大气溶胶颗粒物，以便进行物理和化学的分析。其每一级冲击器的截止直径自上而下依次为10、5、2.5、1、0.5、0.25、0.1μm，这对我们研究大小不同的颗粒对于环境污染的产生的作用具有重要的意义。该采样器使用方便、快捷，不同的研究目的可以采用不同的技术手段，体现在可以使用不同的收集滤膜，例如铝膜，teflon膜等，来实现实验相应的结果，还应该考虑滤膜的厚度。对于矩形喷嘴来说，一般情况下S/W、H/W优值在1-5之间，能够满足雷诺数Re在500-3000之间，对粒子捕集效率曲线影响可忽略，对实验的结果影响非常小。冲击器的矩形喷嘴如图6所示：L为喷嘴的长，W为喷嘴的宽，H为喷嘴的高。由于隔离板的厚度一般大于矩形喷嘴的高度，因此，可将隔离板的上部削薄，在削薄的部位开矩形喷嘴。对于圆形喷嘴来说，应满足：1≤S/d≤2.5，1≤H/d≤2.5，其中：H是圆形喷嘴的高，d是圆形喷嘴的直径，S是圆形喷嘴到样品收集台的距离。

表一是根据本发明所设计的气溶胶细粒子采样器的七级冲击器喷嘴的具体结构尺寸：

表一

级	每级喷嘴数目	L(mm)×W(mm)	S(mm)	H(mm)	截至粒径μm
						1	4	7.00×3.72	4	3.7	10.0
2	4	5.00×2.07	2	2.1	5.0
						3	2	5.00×1.40	2	1.5	2.5
4	1	8.00×0.61	1	0.85	1.0
						5	2	7.00×0.24	1	0.48	0.5
6	1	7.00×0.21	1	0.35	0.25
						7	1	6.00×0.17	1	0.40	0.1

注：(设计流量10L/min)：

L、W分别为矩形喷嘴的长、宽；

S为矩形喷嘴到冲击板的距离；H为矩形喷嘴的高度。

采样器内部各部件的尺寸在加工时误差应尽量控制在改级尺寸的10％以内，这样便能够很好完成大气溶胶颗粒物的分级采集和切割器各级切割的性能稳定性。通过金属架的内壁和采样器内部各样品收集台外壁上的磁块之间的磁力，促使样品收集台的旋转，从而获得均匀分布的大面积的颗粒物样品，有效地减少了样品颗粒物在滤膜上的堆积。所以金属架的内壁和采样器内部各样品收集台外壁上的磁块之间的要保持高度上的匹配是保证样品收集台的匀速旋转重要因素。

气溶胶细粒子采样器能够提供足够量的平面样品进行物理、化学分析，并能保证分级切割粒径的稳定性。本发明所提出的七级冲击器串联的采样器特别强调了对于PM2.5，PM10颗粒物的同时分离，与近来国际上尤为关注的颗粒物尺寸相呼应，填补了国内空白。

Claims (8)

1、气溶胶细粒子采样器，其特征在于，是一种由多个单级冲击器依次连接而成的多级冲击器，所述每一级冲击器均含有一个或多个开有喷嘴的隔离板，所述喷嘴在隔离板上沿圆周方向均匀分布，所述喷嘴的大小从第一级至最后一级依次减小以截获空气动力学直径从大到小的大气溶胶颗粒；在所述隔离板的下方是一个圆形的样品收集台，所述样品收集台中部开有导气孔，在所述样品收集台的侧边缘上均匀分布有四个磁块；所述样品收集台的下端通过轴承套接固定在固定支架上，固定支架上也开有导气孔与所述样品收集台上的导气孔相通；所述隔离板和固定支架由合金外壁连接并固定，并由所述合金外壁与上一级冲击器的固定支架和下一级冲击器的隔离板固定连接；所述第一级冲击器上方也由合金外壁连接一个开有导气孔的固定支架，该固定支架上的导气孔与外部空气相通，在该固定支架上也套有轴承，该轴承套接一个罩住所有冲击器的圆筒形金属外罩，在所述金属外罩的内壁上嵌有磁块，该磁块所嵌的高度以及磁块的个数与所述每一级冲击器的样品收集台上所分布磁块的高度和个数相同，所述金属外罩通过传送带由一个微型马达带动旋转；所述最后一级冲击器的导气孔连接一个真空泵。

2、如权利要求1所述的气溶胶细粒子采样器，其特征在于，所述轴承的材料为不锈钢。

3、如权利要求1所述的气溶胶细粒子采样器，其特征在于，所述合金外壁通过定位销钉与上一级冲击器的固定支架和下一级冲击器的隔离板固定连接。

4、如权利要求1所述的气溶胶细粒子采样器，其特征在于，所述喷嘴是矩形喷嘴，其尺寸满足下述关系：

             1≤S/W≤5，1≤H/W≤5

其中：W是矩形喷嘴的宽，H是矩形喷嘴的高，S各级冲击器的矩形喷嘴到该级冲击器样品收集台的距离。

5、如权利要求1所述的气溶胶细粒子采样器，其特征在于，所述冲击器有七级，各级冲击器的截止直径从上至下依次为：10μm、5.0μm、2.5μm、1.0μm、0.5μm、0.25μm、0.1μm。

6、如权利要求5所述的所述的气溶胶细粒子采样器，其特征在于，所述冲击器的喷嘴是矩形喷嘴，每一级冲击器的矩形喷嘴满足下列数量及尺寸关系：

第一级冲击器的矩形喷嘴有4个，每一个喷嘴的尺寸为：

L＝7mm，W＝3.72mm，S＝4mm，H＝3.7mm，截止直径为10μm；

第二级冲击器的矩形喷嘴有4个，每一个喷嘴的尺寸为：

L＝5mm，W＝2.07mm，S＝2mm，H＝2.1mm，截止直径为5.0μm；

第三级冲击器的矩形喷嘴有2个，每一个喷嘴的尺寸为：

L＝5mm，W＝1.40mm，S＝2mm，H＝1.5mm，截止直径为2.5μm；

第四级冲击器的矩形喷嘴有1个，喷嘴的尺寸为：

L＝8mm，W＝0.61mm，S＝1mm，H＝0.85mm，截止直半径为1.0μm；

第五级冲击器的矩形喷嘴有2个，每一个喷嘴的尺寸为：

L＝7mm，W＝0.240mm，S＝1mm，H＝0.48mm，截止直径为0.5μm；

第六级冲击器的矩形喷嘴有1个，喷嘴的尺寸为：

L＝7mm，W＝0.21mm，S＝1mm，H＝0.35mm，截止直径为0.25μm；

第七级冲击器的矩形喷嘴有1个，喷嘴的尺寸为：

L＝6mm，W＝0.17mm，S＝1mm，H＝0.40mm，截止直径为0.1μm；

L是矩形喷嘴的长；

7、如权利要求6所述的气溶胶细粒子采样器，其特征在于，第七级的出口压强小于等于5×10⁴Pa。

8、如权利要求1所述的气溶胶细粒子采样器，其特征在于，所述喷嘴是圆形喷嘴，其尺寸满足下述关系：

             1≤S/d≤2.5，1≤H/d≤2.5

其中：H是圆形喷嘴的高，d是圆形喷嘴的直径，S是各级冲击器的圆形喷嘴到该级冲击器样品收集台的距离。

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