CN1900681A - 大气粒子快速捕集系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及气溶胶采样技术领域，特别是一种大气粒子快速捕集系统及其方法。包括：颗粒物导入装置(1)、颗粒物快速捕集装置(2)和捕集粒子的输送转移装置(3)；大气颗粒物进入导入装置(1)，在导入系统的引导下进入颗粒物快速捕集装置(2)，颗粒物在快速捕集装置(2)中与水蒸汽混合，冷凝增长，惯性撞击，被流动液体捕集，在输送转移装置(3)的作用下，捕集到的颗粒物离开系统，被转移到不同的在线分析仪器中用于颗粒物中各化学组成准确、连续、在线的分析，适用于环境监测部门的常规监测和科研单位的分析研究。主要用于气溶胶化学组分快速、连续、在线的分析。
Description
技术领域
本发明涉及气溶胶采样技术领域，特别是一种大气粒子快速捕集系统及其方法。
背景技术
常规的气溶胶化学组分分析方法是用离线的膜采集方法采集样品，然后再用不同手段分析气溶胶中的化学组分，快速、连续、在线的气溶胶采集装置还不多见。目前国内还没有用于化学组分在线分析的气溶胶快速采集设备，这方面的研究开发在国外也仅仅是近几年才开始的。国外类似装置多是试验机，还不成熟，商用产品仅有一、两种在市场有售，尽管这些产品可以快速的捕集到细颗粒物，但是这些产品都比较昂贵，难以接受；而且基本上这些产品都与离子色谱配对联机，只能用于气溶胶中可溶性离子组分的分析，不能方便拆卸用于别的组分分析。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可用于化学组分在线分析的颗粒物快速捕集系统，解决气溶胶快速、连续、在线捕集的难题，实现颗粒物无膜快速采集，用于化学组分的连续在线分析，可自动、连续、在线地捕集不同粒径的大气颗粒物，用于气溶胶化学组分的在线分析。
技术方案
一种大气粒子快速捕集系统，其特征在于，包括：颗粒物导入装置(1)、颗粒物快速捕集装置(2)和捕集粒子的输送转移装置(3)；大气颗粒物进入导入装置(1)，在导入系统的引导下进入颗粒物快速捕集装置(2)，颗粒物在快速捕集装置(2)中与水蒸汽混合，冷凝增长，惯性撞击，被流动液体捕集，在输送转移装置(3)的作用下，捕集到的颗粒物离开系统，被转移到不同的在线分析仪器中用于颗粒物各化学组分的分析。
大气粒子快速捕集系统包含有颗粒物导入装置(1)，颗粒物导入装置(1)包括：大气粒子切割头(PM10或PM2.5)(4)，气体扩散管(5)，抽气泵(6)，T形分流管(7)和流量计(8)；大气颗粒物在抽气泵(6)的带动下，进入切割头(4)，去掉大颗粒物，仅让需要分析的细颗粒物进入系统，在气体扩散管(5)的作用下去除大气中影响颗粒物分析的酸性、碱性气体，然后通过T形分流管(7)分流出多余的流量，使颗粒物在固定流量下进入快速捕集装置(2)，所有气路流量由流量(8)计控制。
颗粒物导入装置(1)中大气粒子切割头(4)的型号是R&P PM10或PM2.5切割头；去除大颗粒，使空气动力学等效直径小于或等于10或2.5μm的颗粒物进入捕集系统。
颗粒物导入装置(1)中包含气体扩散管(5)，气体扩散管(5)由酸式扩散管和碱性扩散管串联组成，分别去除影响颗粒物测量的硫酸、硝酸、二氧化硫等酸性气体和氨等碱性气体。
颗粒物导入装置(1)中的酸式扩散管和碱性扩散管的型号是：URG-2000-30×242-3CSS和URG-2000-30×150-3CSS。
大气粒子快速捕集系统包含有颗粒物快速捕集装置(2)，颗粒物快速捕集装置(2)包括：混合室(10)、增长室(11)和收集室(12)；颗粒物在混合室(10)中与冷的过饱和水蒸汽混合，使水蒸汽在其表面快速凝结增长，在空气的自然冷却作用下，颗粒物在增长室(11)中进一步增长，最后在收集室(12)被收集，送出系统，转入各分析仪中分析。
颗粒物快速捕集装置(2)中包含有混合室(10)，混合室(10)包括水蒸汽发生器(13)和T形混合室；产生包括水蒸汽，让颗粒物与饱和水蒸汽充分混合。
混合室(10)包含T形混合室，T形混合室是外径为19mm，长度为50mm的T形石英玻璃管。
混合室(10)包含水蒸汽发生器(13)，水蒸汽发生器(13)包括电阻丝、加热棒、控温设备和输水装置，去离子水经输水装置输送到加热棒，被加热棒加热，在控温设备的控制下在一定温度汽化，并在输水装置的推动下进入T形混合室混合。
水蒸汽发生器(13)包含控温设备，控温设备包括一个铂电阻、一个热电偶，两个0-100V的调压器，两个数显调节仪，两个可控硅开关，在调压器的控制下加热棒和电阻丝加热，加热温度由数显调节仪设定，实际温度由热电偶或铂电阻测量后反馈给数显调节仪，再由可控硅开关控制加热与否，加热棒温度设定在120℃使去离子水汽化为饱和水蒸汽，电阻丝加热温度设定在100℃，使汽化的水蒸汽在降温过程中成为过饱和水蒸汽，平稳进入混和室。
水蒸汽发生器(13)包含输水设备，输水设备包括蠕动泵，蠕动泵管道及缠绕在加热棒外面的4mm不锈钢输送管道；将去离子水源源不断地输送到加热棒汽化。
颗粒物快速捕集装置(2)中包含有增长室(11)；增长室(11)由外径19mm、长250mm的不锈钢管组成；在空气的冷却作用下，增长室内维持着粒子增长所必需的过饱和水蒸气压，使水蒸汽不断地凝结在粒子表面，使粒子高速通过的同时增长到可被收集室收集的大粒子。
颗粒物快速捕集装置(2)中包含有收集室(12)；收集室包括抽气泵，流量计，蠕动泵，锥形喷嘴，收集器，石英玻璃收集板；在抽气泵带动下，颗粒物从增长室通过锥形喷嘴进入收集器，在惯性作用下颗粒物碰撞到垂直放置的石英玻璃收集板表面，由蠕动泵推动的水流从上而下不断冲洗碰撞到玻璃板上的颗粒物，将颗粒物冲洗到收集器底部。
大气粒子快速捕集系统包含捕集粒子的输送转移装置(3)；输送转移装置(3)包括蠕动泵，输送管道，除泡器和快速接头；收集到收集器底部的溶液，在蠕动泵的带动下，经输送管道进入除泡器，在除泡器中去掉气泡后，通过快速接头的连接将液体送往不同的分析仪器进行分析。
所用到的抽气泵(6)型号是：U-07061-42(Cole-Parmer)。
所用到的蠕动泵型号是：U-78001-10八通道蠕动泵。
一种大气粒子快速捕集方法，其过程如下：大气颗粒物进入导入装置，在导入系统的引导下进入颗粒物快速捕集装置，颗粒物在快速捕集装置中与水蒸汽混合，冷凝增长，惯性撞击，被流动液体捕集，在输送转移装置的作用下，捕集到的颗粒物离开系统，被转移到不同的在线分析仪器中用于颗粒物各化学组分的分析。
大气颗粒物在抽气泵的带动下，进入切割头，去掉大颗粒物，仅让需要分析的细颗粒物进入系统，在气体扩散管的作用下去除大气中影响颗粒物分析的酸性、碱性气体，然后通过T形分流管分流出多余的流量，使颗粒物在固定流量下进入快速捕集装置，所有气路流量由流量计控制。
采用商品化的切割头、扩散管、流量计和抽气泵，开发组建颗粒物导入系统(1)。采用商品化零件、标准件组合、自加工设计，研制颗粒物快速捕集系统(2)和捕集粒子的输送转移系统(3)。
研制的大气粒子快速捕集系统可以同任何一台离子色谱、总有机碳分析仪及电感耦合等离子体质谱方便连接，实现颗粒物中离子组分、总有机碳和元素组分的在线分析。
附图说明
图1是大气粒子快速捕集系统组成框图。
图2是颗粒物导入装置(1)框图。
图3是颗粒物快速捕集装置(2)和捕集粒子的输送转移装置(3)框图。
图4是温控设备框图。
图5是收集室框图。
具体实施方式
图1是大气粒子快速捕集系统组成框图。大气粒子快速捕集系统由颗粒物导入装置(1)、颗粒物快速捕集装置(2)和捕集粒子的输送转移装置(3)组成，能够实现颗粒物的快速、连续、自动的捕集，用于颗粒物中化学组分的在线分析。
图2是颗粒物导入装置(1)框图，由切割头4、引导管9、扩散管5、T形分流管7、流量计8和抽气泵6组成。切割头采用市售商用切割头，用于除掉大颗粒物，只将要测定的空气动力学直径小于或等于10μm或2.5μm的颗粒物引入系统；引导管是直径为32cm的不锈钢管，长度由实验具体情况而定，用于引导颗粒物进入系统；扩散管采用市售商用产品，30×242的长扩散管用于酸性气体的去除，30×150的短扩散管用于碱性气体的去除；T形分流管可以自制，用于分流部分流量；流量计和抽气泵均采用市售商用产品，流量计用于测量各部分的流量，抽气泵用于提供动力并控制抽气流量。抽气泵抽气，流量计测量系统流速，调节抽气泵进口阀限流，使系统流速达到预定值；在固定流速下将颗粒物引入系统，通过扩散管去除影响测定的酸碱气体后进入捕集系统。
图3是颗粒物快速捕集系统(2)和捕集粒子的输送转移系统(3)框图。混合室、增长室、收集室组成快速捕集系统，所有这些部件全部可自加工设计。混合室中的T形混合室是外径19mm，长50mm的T形石英玻璃管构成，石英玻璃管提供绝热环境，使水蒸汽绝热膨胀，快速与颗粒物混合，在颗粒物表面凝结；增长室是外径19mm，长250mm的不锈钢管组成，使颗粒物能在较短的飞行时间内，充分增长。
输送转移系统主要由除泡器、蠕动泵组成。聚集在收集器底部的收集液体在蠕动泵的作用下离开收集器，进入除泡器。除泡器是一个中间为圆形的Y形管，收集液中的气泡在除泡器中间破裂，液体从下方引出，通过一个快速接头可以同在线分析仪连接，其它多余的液体从Y形的另一出口输出到废液里。
图4是水蒸汽发生器中的温控设备框图。控温设备由数显调节仪、可控硅开关，调压器、加热棒(或电阻丝)、热电偶(或铂电阻)。调压器控制加热棒(或电阻丝)的加热速率，由热电偶(或铂电阻)测量加热温度，数显调节仪设定并显示加热温度，发出指令给可控硅开关，可控硅开关根据数显调节仪的指令自动控制给加热棒(或电阻丝)加热的调压器开关，控制加热与否。两套控温设备提供两个温度，使一个加热温度控制在100℃，另一个控制在120℃，使水蒸汽成在过饱和状态。
图5是收集室框图。收集室由锥形喷嘴，两个镂空的倒三角组成的收集器、收集玻璃板、抽气泵和调节垫片组成。抽气泵作用下含颗粒物的气体从增长室沿锥形喷嘴喷出；锥形喷嘴聚集颗粒物，使颗粒物沿中心轴喷射到收集玻璃板上，锥形喷嘴与玻璃板的距离可以用调节垫片调节，使喷嘴与玻璃板的距离达到最佳，使颗粒物能达到收集板且不反弹；湿润光滑的玻璃收集板产生粘附力，使颗粒物粘附在玻璃板，在一个由上而下的冲洗液的冲洗下，被收集到收集器底部，等待输送。
本发明的优点和效果：
大气粒子快速捕集系统可以快速捕集大气中的颗粒物，包括PM10和PM2.5，完全摒弃了采样膜，做到了颗粒物的无膜采集，保证颗粒物的完全、准确采集，可全天候自动连续工作，收集样品能够提供给各分析仪在线、连续分析，确保实现了颗粒物中化学组成的连续、在线分析。所设计的混合室、增长室、收集器及除泡器等易于加工设计，其它采用的标准件很容易购买，整个快速捕集系统组装简单，便于维修更换，操作方便，几乎全部自动化。系统实用高效且经济实惠，便于推广使用。
Claims (18)
1、一种大气粒子快速捕集系统，其特征在于，包括：颗粒物导入装置(1)、颗粒物快速捕集装置(2)和捕集粒子的输送转移装置(3)；大气颗粒物进入导入装置(1)，在导入系统的引导下进入颗粒物快速捕集装置(2)，颗粒物在快速捕集装置(2)中与水蒸汽混合，冷凝增长，惯性撞击，被流动液体捕集，在输送转移装置(3)的作用下，捕集到的颗粒物离开系统，被转移到不同的在线分析仪器中用于颗粒物各化学组分的分析。
2、根据权利要求1的大气粒子快速捕集系统，其特征在于，大气粒子快速捕集系统包含有颗粒物导入装置(1)，颗粒物导入装置(1)包括：大气粒子切割头(PM10或PM2.5)(4)，气体扩散管(5)，抽气泵(6)，T形分流管(7)和流量计(8)；大气颗粒物在抽气泵(6)的带动下，进入切割头(4)，去掉大颗粒物，仅让需要分析的细颗粒物进入系统，在气体扩散管(5)的作用下去除大气中影响颗粒物分析的酸性、碱性气体，然后通过T形分流管(7)分流出多余的流量，使颗粒物在固定流量下进入快速捕集装置(2)，所有气路流量由流量计(8)控制。
3、根据权利要求1或2的大气粒子快速捕集系统，其特征在于，颗粒物导入装置(1)中大气粒子切割头(4)的型号是R&P PM10或PM2.5切割头；去除大颗粒，使空气动力学等效直径小于或等于10或2.5μm的颗粒物进入捕集系统。
4、根据权利要求1或2的大气粒子快速捕集系统，其特征在于，颗粒物导入装置(1)中包含气体扩散管(5)，气体扩散管(5)由酸式扩散管和碱性扩散管串联组成，分别去除影响颗粒物测量的硫酸、硝酸、二氧化硫酸性气体和氨碱性气体。
5、根据权利要求4的大气粒子快速捕集系统，其特征在于，颗粒物导入装置(1)中的酸式扩散管和碱性扩散管的型号是：URG-2000-30×242-3CSS和URG-2000-30×150-3CSS。
6、根据权利要求1的大气粒子快速捕集系统，其特征在于，大气粒子快速捕集系统包含有颗粒物快速捕集装置(2)，颗粒物快速捕集装置(2)包括：混合室(10)、增长室(11)和收集室(12)；颗粒物在混合室(10)中与冷的过饱和水蒸汽混合，使水蒸汽在其表面快速凝结增长，在空气的自然冷却作用下，颗粒物在增长室(11)中进一步增长，最后在收集室(12)被收集，送出系统，转入各分析仪中分析。
7、根据权利要求1或7的大气粒子快速捕集系统，其特征在于，颗粒物快速捕集装置(2)中包含有混合室(10)，混合室(10)包括水蒸汽发生器(13)和T形混合室；产生包括水蒸汽，让颗粒物与饱和水蒸汽充分混合。
8、根据权利要求7的快速捕集系统，其特征在于，混合室(10)包含T形混合室，T形混合室是外径为19mm，长度为50mm的T形石英玻璃管。
9、根据权利要求8的大气粒子快速捕集系统，其特征在于，混合室(10)包含水蒸汽发生器(13)，水蒸汽发生器(13)包括电阻丝、加热棒、控温设备和输水装置，去离子水经输水装置输送到加热棒，被加热棒加热，在控温设备的控制下在一定温度汽化，并在输水装置的推动下进入T形混合室混合。
10、根据权利要求9的大气粒子快速捕集系统，其特征在于，水蒸汽发生器(13)包含控温设备，控温设备包括一个铂电阻、一个热电偶，两个0-100V的调压器，两个数显调节仪，两个可控硅开关，在调压器的控制下加热棒和电阻丝加热，加热温度由数显调节仪设定，实际温度由热电偶或铂电阻测量后反馈给数显调节仪，再由可控硅开关控制加热与否，加热棒温度设定在120℃使去离子水汽化为饱和水蒸汽，电阻丝加热温度设定在100℃，使汽化的水蒸汽在降温过程中成为过饱和水蒸汽，平稳进入混和室。
11、权利要求9或10的大气粒子快速捕集系统，其特征在于，水蒸汽发生器(13)包含输水设备，输水设备包括蠕动泵，蠕动泵管道及缠绕在加热棒外面的4mm不锈钢输送管道；将去离子水源源不断地输送到加热棒汽化。
12、权利要求1或7的大气粒子快速捕集系统，其特征在于，颗粒物快速捕集装置(2)中包含有增长室(11)；增长室(11)由外径19mm、长250mm的不锈钢管组成；在空气的冷却作用下，增长室内维持着粒子增长所必需的过饱和水蒸气压，使水蒸汽不断地凝结在粒子表面，使粒子高速通过的同时增长到可被收集室收集的大粒子。
13、权利要求1或7的大气粒子快速捕集系统，其特征在于，颗粒物快速捕集装置(2)中包含有收集室(12)；收集室包括抽气泵，流量计，蠕动泵，锥形喷嘴，收集器，石英玻璃收集板；在抽气泵带动下，颗粒物从增长室通过锥形喷嘴进入收集器，在惯性作用下颗粒物碰撞到垂直放置的石英玻璃收集板表面，由蠕动泵推动的水流从上而下不断冲洗碰撞到玻璃板上的颗粒物，将颗粒物冲洗到收集器底部。
14、权利要求1的大气粒子快速捕集系统，其特征在于，大气粒子快速捕集系统包含捕集粒子的输送转移装置(3)，输送转移装置(3)包括蠕动泵，输送管道，除泡器和快速接头；收集到收集器底部的溶液，在蠕动泵的带动下，经输送管道进入除泡器，在除泡器中去掉气泡后，通过快速接头的连接将液体送往不同的分析仪器进行分析。
15、根据权利要求2或13的大气粒子快速捕集系统，其特征在于，所用到的抽气泵(6)型号是：U-07061-42(Cole-Parmer)。
16、根据权利要求11或13或14的大气粒子快速捕集系统，其特征在于，所用到的蠕动泵型号是：U-78001-10八通道蠕动泵。
17、一种大气粒子快速捕集方法，其过程如下：大气颗粒物进入导入装置，在导入系统的引导下进入颗粒物快速捕集装置，在颗粒物在快速捕集装置中与水蒸汽混合，冷凝增长，惯性撞击，被流动液体捕集，在输送转移装置的作用下，捕集到的颗粒物离开系统，被转移到不同的在线分析仪器中用于颗粒物各化学组分的分析。
18、根据权利要求17的大气粒子快速捕集方法，其特征在于，大气颗粒物在抽气泵的带动下，进入切割头，去掉大颗粒物，仅让需要分析的细颗粒物进入系统，在气体扩散管的作用下去除大气中影响颗粒物分析的酸性、碱性气体，然后通过T形分流管分流出多余的流量，使颗粒物在固定流量下进入快速捕集装置，所有气路流量由流量计控制。
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