TWI516754B - 氣體與氣膠成分監測裝置及氣膠採樣器 - Google Patents

Description

氣體與氣膠成分監測裝置及氣膠採樣器

本發明在於提供一種在線式微粒採樣的氣體與氣膠成分監測裝置及氣膠採樣器。

氣膠(aerosol)為懸浮在空氣中粒徑小於100μm的微粒，環境中有各種不同粒徑和不同化學組成的氣膠微粒，對人體健康、氣候、能見度及生活品質可造成不同程度的影響。近年來研究發現，氣膠在我們的複雜環境中扮演著重要角色，這些微粒藉由吸收、散射、和輻射直接影響地球的熱平衡，也能間接地影響大氣中少數的物質組成，造成臭氧和其它化學物質生成或破壞。

對於氣膠(又稱氣溶膠)的研究，許多文獻已有深厚的理論基礎與模型，對於研究其性質不外乎實際採樣與遙測，但受限於氣膠會隨著時間和空間變化，所以仍有許多不確定因素無法即時得知，如氣膠的分佈、粒徑大小及濃度等。然而氣膠因體積之大小，並無法輕易的進行收集，而目前又缺乏有效的收集方式，故無法提升氣膠收集的效率。

中國專利授權公告號CN101315314B公開了一種「大氣氣溶膠捕集方法及裝置」，其特徵在於利用電加熱棒在連續恒流的純水中加熱產生蒸汽，所述蒸汽在氣溶膠吸濕長大腔中與大氣氣流相 遇，隨著蒸汽氣流在氣溶膠吸濕長大腔中的停留，伴隨著自然冷卻作用，氣溶膠吸濕長大，氣流帶著吸濕長大了的氣溶膠進入蛇形冷卻器，使熱汽氣流冷卻形成溶液，此過程中氣溶膠被捕集至溶液中，氣流帶著冷凝形成的溶液在氣溶膠撞擊收集器中實現氣液的分離以及氣溶膠的收集。惟，上述專利仍無法有效的提升氣膠收集的效率。

綜上所述，本發明人有感上述缺失可改善，乃特潛心研究並配合學理之應用，終於提出一種設計合理且有效改善上述缺失之本發明。

本發明所要解決的技術問題，在於提供一種氣體與氣膠成分監測裝置及氣膠採樣器，可提升氣膠收集的效率。

為了解決上述的技術問題，本發明提供一種氣體與氣膠成分監測裝置，包括：一氣膠採樣器，包含一腔體及一蒸氣產生裝置，該腔體內部形成一洗滌區及一冷凝增大區，該冷凝增大區的一端連接於該洗滌區的一端，該腔體一端設有一氣膠入口，該氣膠入口鄰接於該洗滌區，該腔體另一端處設有抽氣口及收樣口；該蒸氣產生裝置具有一蒸氣噴嘴，該蒸氣噴嘴伸入該腔體的洗滌區，該蒸氣噴嘴朝向該氣膠入口；一篩選器；一氣固分離器；一潤濕機構，該篩選器、該氣固分離器及該潤濕機構連接於該氣膠入口；以及一分析儀器，所述收樣口連接於該分析儀器。

為了解決上述技術問題，本發明還提供一種氣膠採樣器，包含：一腔體，內部形成一洗滌區及一冷凝增大區，該冷凝增大區的一端連接於該洗滌區的一端，該腔體一端設有一氣膠入口，該氣膠入口鄰接於該洗滌區，該腔體另一端處設有抽氣口及收樣口；以及一蒸氣產生裝置，具有一蒸氣噴嘴，該蒸氣噴嘴伸入該腔體的洗滌區，該蒸氣噴嘴朝向該氣膠入口。

本發明至少具有下列的優點：本發明蒸氣產生裝置的蒸氣噴嘴朝向腔體的氣膠入口，從而使欲收集的氣膠與蒸氣混合，該氣膠入口輸入的氣膠能與該蒸氣噴嘴噴出的蒸氣產生碰撞，因蒸氣具有較大的比表面積，且氣膠流動方向和蒸氣正好相反，故可提升氣膠收集效率。

本發明可利用致冷裝置冷卻腔體，氣膠與蒸氣經過冷凝增大區而使質量與體積增加，再藉由慣性衝擊方式，將氣膠補集，故可形成兩階段收集氣膠，更提升氣膠收集效率。

為使能更進一步瞭解本發明的特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明的詳細說明與附圖，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。

100‧‧‧氣膠採樣器

1‧‧‧腔體

11‧‧‧第一管體

12‧‧‧第二管體

13‧‧‧氣膠入口

14‧‧‧連接管

15‧‧‧第一收樣口

16‧‧‧第二收樣口

17‧‧‧第三收樣口

18‧‧‧抽氣口

19‧‧‧內標注入口

1A‧‧‧洗滌區

1B‧‧‧冷凝增大區

1C‧‧‧開口

1D‧‧‧衝擊板

L‧‧‧中心線

θ‧‧‧角度

3‧‧‧蒸氣產生裝置

31‧‧‧蒸氣噴嘴

5‧‧‧致冷裝置

7‧‧‧支撐架

101‧‧‧採樣口

102‧‧‧篩選器

103‧‧‧氣固分離器

104‧‧‧潤濕機構

105‧‧‧第一除泡器

106‧‧‧氣體自動進樣泵

107‧‧‧陽離子層析儀

108‧‧‧陰離子層析儀

109‧‧‧第二除泡器

110‧‧‧氣膠自動進樣泵

111‧‧‧抽氣泵

圖1為本發明氣膠採樣器的立體圖。

圖2為本發明氣膠採樣器的剖視圖。

圖3為圖2的A部分細部放大剖視圖。

圖4為本發明氣體與氣膠成分監測裝置的示意圖。

[第一實施例]

請參閱圖1至圖3，本發明提供一種氣膠採樣器100，包含一腔體1及一蒸氣產生裝置3。其中該腔體1為一中空體，其可以採用多段組合或一體式的設計，本實施例揭示該腔體1採用多段組合的設計，亦即該腔體1可由一第一管體11及一第二管體12等組合而成，該腔體1較佳但不限制呈圓形管體，亦可為其他形狀的管體。

該腔體1內部依序形成一洗滌區1A及一冷凝增大區1B，該冷凝增大區1B的一端連接於洗滌區1A的一端。該冷凝增大區1B 另一端形成錐狀，亦即該冷凝增大區1B另一端的內徑尺寸由接近洗滌區1A的一端往遠離洗滌區1A的一端遞減，該冷凝增大區1B另一端錐度的角度θ可為10度至80度之間，較佳為50度，但並不限制。該冷凝增大區1B的另一端形成有一開口1C，該開口1C的內徑可為1mm至3mm，較佳為2mm，但並不限制。該冷凝增大區1B的另一端處可設有一衝擊板1D，該開口1C朝向衝擊板1D，該衝擊板1D可為玻璃板或其他板體。

該腔體1一端設有一氣膠入口13，該氣膠入口13鄰接於洗滌區1A，該氣膠入口13可連接有一連接管14，該連接管14可為彎管或其他形狀的管體，以便利用該連接管14將氣膠導入該氣膠採樣器100。

該腔體1另一端處設有收樣口15、16、17，該些收樣口15、16、17鄰接於冷凝增大區1B的另一端，可分別定義為第一收樣口15、第二收樣口16及第三收樣口17，該第一收樣口15、第二收樣口16及第三收樣口17與該腔體1內部相通。該腔體1呈傾斜設置，亦即該腔體1由設有氣膠入口13的一端往另一端遞降高度，以便利於該腔體1內部液化氣膠的排出，該腔體1的傾斜角度在5度至90度之間，以20度為較佳。該腔體1可以利用一支撐架7或以其他形式的支撐機構支撐形成傾斜設置，該支撐架7的構造並不限制。

該腔體1另一端處設有一抽氣口18，該抽氣口18與腔體1內部相連通，該抽氣口18可連接於一抽氣泵111(如圖4所示)，用以抽送該腔體1內部的氣膠由氣膠入口13朝抽氣口18方向流動。該腔體1另一端處可進一步設有一內標注入口19，可用以注入溴化鋰等內標標準品(如圖4所示)。層析儀所稱內標準法，就是在樣品中加入已知莫耳濃度之標準品與液化氣膠混合後，經層析儀計算出實際莫耳濃度，藉此推算液化氣膠之實際樣品量。

該蒸氣產生裝置3可連接於腔體1，該蒸氣產生裝置3的構造 並不限制，例如可利用電加熱棒加熱純水以產生蒸氣。該蒸氣產生裝置3具有一蒸氣噴嘴31，該蒸氣噴嘴31伸入腔體1的洗滌區1A，該蒸氣噴嘴31較佳是伸至洗滌區1A的中心處，且該蒸氣噴嘴31朝向氣膠入口13。該蒸氣噴嘴31較佳是伸至洗滌區1A的中心處，且與該氣膠入口13的中心處相對，亦即該蒸氣噴嘴31可位於洗滌區1A與氣膠入口13的中心線L上。該氣膠入口13輸入的氣膠能與該蒸氣噴嘴31噴出的蒸氣產生碰撞，較大氣動粒徑的氣膠與蒸氣因撞擊及直接截取的作用，而形成液化的氣膠(收集液)，此為第一階段收集的氣膠，該液化的氣膠可順沿著腔體1內壁流至第一收樣口15。該蒸氣產生裝置3產生的蒸氣，除了可用以洗滌下氣膠，亦可提供腔體1內部潮濕環境。

該腔體1外壁對應於冷凝增大區1B的位置可進一步設置一致冷裝置5，該致冷裝置5的冷端接觸腔體1外壁，故可利用該致冷裝置5冷卻腔體1。第一階段未收集下來氣動粒徑較小的氣膠吸收剩餘的蒸氣，氣膠與蒸氣經過冷凝增大區1B，因溫度劇減達成過飽和的潮濕環境，氣膠因吸濕增長而導致氣膠質量與體積的增加，後端再藉由慣性衝擊方式，使增大的氣膠撞擊該衝擊板1D，將氣膠補集，此為第二階段收集的氣膠，該氣膠可流至第二收樣口16及第三收樣口17。

[第二實施例]

請參閱圖4，本發明另提供一種氣體與氣膠成分監測裝置，包括有一上述的氣膠採樣器100，該氣膠採樣器100(請一併參閱圖1至圖3)的氣膠入口13可利用連接管14連接於採樣口101、篩選器102、氣固分離器103及潤濕機構104，亦即該篩選器102、氣固分離器103及潤濕機構104連接於氣膠入口13。該採樣口101可為各種型式的採樣口裝置或予以省略。該篩選器102可為旋風離心式篩選器或其他型式的篩選器。該氣固分離器103可為一種濕式同心圓管氣固分離器，吸收液可從上方注入，流過分離器的 內外管，氣體及氣膠通過濕潤內外管間隙，因擴散原理致使氣體中易溶水的離子吸收在內外管壁的吸收液中並被沖提攜出。該氣固分離器103連接於一第一除泡器105，該第一除泡器105通過一氣體自動進樣泵106連接於一分析儀器，該分析儀器可為離子層析儀或其他型式的分析儀器，在本實施例中該分析儀器為離子層析儀(可包含陽離子層析儀107及陰離子層析儀108)。該篩選器102可濾除氣動粒徑2.5μm以上的氣膠(微粒)，再與氣流通過氣固分離器103，將可溶解的氣體吸附，再將所收集的水樣經第一除泡器105除泡過濾後，再導入離子層析儀，分析溶於水中的氣體離子成分。

氣膠去除氣體干擾後通過潤濕機構104，再輸送至該氣膠採樣器100，該些收樣口15、16、17連接於一第二除泡器109，該第二除泡器109通過一氣膠自動進樣泵110連接於離子層析儀(可包含陽離子層析儀107及陰離子層析儀108)。所述氣膠經過第一階段及第二階段收集後，可通過該些收樣口15、16、17輸送至第二除泡器109，經第二除泡器109除泡過濾後，再導入離子層析儀，分析溶於水中的氣膠離子成分。

本發明蒸氣產生裝置的蒸氣噴嘴朝向腔體的氣膠入口，從而使欲收集的氣膠與蒸氣混合，該氣膠入口輸入的氣膠能與該蒸氣噴嘴噴出的蒸氣產生碰撞，因蒸氣具有較大的比表面積，且氣膠流動方向和蒸氣正好相反，故可提升氣膠收集效率。

本發明進一步利用致冷裝置冷卻腔體，氣膠與蒸氣經過冷凝增大區而使質量與體積增加，再藉由慣性衝擊方式，將氣膠補集，故可形成兩階段收集氣膠，更可提升氣膠收集效率。本發明氣膠收集效率：氣動粒徑1μm以上氣膠的收集效率可達99%以上。

惟以上所述僅為本發明之較佳實施例，非意欲侷限本發明的專利保護範圍，故舉凡運用本發明說明書及圖式內容所為的等效變化，均同理皆包含於本發明的權利保護範圍內，合予陳明。

100‧‧‧氣膠採樣器

1‧‧‧腔體

11‧‧‧第一管體

12‧‧‧第二管體

13‧‧‧氣膠入口

14‧‧‧連接管

15‧‧‧第一收樣口

16‧‧‧第二收樣口

17‧‧‧第三收樣口

18‧‧‧抽氣口

19‧‧‧內標注入口

1A‧‧‧洗滌區

1B‧‧‧冷凝增大區

1C‧‧‧開口

1D‧‧‧衝擊板

L‧‧‧中心線

3‧‧‧蒸氣產生裝置

31‧‧‧蒸氣噴嘴

7‧‧‧支撐架

Claims (9)

1. 一種氣體與氣膠成分監測裝置，包括：一氣膠採樣器，包含一腔體及一蒸氣產生裝置，該腔體內部形成一洗滌區及一冷凝增大區，該冷凝增大區的一端連接於該洗滌區的一端，該腔體一端設有一氣膠入口，該氣膠入口鄰接於該洗滌區，該腔體另一端處設有抽氣口及收樣口，該腔體由設有該氣膠入口的一端往另一端遞降高度，該腔體的傾斜角度在5度至90度之間；該蒸氣產生裝置具有一蒸氣噴嘴，該蒸氣噴嘴伸入該腔體的洗滌區，該蒸氣噴嘴朝向該氣膠入口；一篩選器；一氣固分離器；一潤濕機構，該篩選器、該氣固分離器及該潤濕機構連接於該氣膠入口；以及一分析儀器，所述收樣口連接於該分析儀器。
2. 如請求項1所述之氣體與氣膠成分監測裝置，其中該氣固分離器連接於一第一除泡器，該第一除泡器通過一氣體自動進樣泵連接於該分析儀器，所述收樣口連接於一第二除泡器，該第二除泡器通過一氣膠自動進樣泵連接於該分析儀器。
3. 如請求項1所述之氣體與氣膠成分監測裝置，其中該蒸氣噴嘴伸至該洗滌區的中心處，且該蒸氣噴嘴與該氣膠入口的中心處相對。
4. 如請求項1所述之氣體與氣膠成分監測裝置，其中該腔體外壁對應於該冷凝增大區的位置設置有一致冷裝置，該冷凝增大區的另一端形成錐狀且設有一開口，該冷凝增大區的另一端處設有一衝擊板，該開口朝向該衝擊板。
5. 一種氣膠採樣器，包含：一腔體，內部形成一洗滌區及一冷凝增大區，該冷凝增大區的一端連接於該洗滌區的一端，該腔體一端設有一氣膠入口，該 氣膠入口鄰接於該洗滌區，該腔體另一端處設有抽氣口及收樣口，該腔體由設有該氣膠入口的一端往另一端遞降高度，該腔體的傾斜角度在5度至90度之間；以及一蒸氣產生裝置，具有一蒸氣噴嘴，該蒸氣噴嘴伸入該腔體的洗滌區，該蒸氣噴嘴朝向該氣膠入口。
6. 如請求項5所述之氣膠採樣器，其中該蒸氣噴嘴伸至該洗滌區的中心處，且該蒸氣噴嘴與該氣膠入口的中心處相對。
7. 如請求項5所述之氣膠採樣器，其中該腔體外壁對應於該冷凝增大區的位置設置有一致冷裝置。
8. 如請求項5所述之氣膠採樣器，其中該冷凝增大區的另一端形成錐狀且設有一開口，該冷凝增大區的另一端處設有一衝擊板，該開口朝向該衝擊板。
9. 如請求項8所述之氣膠採樣器，其中該冷凝增大區另一端錐度的角度為10度至80度之間。