本發(fā)明屬于教學實驗設備技術領域，特別涉及一種光化學仿真煙霧箱。

背景技術：

光化學煙霧對植物、人體的危害巨大。它具有無疆域、無國界，危害性大，持續(xù)時間長等特點。目前光化學煙霧的研究方向有：現(xiàn)場實測、光化學動力學機理研究和數(shù)值模擬。光化學煙霧箱是模擬研究光化學煙霧的研究方向。

光化學煙霧箱的首次研制是在二十世紀五六十年代美國北卡羅來那大學的UNC煙霧箱，體積156m³。國內(nèi)僅有的煙霧箱只在清華、北大、以及中科院有相應的設備，應用于教學的實例幾乎為零。

國外對大型煙霧箱的研究比較早，美國北卡羅來那大學的UNC煙霧箱體積156m³、美國加州大學河邊分校的UCR煙霧箱、以及西班牙巴倫西亞的EUPHORE煙霧箱等都是100m³以上的體積，但是結構復雜不易搬運、成本高、占地面積大、檢測程序復雜、反應周期長。

技術實現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術的點，為教學科研服務，本發(fā)明的目的在于提供一種光化學仿真煙霧箱，體積小，成本低，反應周期短，反應效率高，氣體檢測方便快捷，直接準確，能夠滿足科研和教學要求。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是：

一種光化學仿真煙霧箱，包括煙霧箱體，煙霧箱體的外壁1-1上設置有若干換氣孔1-2，煙霧箱體上設置有由若干監(jiān)測探頭2-1組成的氣體監(jiān)測部分，煙霧箱體中設置有由內(nèi)置光源5-1組成的光源部分，煙霧箱體連接有用于導入氣體的反應配氣部分和用于排出箱內(nèi)氣體及導入外部氣體的動力換氣 清洗部分。

所述煙霧箱體是由6塊PMMA板塊組成的剛性長方體，體積200L，占地面積小，移動方便。外壁材料為PMMA，經(jīng)過多次試驗證明PMMA材料對氣體的壁損吸附小，適用于本發(fā)明的實驗要求。換氣孔1-2分別設在外壁1-1的頂部、前端、兩側部分，箱內(nèi)氣體經(jīng)換氣孔1-2排出。具體地，所述外壁1-1的頂部設有5個單行排布的換氣孔1-2，間隔為120mm；左右兩側各設有5個單列排布的換氣孔1-2，間隔為120mm，且左右兩側同一行的換氣孔1-2在同一水平線上；前端設有3個單行排布的換氣孔1-2，間隔為200mm。

所述監(jiān)測探頭2-1由包括O₃、NO₂、NO、VOC、CO₂、CO、、醛類監(jiān)測探頭等在內(nèi)的若干探頭組成，嵌入箱體頂部的固定穴位，對箱體內(nèi)各組分氣體進行直讀記錄，分辨率達ppb，簡便快捷，在線實時、直接準確。四個探頭均置于煙霧箱體的頂部，示數(shù)都朝向正前方，便于讀數(shù)。具體地，四個探頭呈兩行兩列分布，分別位于一個邊長為200mm的正方形的四個頂點上。

所述反應配氣部分包括沖程閥3-2、不銹鋼導管3-3、主支撐座3-4和兩個配氣罐3-1，反應氣體由配氣罐3-1配給，經(jīng)沖程閥3-2控制氣體流量，再由與沖程閥3-2相連接的鋁合金導管3-3將不同配氣罐3-1的氣體導入煙霧箱體內(nèi)。

所述動力換氣清洗部分包括進氣扇4-1和出氣扇4-2，箱體內(nèi)的殘留氣體由出氣扇4-2提供動力從換氣孔1-2排出，外部氣體由進氣扇4-1通入。

所述進氣扇4-1和出氣扇4-2均布置在直徑為100mm的旋蓋式圓形口中，進氣扇4-1在出氣扇4-2正上方180mm處。

所述內(nèi)置光源5-1為300～400nm的黑光燈，在煙霧箱體內(nèi)的頂部懸掛2個，在左右兩側的換氣孔1-2中或頂部放置有若干個。內(nèi)置光源5-1模擬太陽光波長，光效高損失少，100w內(nèi)即可實現(xiàn)光化學快速效應，安全可控實際。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明煙霧箱采用集內(nèi)置光源、配氣、調節(jié)、監(jiān)測與煙霧箱的一體式結構，體積小，成本低，反應周期快，可單人操控。適用于本科教學實驗。采用拆組式設計，占地面積小，移動方便，所用箱體外壁以 PMMA惰性材料，強度大經(jīng)濟適用，壁損吸附小。內(nèi)置式光源光損失小，利用率高，小功率安全可靠，且反應周期短，效率高。解決了現(xiàn)有煙霧箱大空間，外圍多組光源，固定式、換氣周期長、成本高等實用現(xiàn)況。

附圖說明

圖1是裝置的主視圖。

圖2是裝置的側視圖。

圖3是裝置的俯視圖。

圖4是進氣扇和出氣扇側視圖。

圖5是進氣扇和出氣扇俯視圖。

圖6是換氣孔主視圖。

圖7是換氣孔俯視圖。

圖8是本發(fā)明臭氧測試的曲線圖。

圖9是本發(fā)明VOC測試的曲線圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例詳細說明本發(fā)明的實施方式。

如圖1、2、3所示，本發(fā)明光化學煙霧箱，包括煙霧箱體、氣體監(jiān)測部分、反應配氣部分、動力換氣清洗部分以及光源，其中：

如圖1、2、3、4、5、6、7所示，旋蓋式換氣孔1-2分別設在煙霧箱體的外壁1-1的頂部、前端、兩側部分。其中頂部設有5個，單行設置，間隔為120mm；左右兩側各設有5個，單列設置，間隔為120mm，且左右逐一水平相對，其目的在于可以在左右兩側換氣孔水平放置橫向光源；前端設有3個，單行設置，間隔為200mm。氣體監(jiān)測部分例如4個監(jiān)測探頭2-1，分別是O₃監(jiān)測探頭、NO₂監(jiān)測探頭、NO監(jiān)測探頭、VOC監(jiān)測探頭，4個探頭位于前后兩排，動力換氣清洗部分共包括進氣扇4-1和出氣扇4-2兩部分，箱體內(nèi)的殘留氣體由出氣扇4-2提供動力從旋蓋式換氣孔1-2排出，外部換氣體由進氣扇4-1通入。

反應配氣部分包括沖程閥3-2、鋁合金導管3-3、支撐承座3-4和兩個配 氣罐3-1，兩個配氣罐3-1分別為二氧化氮配氣罐和碳氫化合物配氣罐，反應氣體由配氣罐3-1配給，經(jīng)沖程閥3-2控制氣體流量，再由與沖程閥3-2相連接的鋁合金導管3-3將不同配氣罐3-1的氣體導入煙霧箱體內(nèi)。

本發(fā)明是集反應配氣、氣體實讀、內(nèi)置光源、系統(tǒng)換氣一體式200L體積的實驗裝置。內(nèi)部氣體在動力換氣清洗部分的動力作用下由頂部、右側的旋蓋式換氣孔排出，氣體由左側的二氧化氮配氣罐、碳氫化合物配氣罐壓入并通過不銹鋼導管導進箱內(nèi)，箱內(nèi)的氣體濃度由頂部設有的在線監(jiān)測探頭現(xiàn)場監(jiān)測記錄。

具體地，根據(jù)以上結構，本發(fā)明操作方式為：

主要操作部分為換氣清洗、配氣、定時讀值，記錄分析。

1.首先打開圖中的動力換氣清洗部分。將仿真光化學煙霧箱換氣扇開關打開，再打開箱體各個方向的旋蓋式換氣孔1-2，通過在線監(jiān)測4個監(jiān)測探頭2-1，動力換氣操作是將實驗外界空氣充進箱體內(nèi)，利用外界空氣的擠壓能力將煙霧箱內(nèi)的殘余氣體排出箱外。當監(jiān)測探頭的顯示值與實驗外界氣體背景值相同時，即降低背景至探測器檢測下限(0ppb)認為箱內(nèi)氣體已經(jīng)沖洗完成。若利用空氣清洗速率慢，可以從箱體右側橫置187nm燈管，通電之后，在箱體內(nèi)迅速充滿臭氧，然后關閉電源，通入空氣，將箱體內(nèi)的臭氧與殘留氣體一起清洗掉。待臭氧檢測探頭示數(shù)為零時換氣完成，再將燈管移出箱外，進行試驗。

2.沖洗完成之后，關閉換氣扇，關閉箱體各個方向的旋蓋式換氣孔1-2，保證實驗過程的箱體密閉性。待箱體內(nèi)的氣體穩(wěn)定，即監(jiān)測探頭顯示不會變化時。打開懸掛式內(nèi)置光源5-1，內(nèi)置光源是在箱體頂部懸掛固定。根據(jù)研究內(nèi)容，可以選擇開一個，多個光源，或者不開燈進行暗反應研究反應機理。

3.然后，啟動反應配氣部分。首先，打開沖程閥3-2壓入NO2氣體，氣體通過鋁合金導管3-3進入箱體內(nèi)部，與此同時，打開另外一個配氣罐3-1，將VOC氣體壓入箱體內(nèi)與NO2進行混合反應，操作流程與前者相同。兩種氣體通氣結束后，或者當只研究單獨氣體反應時可以只沖入單組分的氣體， 流程與前者相同。待氣體壓入完成的同時，及時關閉沖程閥3-2，同時記錄氣體監(jiān)測部分各探頭的初始值。

4.接下來，設計合理的時間間隔，比如5min，10min，本煙霧箱的實驗周期短，到達峰值的速度快，所以在進行讀數(shù)時，應該選擇比較小的時間間隔，在變化比較明顯時，可以隨時進行讀數(shù)。進行一系列實驗記錄，記錄氣體監(jiān)測部分檢測的數(shù)據(jù)。

5.最后，作曲線圖，分析數(shù)據(jù)，得出結論。以下是煙霧箱初始測試的運行結果，以此為例。

測試1 臭氧測試結果

將仿真光化學煙霧箱換氣扇開關打開，再打開箱體各個方向的旋蓋式換氣孔，將煙霧箱內(nèi)的殘余氣體排出箱外。當監(jiān)測探頭的顯示值與實驗外界氣體背景值相同時，關閉風扇和換氣孔，并打開內(nèi)置燈源，然后記錄各個探頭的氣體濃度的初始值。打開NO2配氣罐的沖程閥，往箱體內(nèi)壓入一個沖程的NO2，隨后，立即關閉沖程閥。選擇10min的時間間隔進行讀數(shù)，記錄臭氧探頭的示數(shù)變化，做出曲線圖如圖8所示。

測試表明，這種煙霧箱可以在NO2的光解下模擬出臭氧，明顯生成一定量的臭氧，比實驗背景值高?？梢宰C明光化學煙霧的臭氧主要來源是NO2的光解這一理論。且臭氧的變化曲線符合理論變化曲線，即先升高，維持一定的時間后，緩慢降低至零。從圖中可以看出，這種煙霧箱的反應周期很短，很快就會達到峰值，30min左右就會出現(xiàn)峰值。所以時間間隔最好設置為5min，10min，不宜過大。

測試2 VOC的作用

操作流程與測試1相同，在完成換氣清洗與一個沖程NO2的配氣后，立即打開VOC配氣罐的沖程閥，先壓入一個沖程的VOC，隨后，立即關閉沖程閥。對臭氧以及其他探頭的示數(shù)進行記錄。作為比較，在做完這一組實驗之后，重復上次操作步驟，壓入一個沖程的VOC之后，立即關閉沖程閥。重復此VOC配氣步驟，再連續(xù)壓入兩個沖程的VOC，之后進行記錄。做出 曲線圖如圖9所示。

測試結果表明

(1)在加入VOC之后，臭氧的變化曲線與測試一致，都為在20-30min左右會出項峰值，且會維持一段時間，然后緩慢下降直至為零，符合光化學煙霧臭氧理論變化曲線。

(2)在沖入VOC氣體的情況下，臭氧發(fā)生變化，表明VOC的加入對NO2向臭氧轉化有一定的影響，符合光化學煙霧的產(chǎn)生與VOC的作用有關這一理論，當加入一個沖程VOC時，臭氧產(chǎn)生明顯增多，當加入三個沖程的VOC時，臭氧的產(chǎn)生也會增多。

從這兩次實驗測試可以得出，這種煙霧箱可以做出臭氧，并可以證明臭氧的來源是NO2的光解，VOC的作用可以對臭氧的增加起到一定的作用，此后的研究方向為不同的VOC對臭氧的具體影響，如5個，10個沖程VOC的影響。并且也可以研究高濃度NO2下，如3個，5個沖程下，不同VOC對臭氧濃度的影響。