本發(fā)明是關于一種采樣器及其采樣方法，特別是關于一種半干式靜電旋風采樣器與氣體及/或水樣采樣方法。

背景技術：

人們日常呼吸的空氣是由多種化學物質所組成，其中可能包含會危害人體健康及外圍環(huán)境的污染物，當這些物染物的濃度過高，便會對人體或環(huán)境產生危害。

為了評估人體或環(huán)境暴露于空氣污染的風險，有效的氣體污染物采樣是必要的。由于氣體污染物有可能是氣體或懸浮物，因此還需進一步考慮將氣體及懸浮物分別收集采樣，以便進行準確的污染物分析。

技術實現要素：

有鑒于此，本發(fā)明的主要目的之一是提供一種可將氣體及固體樣本分別采樣的裝置及方法。

為了達成前述及其他目的，本發(fā)明提供一種半干式靜電旋風采樣器，其包括一旋風器本體、一絕緣板、至少一放電電極、一導風管、一進氣手段、一放電手段及一沖洗手段，該旋風器本體具有一環(huán)形壁面、一連接于環(huán)形壁面底端的底部、至少一進氣口及至少一出水口；該絕緣板是設于該環(huán)形壁面的頂端，該絕緣板、環(huán)形壁面及底部共同定義一旋風腔室，該進氣口及出水口均連通于該旋風腔室，放電電極設于絕緣板并延伸至旋風腔室內，放電電極具有一自由端，該自由端低于進氣口且高于出水口；導風管設于旋風器本體底部，且導風管定義一通道，導風管的頂端定義一上開口連通于旋風腔室及通道，上開口低于放電電極的自由端且高于出水口； 該進氣手段是用以將含有微粒的氣流自該進氣口導入該旋風腔室，使該氣流于旋風腔室內沿該環(huán)形壁面螺旋流動，并經由導風管的通道離開旋風腔室；該放電手段是用以施加一高壓電于放電電極，使放電電極放電而讓氣流中的至少部分微粒帶電，進而使得帶電的微粒附著于環(huán)形壁面；該沖洗手段是用以將水導入旋風腔室并清洗該環(huán)形壁面，且?guī)ё咧辽僖徊糠莞街诃h(huán)形壁面的微粒，載有微粒的水自該出水口離開旋風腔室；其中，于放電手段作用時，進氣手段亦同時作用；于沖洗手段作用時，放電手段不作用。

為了達成前述及其他目的，本發(fā)明還提供一種氣體及水樣采樣方法，是應用如前所述的半干式靜電旋風采樣器，包括下列步驟：

(1)使該進氣手段及放電手段同時作用，收集或分析自該通道離開的氣體樣本；

(2)使該進氣手段及放電手段停止作用；以及

(3)使該沖洗手段作用，收集或分析自該出水口離開的水樣。

為了達成前述及其他目的，本發(fā)明還提供一種水樣采樣方法，是應用如前所述的半干式靜電旋風采樣器，包括下列步驟：

(1)使該進氣手段及放電手段同時作用；

(2)使該進氣手段及放電手段停止作用；

(3)使該沖洗手段作用，收集或分析自該出水口離開的水樣。

通過前述設計，進氣手段及放電手段作用時，可將空氣中的固體或液體懸浮物(兩者簡稱微粒)在離心力或靜電力的作用下收集于環(huán)形壁面，自導風管通道離開的氣體樣本可被加以收集分析，而沖洗手段則可用水將附著于環(huán)形壁面的微粒沖洗帶走，自出水口離開的水樣即載有所述微粒并可用以后續(xù)分析所用，實現氣體樣本及/或水樣分別收集采樣的目的。

附圖說明

為進一步說明本發(fā)明的技術內容，以下結合實施例及附圖詳細說明如后，其中：

圖1是本發(fā)明第一實施例的縱剖面圖；

圖2是圖1的2-2剖面圖；

圖3是本發(fā)明第一實施例的使用狀態(tài)示意圖，其中進氣手段及放電手段同時作用；

圖4是本發(fā)明第一實施例的使用狀態(tài)示意圖，其中沖洗手段單獨作用；

圖5是本發(fā)明第二實施例的縱剖面圖；

圖6是圖5的6-6剖面圖；

圖7是利用本發(fā)明第二實施例所作成的微粒收集效率對粒徑關系圖；

圖8是本發(fā)明第三實施例的縱剖面圖；

圖9是圖8的9-9剖面圖；

圖10是本發(fā)明第四實施例的縱剖面圖，但其中放電電極及絕緣圓柱體未以剖面表示。

具體實施方式

請參考圖1至圖2，所繪示者為本發(fā)明第一實施例的半干式靜電旋風采樣器，其包括一旋風器本體10、一絕緣板20、一放電電極30、一導風管40、一進氣手段、一放電手段及一沖洗手段。

旋風器本體10具有一環(huán)形壁面11、一連接于環(huán)形壁面11底端的底部12、一進氣口13、一進水口14及一出水口15，環(huán)形壁面11的中心定義一假想軸線，出水口15低于進水口14，且進氣口13及進水口14緊鄰于環(huán)形壁面11的頂端，該出水口15緊鄰該漏斗狀底部12的底端。旋風器本體10可由導電材質制成，例如不銹鋼、鋁等導電金屬，或是混摻有碳纖維、石墨烯或奈米碳管的導電塑料。使用導電塑料當作本體10的半干式靜電旋風采樣器用于金屬檢測用途時，可免于金屬的污染，得到更準確的結果。在其他可能的實施例中，進氣口、進水口及出水口可各為多個。

絕緣板20設于環(huán)形壁面11的頂端，且絕緣板20、環(huán)形壁面11及底部12共同定義一旋風腔室16，進氣口13、進水口14及出水口15均連通于旋風腔室16。絕緣板20可由非導電的材質制成，例如聚四氟乙烯。

放電電極30設于絕緣板20并沿環(huán)形壁面11所定義的軸線延伸至旋風腔室16內，放電電極30具有一自由端31，自由端31低于進氣口13且高于出水口15。放電電極30可由導電材質制成。

導風管40設于旋風器本體10的底部12，導風管40定義一通道41， 導風管40的頂端更定義一上開口42連通于旋風腔室16及該通道41，上開口42的位置低于放電電極30的自由端31且高于出水口15。

進氣手段是用以將含有微粒的氣流自進氣口13導入旋風腔室16，使氣流于旋風腔室16內沿環(huán)形壁面11螺旋流動，并經由導風管40的通道41離開旋風腔室16；氣流經由通道41離開前，可能會沿著導風管40的外壁面螺旋流動。為了將氣流導入旋風腔室16，可將一抽氣泵浦或空氣壓縮機接設于與進氣口13或通道41連通的流道，而為了讓氣流容易沿著環(huán)形壁面11螺旋流動，進氣口13可在環(huán)形壁面11的切線方向(tangential direction)或接近于切線的方向上將氣流導入旋風腔室16，例如，進氣口13的噴氣方向可與環(huán)形壁面11的切線方向具有小于30°的夾角。在可能的實施例中，氣流在進入旋風腔室16前，可先利用其他除塵或分徑設備而將氣流中粒徑較大的微粒先行去除，例如，導入旋風腔室16的氣流可僅含有氣動直徑10μm(PM10)或2.5μm(PM2.5)以下的微粒，所使用的除塵設備可為但不限于旋風器、微粒沖擊器及濾紙匣。

放電手段是用以施加一高壓電于放電電極30，使放電電極30放電而讓氣流中的至少部分微粒帶電，進而使得帶電的微粒附著于環(huán)形壁面11。放電電極30可電連接于高壓電產生器，高壓電產生器所提供的電壓應足以供放電電極30高壓放電。為了使放電電極30容易放電，放電電極30可設有放電針或放電刃。為了使帶電微粒更容易附著于環(huán)形壁面11，于放電手段作用時，環(huán)形壁面11可以接地或帶有與帶電微粒電性相反的電荷。

沖洗手段是用以將水導入旋風腔室16并清洗環(huán)形壁面11，例如經由該進水口14將水導入旋風腔室16，且?guī)ё咧辽僖徊糠莞街诃h(huán)形壁面11的微粒。為了將水導入旋風腔室16，可將一儲水裝置及一注水馬達或其他可供給水壓的設備連接于與進水口14連通的流道，讓水可經由進水口14噴向環(huán)形壁面11，進水口14的噴水方向可為環(huán)形壁面11的切線方向或接近切線方向，使單一進水口14所噴出的水流可螺旋流經環(huán)形壁面11較大的區(qū)域。在可能的實施例中，環(huán)形壁面可設有多個進水口，使水流可充分沖洗環(huán)形壁面的至少大部分區(qū)域。在其他可能的實施例中，水可以采用溢流方式導入旋風腔室并清洗環(huán)形壁面。載有微粒的水會流至旋風器本體10的底部12，并經由出水口15離開旋風腔室16。在其他可能的實施例中， 可將一汲水馬達或其他汲水設備連通于與出水口連通的流道，當該汲水設備作用時，可讓旋風腔室產生負壓而使進水口流道內的水被吸出進水口而沖洗環(huán)形壁面，在這樣的使用場合中，進水口流道也可不連接有注水馬達或其他可供給水壓的設備。

以下說明半干式靜電旋風采樣器的工作方式：

首先，請參考圖3，令進氣手段及放電手段同時作用，此時載有微粒的氣流自進氣口13進入旋風腔室16，至少一部份微粒因為離心力及靜電力的作用而附著于環(huán)形壁面11或掉落至底部12，脫除至少部分微粒的氣流隨后經由通道41而離開旋風腔室16；在需要收集或分析氣體樣本的場合，更進一步將自通道41離開的氣體樣本加以收集或分析。

自通道41離開的氣體樣本可為但不限于以多孔金屬片固氣分離采樣器(Porous Metal Denuder Sampler，PDS)收集，PDS具有收集氣體的多孔金屬片，可采集的氣體成分包含有NH₃、HF、HCl、HNO₂、HNO₃、SO₂等。分析方式可為但不限將PDS收集氣體的多孔金屬片浸泡于純水中，再將此水樣利用離子層析儀(Ion Chromatography，IC)量測水樣中的離子濃度如NH₄⁺、F^-、Cl^-、NO₂^-、NO₃^-、SO₄^2-等，再經換算得到氣相濃度。其他的分析方式例如利用氣體偵測器量測欲分析的氣體的濃度。

需說明的是，為了取得更準確的分析結果，可在進氣手段及放電手段作用之前，先將沖洗氣體導入旋風腔室16，沖洗氣體例如可使用干燥空氣、氮氣或惰性氣體，由此令旋風腔室16保持干燥。

接著，令進氣手段及放電手段停止作用，亦即不再導入氣流至旋風腔室16，同時放電電極30停止放電。

再接著，請參考圖4，令沖洗手段開始作用，使用去離子水或超純水等沖洗水將至少部分附著于環(huán)形壁面11的微粒帶離環(huán)形壁面11，這些沖洗水隨后并由位于底部12的出水口15離開旋風腔室16；在需要收集或分析水樣的場合，更進一步將自出水口15離開的水樣加以收集或分析。

自出水口15離開的水樣可利用但不限于容器收集，水樣的分析可為但不限于離子濃度、重金屬濃度分析，離子濃度例如可使用離子層析儀分析，重金屬濃度例如可使用感應耦合等離子體質譜分析儀(Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometer，ICP-MS)分析。

請參考圖5至圖6，所繪示的為本發(fā)明第二實施例的半干式靜電旋風采樣器，該第二實施例與該第一實施例的構造雷同，其主要差異在于該本體10是由一下部17及一上部18組成。本體10具有多個進水口14，所述進水口14分別位于環(huán)形壁面11的不同高度。該環(huán)形壁面11的徑向外側設有一水槽50及多個對應于該進水口14的流道51，該流道51連通于水槽50及其對應的進水口14。該旋風器本體10的底部12具有一斜面19，該出水口15位于該斜面19的最低處。該導風管40與該底部12為一體成形。該水槽50的徑向外側設有一與外界連通的引水口52，該引水口52是與該水槽50連通，可供水注入該水槽50、該流道51，并從所述進水口14流至該環(huán)形壁面11中。

以下利用若干實驗驗證該第二實施例的功效，實驗前已先將干燥空氣導入旋風腔室16使之保持干燥。實驗中所使用的待采集氣體已預先做分徑處理，使氣體中僅含有PM2.5以下的微粒。待采集氣體以5L/min流速導入旋風腔室16中，進氣手段及放電手段同時作用24小時，之后關閉進氣手段及放電手段，使用25ml去離子水進行該沖洗手段，收集自出水口15離開的水樣，再以IC分析水樣中的離子濃度。上述實驗重復進行四次。

進行上述實驗的同時，待采集氣體另分流導入已知的多孔金屬片固氣分離采樣器(Porous Metal Denuder Sampler，PDS)。PDS可以同時進行氣體及微粒的采樣，其包含有收集氣體的多孔金屬片及收集微粒的濾紙，于本實驗中僅取PDS中的濾紙放置于30ml的去離子水中，并以超音波震蕩將微粒萃取至水中，再將此水樣分別以IC分析離子濃度。實驗結果列于表一中的對照組。需說明的是，無論實驗組或是對照組，其離子濃度分析中的陰陽離子平衡比(ion ratio)皆在0.8-1.2之間，顯示該離子濃度分析具有可信度及代表性。

表1離子濃度。單位：μg/m³

倘若旋風腔室16未保持干燥，則分析會有偏差，其實驗結果可參考表二，實驗步驟與前述實驗相似，惟未在該進氣手段及該放電手段同時作用之前將干燥空氣導入該旋風腔室16中使之保持干燥。結果顯示，使用未干燥的旋風腔室16(實驗組-wet)采樣微粒，其水樣中的NO3-濃度明顯高于以PDS采樣的對照組。

表2潮濕環(huán)境及未涂敷超疏水劑下的離子分析結果。單位：μg/m³

為了進一步增加采樣的準確度，可對環(huán)形壁面進行表面處理而使環(huán)形壁面具有殊水性，亦即環(huán)形壁面與水幾乎不具有親合力(affinity)，例如可在環(huán)形壁面表面涂布殊水劑，使得沖洗手段所導入的水滴更容易在環(huán)形壁面螺旋滾動并帶走微粒，且水滴不易在環(huán)形壁面殘留。在其他可能的實施方式中，環(huán)形壁面可以物理性表面處理而使其表面致密化，從而提高其殊水性。

接下來測試靜電收集微粒的效率。本實驗利用噴霧器(atomizer)產生癸二酸二辛酯(DOS)微粒，DOS微粒預先進入一混合槽使之濃度均勻，接著以旋風器去除PM2.5以上的微粒后，導入該第二實施例的采樣器的進氣口13。進行兩組實驗，其中實驗組是使進氣手段及放電手段同時作用，放電手段施加10000V電壓置放電電極30，對照組則是在進氣手段作用的同時，不施加電壓于該放電電極30。由該導風管40離開的氣體樣本被導入掃描式電移動度微粒分徑器(Scanning Mobility Particle Sizer，SMPS)用以測試微粒濃度，稱為出口微粒濃度(N出口)，此外，導入該進氣口13的氣體亦以SMPS測試微粒濃度，稱為進口微粒濃度(N進口)。利用下列公式求得收集微粒的效率(η)。

數學式1

實驗結果如圖7所示，對于粒徑介于100-600nm的DOS微粒而言，施加10000V高壓電比不施加電壓的收集微粒效率高出至少57％。

另外，請參考圖8、圖9，所繪示的為本發(fā)明的第三實施例。在本實施例中，放電電極30為多個，且所述放電電極30的幾何中心與環(huán)形壁面11所定義的中心軸線重疊，環(huán)形壁面11上未開設有進水口，進氣口13則連通于一進氣流道131及一進水流道141；進氣手段作用時，氣流經由進氣流道131及進氣口13導入旋風腔室16；沖洗手段作用時，沖洗水經由進水流道141及進氣口13導入旋風腔室16，此時同樣可有一儲水裝置及一注水馬達或其他可供給水壓的設備連接于進水流道141，讓水可經由進氣口13噴向環(huán)形壁面11。

請參考圖10，所繪示者為本發(fā)明的第四實施例，其結構大致與第二實施例相似，惟兩者對于放電電極30的配置方式不同。在本實施例中，絕緣板20的中央設有一延伸至旋風腔室16內部的絕緣圓柱體32，其材質例如為不導電的聚四氟乙烯，圓柱體32可呈實心或空心，圓柱體32的外表面等間隔設有若干用以作為放電電極的電極線33，電極線33平貼于圓柱體32外表面且在旋風腔室16的軸向上延伸，放電手段作用時，電極線33與一高壓電源連接并進行放電。針對本實施例進行了靜電收集微粒的效率測試，使用氯化鈉為測試微粒，接著以旋風器去除PM2.5以上的微粒后，以3L/min的流速將含有氯化鈉微粒的氣流導入第四實施例的采樣器的進氣口13，各電極線33與環(huán)形壁面11的最短距離為0.45公分，電極線33的電壓保持在5300V，測試結果顯示，微粒收集效率平均可達90％以上。

通過前述設計，進氣手段及放電手段作用時，可將空氣中的固體或液體懸浮物(兩者簡稱微粒)在離心力或靜電力的作用下收集于環(huán)形壁面，自導風管通道離開的氣體樣本可被加以收集分析，而沖洗手段則可用水將附著于環(huán)形壁面的微粒沖洗帶走，自出水口離開的水樣即載有所述微粒并可用以后續(xù)分析所用，實現氣體樣本及/或水樣分別收集采樣的目的。

通過前述設計，進氣手段及放電手段作用時，可將空氣中的微粒在離 心力或靜電力的作用下收集于環(huán)形壁面，自導風管通道離開的氣體樣本可被加以收集分析，而沖洗手段則可用水將附著于環(huán)形壁面的微粒沖洗帶走，自出水口離開的水樣即載有所述微粒并可用以后續(xù)分析所用，實現氣體樣本及/或水樣分別收集采樣的目的。

最后，必須再次說明的是，本發(fā)明于前揭實施例中所揭露的構成單元僅為舉例說明，并非用來限制本案的范圍，其他等效的替代或變化，亦應為本案的權利要求范圍所涵蓋。