一種基于電遷移率的1-3納米氣溶膠篩分裝置及應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于電迀移率的1-3納米氣溶膠篩分裝置及應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]目前我國(guó)大氣環(huán)境問(wèn)題突出，以細(xì)顆粒物污染為主導(dǎo)的復(fù)合型大氣污染現(xiàn)象嚴(yán)重，區(qū)域灰霾事件頻發(fā)，已受到廣泛關(guān)注。大氣中的硫酸分子、氨氣、有機(jī)氨、水等氣態(tài)前體物通過(guò)成核作用生成高數(shù)濃度的1-3納米顆粒物并后續(xù)增長(zhǎng)至100-200納米，是細(xì)顆粒物污染物的主要成因之一。有效篩分1-3納米氣溶膠，對(duì)于新顆粒物生成事件的檢測(cè)、顆粒物成核機(jī)理的研究、區(qū)域尺度顆粒物污染的控制、與顆粒物相關(guān)的氣態(tài)污染物控制措施和排放標(biāo)準(zhǔn)的制定都具有十分重要的意義。
[0003]目前我國(guó)尚無(wú)特殊針對(duì)大氣中1-3納米氣溶膠的篩分裝置。已有的納米級(jí)顆粒物篩分裝置主要面向幾十至幾百納米或3納米至幾十納米的氣溶膠，對(duì)于1-3納米的氣溶膠，其電壓可調(diào)節(jié)性極差、通過(guò)率和分辨率低，制約了后續(xù)檢測(cè)儀器對(duì)顆粒物的計(jì)數(shù)，故并不適用于1-3納米氣溶膠的有效篩分。
[0004]早在1900年左右，基于電迀移率的方法就已被應(yīng)用于大氣離子研究。20世紀(jì)70年代中葉，美國(guó)研究人員提出了定量描述差分電迀移率分析儀(differential mobilityanalyzer ,DMA)的理論傳輸方程公式，此后DMA—直被廣泛應(yīng)用于亞微米級(jí)及更小粒徑顆粒物的篩分中。帶電的多分散氣溶膠在進(jìn)入DMA后，一方面隨著不含顆粒物的潔凈鞘氣向下游移動(dòng)，另一方面在電場(chǎng)力的作用下向帶有高壓電的中心電極迀移。電迀移率大，即粒徑小的顆粒物，由于在電場(chǎng)中迀移速度過(guò)快而碰撞到電極上被捕集;電迀移率小，即粒徑大的顆粒物，由于在電場(chǎng)中迀移速度過(guò)慢而隨著鞘氣從主流出口流出；只有選定電迀移率的顆粒物才能剛好通過(guò)電極上的狹縫進(jìn)入下游，得到近似單分散的氣溶膠。但對(duì)于剛從氣態(tài)前體物轉(zhuǎn)化過(guò)來(lái)的1-3納米顆粒物，傳統(tǒng)的DMA不能有效應(yīng)對(duì)其高電迀移率、高擴(kuò)散性、高損失的特征，導(dǎo)致篩分效果不好或不能篩分。尤其在大氣新顆粒物生成事件中，盡管產(chǎn)生的新顆粒物濃度較高，但由于1-3納米顆粒物在檢測(cè)系統(tǒng)中的采樣、荷電、篩分、檢測(cè)等環(huán)節(jié)效率都很低，導(dǎo)致實(shí)際能被檢測(cè)到的顆粒物極少。故為了實(shí)現(xiàn)有效的觀測(cè)，不適合用針對(duì)3納米以上氣溶膠的DMA來(lái)進(jìn)行篩分。為了抑制1-3納米氣溶膠強(qiáng)烈的擴(kuò)散作用，需要適當(dāng)提高DMA內(nèi)部的氣體流量，同時(shí)保證DMA內(nèi)部的層流狀態(tài)。目前國(guó)內(nèi)外研究人員正在積極探索適用于1-3納米氣溶膠差分電迀移率的篩分裝置。
[0005]CN201110033972涉及一種可容易地增大能夠分級(jí)的帶電粒子的粒徑的上限值，并且能夠分析粒徑可能會(huì)發(fā)生變化的帶電粒子的微分型電迀移率分級(jí)裝置，包括:分級(jí)槽、氣體供給部以及電壓源，其中分級(jí)槽依次配置有彼此相隔規(guī)定距離且相對(duì)而設(shè)的入口電極、中間電極以及出口電極，所述入口電極、中間電極以及出口電極分別具有入口狹縫、狹縫、出口狹縫。
[0006]CN201110098903涉及一種氣溶膠顆粒粒徑分類檢測(cè)系統(tǒng)，其中包括的微分電迀移率分析器對(duì)進(jìn)入的待檢測(cè)氣溶膠粒子加上相同的電荷量，再利用不同的電場(chǎng)強(qiáng)度將不同質(zhì)量的氣溶膠粒子進(jìn)行分類。
[0007]CN201310176435涉及一種串聯(lián)差分電迀移率測(cè)量?jī)x及其測(cè)量方法，其中利用DMA測(cè)量吸濕之后的樣品的粒徑分布，或者將篩選出來(lái)的所測(cè)粒徑的顆粒物進(jìn)入加熱器加熱揮發(fā)，在DMA中測(cè)量加熱揮發(fā)之后的氣溶膠樣品的粒徑分布。
[0008]以上三項(xiàng)發(fā)明專利涉及的差分電迀移率分析儀均適用于3納米以上的氣溶膠篩分，沒(méi)有對(duì)1-3納米顆粒物進(jìn)行任何特殊考慮，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)1-3納米顆粒物的篩分。
[0009]CN201410166017涉及一種I?3nm單分散氣溶膠發(fā)生系統(tǒng)，主要由電噴霧發(fā)生器、高分辨率差分電迀移率分析儀和氣溶膠靜電計(jì)組成。其中的高分辨率差分電迀移率分析儀為1-3納米氣溶膠和離子的高分辨率篩分特殊設(shè)計(jì)，采用高達(dá)數(shù)百升每分鐘的鞘氣流量并保證分離區(qū)內(nèi)的層流狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)1-3納米氣溶膠的有效篩分。但由于鞘氣流量過(guò)大，導(dǎo)致儀器附屬的管路和風(fēng)機(jī)笨重，且存在背景噪音，故只適用于在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)定性或半定量地測(cè)量試驗(yàn)氣溶膠，而不適于在實(shí)際外場(chǎng)條件下開(kāi)展大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種基于電迀移率的1-3納米氣溶膠篩分裝置，具體技術(shù)方案如下:
[0011]—種基于電迀移率的1-3納米氣溶膠篩分裝置，包括鞘氣進(jìn)口部分、氣溶膠進(jìn)口部分、分離區(qū)、鞘氣出口部分和氣溶膠出口部分；
[0012]所述鞘氣進(jìn)口部分包括依次相連的喇叭形漸擴(kuò)部分1、漏斗形漸縮部分2和用于使氣流呈柱塞流分布的濾膜3;所述濾膜3繃緊壓在漏斗形漸縮部分2上；
[0013]所述氣溶膠進(jìn)口部分包括氣溶膠進(jìn)口圓管4、用于使氣體均勻分布的對(duì)稱設(shè)置的氣溶膠進(jìn)口腔體5和對(duì)稱布置的氣溶膠進(jìn)口狹縫6;氣溶膠進(jìn)口圓管4與同側(cè)的氣溶膠進(jìn)口腔體5相切；同側(cè)的氣溶膠進(jìn)口狹縫6與氣溶膠進(jìn)口腔體5相通，并設(shè)置在氣溶膠進(jìn)口腔體5的下方；
[0014]所述分離區(qū)包括中心電極7、電極狹縫9和圓筒外壁8;電極狹縫9中心電極7上環(huán)向均勻分布，中心電極7與圓筒外壁8保持同軸;圓筒外壁8接地；
[0015]所述鞘氣出口部分包括對(duì)向布置的鞘氣出口圓管12、鞘氣出口狹縫10和鞘氣出口腔體11;同側(cè)的鞘氣出口圓管12與鞘氣出口腔體11相切，同側(cè)的鞘氣出口狹縫10與鞘氣出口腔體11相通，并設(shè)置在鞘氣出口腔體11的上方;鞘氣出口狹縫10和鞘氣出口腔體11的設(shè)置可減少非對(duì)稱出氣對(duì)分離區(qū)的擾動(dòng)，從而確保分離區(qū)內(nèi)部的層流狀態(tài)。
[0016]所述氣溶膠出口部分由絕緣底座13和氣溶膠出口圓管14組成；中心電極7、絕緣底座13和氣溶膠出口圓管14依次相連。其中，絕緣底座13用來(lái)分離中心電極7和氣溶膠出口圓管14，防止高電壓外露，對(duì)操作人員或下游儀器造成損傷;但在保證絕緣性能的前提下，中心電極7和氣溶膠出口圓管14之間的絕緣長(zhǎng)度應(yīng)當(dāng)盡量短，從而減少1-3納米氣溶膠的靜電損失，提尚通過(guò)率。
[0017]進(jìn)一步地，所述篩分裝置的總長(zhǎng)為20厘米，最大寬度處寬為7厘米。
[0018]進(jìn)一步地，所述鞘氣進(jìn)口部分，喇叭形漸擴(kuò)部分I的漸擴(kuò)角度為20°，漏斗形漸縮部分2的漸縮角度為45° ;所述氣溶膠進(jìn)口部分，氣溶膠進(jìn)口腔體5的高度為2.6厘米，外壁內(nèi)徑為3.8厘米，內(nèi)壁外徑為2.6厘米;氣溶膠進(jìn)口狹縫6的寬度為0.17厘米;所述鞘氣出口部分，鞘氣出口腔體11的高度為1.8厘米，外壁內(nèi)徑為3.2厘米，內(nèi)壁外徑為1.2厘米;鞘氣出口狹縫10的寬度為0.2厘米;上述結(jié)構(gòu)和尺寸經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)整，以確保不會(huì)引起儀器內(nèi)部的氣流擾動(dòng)。
[0019]所述分離區(qū)中，圓筒外壁8的長(zhǎng)度為1.75厘米，內(nèi)壁直徑為1.906厘米，中心電極7的外壁直徑為0.7厘米，以確保分離區(qū)的中心電極電壓調(diào)節(jié)精度可以滿足1-3納米顆粒物的篩分精度。
[0020]根據(jù)計(jì)算理論擴(kuò)散傳輸方程得到分離區(qū)圓筒外壁8的長(zhǎng)度和內(nèi)壁直徑以及中心電極7的外壁直徑，并通過(guò)計(jì)算雷諾數(shù)設(shè)置濾膜3，確保流體處于層流區(qū);通過(guò)調(diào)整氣溶膠進(jìn)口狹縫6確保氣溶膠進(jìn)氣均勻，并盡可能抑制氣溶膠與鞘氣混合時(shí)產(chǎn)生的湍流。
[0021 ]所述濾膜3為420目的尼龍絲網(wǎng)，在保證層流的前提下還具有成本較低的優(yōu)點(diǎn)。
[0022]如上所述篩分裝置用于在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)定量或半定量測(cè)量試驗(yàn)氣溶膠，以及在實(shí)際外場(chǎng)條件下測(cè)量氣溶膠。
[0023]具體步驟如下:
[0024](I)濾去顆粒物的潔凈鞘氣由喇叭形漸擴(kuò)部分I的頂端入口進(jìn)入，以避免突擴(kuò)導(dǎo)致的湍流，并在濾膜3和漏斗形漸縮部分2的作用下達(dá)到層流狀態(tài)，進(jìn)入分離區(qū)；
[0025](2)多分散的氣溶膠通過(guò)氣溶膠進(jìn)口圓管4進(jìn)入氣溶膠進(jìn)口腔體5，在充分且不過(guò)于長(zhǎng)的停留時(shí)間內(nèi)在氣溶膠進(jìn)口腔體5內(nèi)均勻分布，之后通過(guò)氣溶膠進(jìn)口狹縫6進(jìn)入分離區(qū)；氣溶膠進(jìn)口狹縫6有助于抑制氣溶膠進(jìn)口的切向速度，避免氣溶膠與鞘氣混合時(shí)產(chǎn)生湍流；
[0026](3)分離區(qū)的中心電極7通過(guò)貫穿絕緣底座13的接口加上高壓電，與接地的圓筒外壁8中間形成電場(chǎng)，吸引帶有相反電荷的顆粒物或離子向中心電極7移動(dòng);氣溶膠通過(guò)電極狹縫9進(jìn)入分離區(qū)實(shí)現(xiàn)篩分，最終從氣溶膠出口圓管14排出；
[0027](4)鞘氣和未通過(guò)電極狹縫9進(jìn)入氣溶膠出口圓管14的氣溶膠經(jīng)過(guò)鞘氣出口狹縫1進(jìn)入鞘氣出口腔體11，并最終通過(guò)鞘氣出口圓管12排出。
[0028]進(jìn)一步地，由1-3納米粒子計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)情況確定中心電極7的電壓，從而得到粒徑固定或連續(xù)變化的1-3納米氣溶膠。
[0029]進(jìn)一步地，從氣溶膠出口圓管14排出的近似單分散氣溶膠，由1-3納米粒子計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而得到1-3納米氣溶膠的濃度或濃度頻率密度。
[0030]進(jìn)一步地，從鞘氣出口圓管12排出的氣體經(jīng)過(guò)過(guò)濾后直接通過(guò)鞘氣進(jìn)口部分的喇叭形漸擴(kuò)部分I再次進(jìn)入1-3納米氣溶膠篩分裝置，從而實(shí)現(xiàn)鞘氣的閉路，以保證流量的穩(wěn)定可控。
[0031]進(jìn)一步地，所述鞘氣的流量范圍為10-30L/min，氣溶膠的流量范圍為l-3L/min。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在鞘氣流量不大于30L/min的條件下，DMA內(nèi)部可以確保層流狀態(tài)，測(cè)得的篩分傳輸方程公式與理論極限值非常接近。
[0032]本發(fā)明所述篩分裝置，針對(duì)成核尺寸附近的1-3納米帶電顆粒物擴(kuò)散作用強(qiáng)、管路損失大等特點(diǎn)，通過(guò)提高鞘氣、氣溶膠流量，保證層流，并利用不同粒徑的氣溶膠在電場(chǎng)中迀移速率的差異，實(shí)現(xiàn)了選擇性篩分。
[0033]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)為:
[0034](I)本發(fā)明所述篩分裝置，將多分散的氣溶膠篩分為近似單分散的氣溶膠，具有較高的通過(guò)率和分辨率，適用于大氣環(huán)境檢測(cè)條件下1-3納米氣溶膠的選擇性篩分，同時(shí)也可廣泛應(yīng)用于其他源產(chǎn)生的更高濃度的1-3納米氣溶膠的選擇性篩分，填補(bǔ)了該領(lǐng)域的空白；
[0035](2)所有部件均未經(jīng)過(guò)傳統(tǒng)DMA特殊的拋光處理，分離區(qū)長(zhǎng)度很短，易于加工;選用非特質(zhì)的濾膜，大幅削減了制造成本;相比于傳統(tǒng)的DMA，整個(gè)儀器成本較低，經(jīng)濟(jì)適用，易于制造和維護(hù)；
[0036](3)結(jié)構(gòu)緊湊，體積小巧，流量適中，使用方便，結(jié)實(shí)耐用；
[0037](4)所有部件均通過(guò)螺絲連接，分離區(qū)易于拆卸，在應(yīng)用于高濃度的顆粒物源(