一種用于在線直測(cè)的細(xì)顆粒采集裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)及氣溶膠顆粒觀測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及高效、高時(shí)間分辨率、高轉(zhuǎn)化率的適用于氣溶膠顆粒可溶性組分直接測(cè)量的在線直測(cè)細(xì)顆粒采集裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]大氣細(xì)顆粒物已經(jīng)成為我國(guó)城市的首要污染物，特別是近來霧霾污染頻發(fā)，引起了政府和公眾的廣泛關(guān)注，對(duì)細(xì)顆粒的研究也不斷的深入。大氣顆粒物采樣器是進(jìn)行大氣細(xì)顆粒物研究和分析的基本設(shè)備和技術(shù)，隨著技術(shù)的發(fā)展和研究需要的提升，細(xì)顆粒物的采樣和觀測(cè)方法也發(fā)生了巨大的變化，以滿足不同觀測(cè)的需要。
[0003]目前細(xì)顆粒物采樣裝置和方法，主要是通過濾膜采樣器中安裝的濾膜對(duì)顆粒物的捕集，通過配備不同的切割頭實(shí)現(xiàn)對(duì)顆粒物的分級(jí)采樣，將采集后的濾膜樣品進(jìn)行冷藏保持并帶回實(shí)驗(yàn)室分析，該方法俗稱離線采樣分析方法。濾膜采樣器目前已有較成熟的技術(shù)，公開的技術(shù)如專利CN1808095A設(shè)計(jì)了一種多通道PM2.5顆粒物采樣器，該采樣器能同時(shí)進(jìn)行多種濾膜的大氣顆粒物樣品采集，但設(shè)計(jì)的采樣流量小，采樣時(shí)間長(zhǎng)；專利CN2586967Y設(shè)計(jì)了一種中流量大氣細(xì)顆粒物采樣器；專利CN201707249U公開了一種利用分流器進(jìn)行三通道大氣顆粒物采樣器，可對(duì)不同粒極的大氣顆粒物進(jìn)行采集。離線采樣分析方法，采樣時(shí)間長(zhǎng)，時(shí)間分辨率很低，并且采樣與分析時(shí)間間隔很長(zhǎng)，樣品在保存及運(yùn)輸過程中，細(xì)顆粒的化學(xué)組分容易遭到破壞，且分析樣品受人為因素的影響很大、分析需要花費(fèi)大量的人力物力。因此，離線采樣分析方法越來越難以滿足細(xì)顆粒觀測(cè)研究的需求。開發(fā)新的在線氣溶膠顆粒采樣和分析裝置和方法已經(jīng)成為大氣細(xì)顆粒物研究的關(guān)鍵。然而要實(shí)現(xiàn)顆粒物的在線連續(xù)測(cè)量，首先要解決的問題是如何獲取可用于在線分析的顆粒物樣品。傳統(tǒng)的細(xì)顆粒采樣方法，包括撞擊式采樣方法和濾膜式采樣方法均需要復(fù)雜的前處理過程才能用于后續(xù)的分析，無法獲得可用于直接測(cè)量的細(xì)顆粒物樣品。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有細(xì)顆粒物采樣器無法用于細(xì)顆粒的直接在線測(cè)量，細(xì)顆粒采集和轉(zhuǎn)化效率低，低濃度下細(xì)顆粒難以直接測(cè)量等問題，提供可實(shí)現(xiàn)細(xì)顆粒的高效捕集與轉(zhuǎn)化，可用于連續(xù)直接測(cè)量細(xì)顆粒樣品，實(shí)現(xiàn)顆粒物在線連續(xù)自動(dòng)采樣和直測(cè)分析的一種用于在線直測(cè)的細(xì)顆粒采集裝置。
[0005]本發(fā)明的另一目的在于提供采用所述用于在線直測(cè)的細(xì)顆粒采集裝置進(jìn)行細(xì)顆粒米集的方法。
[0006]所述用于在線直測(cè)的細(xì)顆粒采集裝置設(shè)有蒸汽發(fā)生器、細(xì)顆粒凝結(jié)室、空氣動(dòng)力學(xué)裝置、撞擊盤、超聲換能器、流量栗、電動(dòng)三通閥、液體分流再循環(huán)裝置、蠕動(dòng)栗、水汽分離器、真空栗、溫濕度傳感器、控制電路；
[0007]蠕動(dòng)栗的純水出口接蒸汽發(fā)生器，蒸汽發(fā)生器上設(shè)有回轉(zhuǎn)式蒸汽噴嘴，回轉(zhuǎn)式蒸汽噴嘴和溫濕度傳感器設(shè)于細(xì)顆粒凝結(jié)室的入口，蒸汽與采樣空氣混合進(jìn)入細(xì)顆粒凝結(jié)室，在細(xì)顆粒凝結(jié)室的外壁面設(shè)有恒溫制冷片，在細(xì)顆粒凝結(jié)室的內(nèi)壁面設(shè)有低表面能涂層，細(xì)顆粒凝結(jié)室的出口與空氣動(dòng)力學(xué)捕集裝置連接，撞擊盤設(shè)在空氣動(dòng)力學(xué)裝置的透鏡孔外，撞擊盤捕集通過空氣動(dòng)力學(xué)裝置的顆粒物，撞擊盤與超聲換能器連接；電動(dòng)三通閥的吸收液入口外接吸收液出口，電動(dòng)三通閥的循環(huán)液入口接液體分流再循環(huán)裝置的循環(huán)液出口，電動(dòng)三通閥的吸收液出口接流量栗的進(jìn)口，流量栗的出口將吸收液分布在撞擊盤的表面，撞擊盤的待測(cè)液經(jīng)液體分流再循環(huán)裝置的待測(cè)液進(jìn)口進(jìn)入液體分流再循環(huán)裝置，液體分流再循環(huán)裝置的待測(cè)液出口外接離子色譜檢測(cè)儀，液體分流再循環(huán)裝置的廢液出口接蠕動(dòng)栗并由蠕動(dòng)栗排出廢液；水汽分離器的出口接真空栗的進(jìn)氣口，真空栗的出氣口排放空氣；水汽分離器的進(jìn)口接空氣動(dòng)力學(xué)裝置的氣體出口，空氣動(dòng)力學(xué)裝置的廢液出口經(jīng)蠕動(dòng)栗排放廢液；蒸汽發(fā)生器、超聲換能器、流量栗、電動(dòng)三通閥、蠕動(dòng)栗、真空栗、恒溫制冷片和溫濕度傳感器與控制電路的控制信號(hào)輸出端連接。
[0008]本發(fā)明在氣體樣品入口處設(shè)有回轉(zhuǎn)式蒸汽噴嘴，蒸汽與氣體樣品混合后進(jìn)入細(xì)顆粒凝結(jié)室，并在細(xì)顆粒凝結(jié)室內(nèi)降溫形成過飽和蒸汽環(huán)境，過飽和蒸汽在細(xì)顆粒表面凝結(jié)長(zhǎng)大成液滴，并通過設(shè)置在細(xì)顆粒凝結(jié)室外壁的恒溫制冷片控制凝結(jié)室內(nèi)的過飽和環(huán)境，凝結(jié)長(zhǎng)大后的液滴通過空氣動(dòng)力學(xué)裝置撞擊在撞擊盤上，并被撞擊盤捕獲，吸收液通過流量栗均勻分散于撞擊盤表面，將被撞擊盤捕獲的細(xì)顆粒收集并溶解。撞擊盤一端與超聲換能器相連接，利用超聲波將撞擊盤上的細(xì)顆粒均勻分散于吸收液中，并使細(xì)顆粒中的可溶組分迅速溶解于吸收液中。吸收后的吸收液進(jìn)入到液體分流再循環(huán)裝置，該裝置的三個(gè)出口分別與三通閥、檢測(cè)器和蠕動(dòng)栗相連接，并采用了獨(dú)特的壓力式排空方法將殘留液的量降低到最低。采樣后的氣體經(jīng)冷凝除水后由真空栗排放。
[0009]本發(fā)明的控制電路設(shè)有微處理器，用于控制蒸汽發(fā)生器、超聲換能器、流量栗、電動(dòng)三通閥、蠕動(dòng)栗、真空栗、恒溫制冷片和溫濕度傳感器的啟動(dòng)及運(yùn)行，并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、控制系統(tǒng)運(yùn)行、實(shí)時(shí)監(jiān)控裝置的運(yùn)行參數(shù)，并采集和存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)。
[0010]采用所述用于在線直測(cè)的細(xì)顆粒采集裝置進(jìn)行細(xì)顆粒采集的方法如下:
[0011]在需要進(jìn)行富集測(cè)量時(shí)，首先集成控制器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，調(diào)整所需要的采樣流量和吸收液流量和溫度等參數(shù)，設(shè)置完成后啟動(dòng)蠕動(dòng)栗和蒸汽發(fā)生器，待溫濕度傳感器的溫度達(dá)到設(shè)定值后，啟動(dòng)真空栗和高壓精密流量栗及電動(dòng)三通閥的吸收液入口，同時(shí)啟動(dòng)超聲換能器，并記錄為采樣起始時(shí)間；進(jìn)樣一段時(shí)間(0?30min可調(diào))后，關(guān)閉電動(dòng)三通閥的吸收液入口，并打開電動(dòng)三通閥的循環(huán)液入口和液體分流再循環(huán)裝置的循環(huán)液出口，此時(shí)吸收液通過三通閥和高壓精密流量栗進(jìn)行循環(huán)對(duì)細(xì)顆粒進(jìn)行富集，待設(shè)置的富集時(shí)間完成后，關(guān)閉液體分流再循環(huán)裝置的循環(huán)液出口和電動(dòng)三通閥的循環(huán)液入口 ；并打開液體分流再循環(huán)裝置的待測(cè)液出口，待測(cè)液被引入檢測(cè)器進(jìn)行測(cè)量，剩余的待測(cè)液通過排出，待測(cè)液完全排空后，關(guān)閉排出口，完成一次循環(huán)富集時(shí)間，并記錄該時(shí)間作為一次采用結(jié)束時(shí)間。等待并進(jìn)行下一次的富集測(cè)量。
[0012]在進(jìn)行非循環(huán)富集測(cè)量時(shí)，啟動(dòng)蒸汽發(fā)生器、超聲換能器、高壓精密流量栗、蠕動(dòng)栗和真空栗，并保持三通閥的循環(huán)液入口、液體分流再循環(huán)裝置的循環(huán)液出口和廢液出口常閉，保持三通閥的吸收液入口和液體分流再循環(huán)裝置的待測(cè)液出口為常開，吸收液連續(xù)從進(jìn)入，在撞擊盤吸收細(xì)顆粒后，連續(xù)從引入到檢測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)，而不進(jìn)行循環(huán)，系統(tǒng)連續(xù)進(jìn)樣運(yùn)行。
[0013]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有細(xì)顆粒物采樣器無法用于細(xì)顆粒的在線直接測(cè)量，細(xì)顆粒采集和轉(zhuǎn)化效率低且難以用于低濃度下細(xì)顆粒的直接測(cè)量等問題。提供一種蒸汽凝結(jié)與撞擊捕集相結(jié)合的細(xì)顆粒采樣技術(shù)，該技術(shù)采用了獨(dú)特的吸收液循環(huán)富集方法和超聲波溶解技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了細(xì)顆粒的高效捕集與轉(zhuǎn)化，可用于連續(xù)直接測(cè)量。本發(fā)明為解決上述問題，提出了利用蒸汽凝結(jié)與撞擊富集相結(jié)合的辦法，直接將細(xì)顆粒采集下來并溶解于水中，形成可用于直接測(cè)量的液體樣品，采用獨(dú)有的吸收液循環(huán)富集裝置，實(shí)現(xiàn)了顆粒物在線連續(xù)自動(dòng)采樣和直測(cè)分析。
[0014]與現(xiàn)有的細(xì)顆粒物采樣器相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0015]本發(fā)明涉及的在線直測(cè)的細(xì)顆粒高效采集裝置，其具有細(xì)顆粒捕集與轉(zhuǎn)化效率高、細(xì)顆粒采樣時(shí)間短、顆粒溶解速度快、系統(tǒng)簡(jiǎn)單和穩(wěn)定性好的特征，極大提高了細(xì)顆粒檢測(cè)的精度和時(shí)間分辨率。該裝置采用低表面能涂層技術(shù)，極大避免了蒸汽在凝結(jié)室壁面凝結(jié)，有利于蒸汽在細(xì)顆粒表面凝結(jié)，減少蒸汽消耗；采用恒溫制冷技術(shù)使細(xì)顆粒凝結(jié)室內(nèi)的溫度可控，解決了因長(zhǎng)時(shí)間蒸汽相變潛熱積累導(dǎo)致凝結(jié)室溫度上升而影響細(xì)顆粒凝結(jié)的問題。將撞擊盤與超聲換能器相連，利用超聲波使細(xì)顆?？焖倬鶆虻娜芙庥谖找褐校瑯O大提高了細(xì)顆粒的轉(zhuǎn)化效率，同時(shí)解決了因?yàn)榧?xì)顆粒因高速撞擊而粘在撞擊盤上的問題。采用了吸收液分流再循環(huán)裝置，使吸收液可以用于循環(huán)吸收細(xì)顆粒，解決了在低濃度條件下，由于檢測(cè)器檢測(cè)條件的限制，需要達(dá)到一定濃度方能檢測(cè)時(shí)，細(xì)顆粒的采樣和檢測(cè)問題。本發(fā)明特別適合于高時(shí)間分辨率的細(xì)顆?？扇芙M分的直接在線檢測(cè)，同時(shí)與TSP、PM1(^P PM 2.5等切割頭聯(lián)合使用，可用于分析不同粒徑的細(xì)顆粒物，與不同的檢測(cè)器聯(lián)合使用，可以對(duì)細(xì)顆粒物中的不同可溶性組分進(jìn)行檢測(cè)。
【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明所述用于在線直測(cè)的細(xì)顆粒采集裝置實(shí)施例的結(jié)構(gòu)組成示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]參見圖1，本發(fā)明所述用于在線直測(cè)的細(xì)顆粒采集裝置實(shí)施例設(shè)有蒸汽發(fā)生器1、細(xì)顆粒凝結(jié)室3、空氣動(dòng)力學(xué)裝置4、撞擊盤5、超聲換能器6、流量栗7、電動(dòng)三通閥8、液體分流再循環(huán)裝置9、蠕動(dòng)栗10、水汽分離器11、真空栗12、溫濕度傳感器14、控制電路16。
[0018]蠕動(dòng)栗10的純水出口接蒸汽發(fā)生器1，蒸汽發(fā)生器1上設(shè)有回轉(zhuǎn)式蒸汽噴嘴2，回轉(zhuǎn)式蒸汽噴嘴2和溫濕度傳感器14設(shè)于細(xì)顆粒凝結(jié)室3的入口，蒸汽與采樣空氣混合進(jìn)入細(xì)顆粒凝結(jié)室3，在細(xì)顆粒凝結(jié)室3的外壁面設(shè)有恒溫制冷片13，在細(xì)顆粒凝結(jié)室3的內(nèi)壁面設(shè)有低表面能涂層15，細(xì)顆粒凝結(jié)室3的