空气中微纳米粉尘的高效捕集系统的制作方法

专利名称：空气中微纳米粉尘的高效捕集系统的制作方法
技术领域：
本发明属于微米及纳米粉尘的捕集技术，特别是一种利用捕集液对空气环境中飞 散的亚微米和纳米尺度的粉尘进行湿法高效率捕集的系统。 二
背景技术：
微纳米粉尘是指漂浮、飞散于空气中至少一维粒度尺寸为微米、亚微米或纳米量 级的颗粒、纤维或薄片。这些粉尘在空气中的飞散可以导致人体的诸多不适，如哮喘、 矽肺病等。目前国内在粉尘或气溶胶对人体影响的研究和相关粉尘的捕集、检测仪器 的研制使用，绝大部分仅停留在微米尺度(如PMIO、 PM2.5),认为亚微米和纳米尺 度的粉尘与空气成分一样进出呼吸道，不会停留在呼吸道内，更不会进入人体的血液 系统。国外最新的研究表明，亚微米((U 1.0nm)和纳米(l.O-lOOnm)的粉尘可以 通过呼吸、摄入(通过消化系统)和皮肤接触等方式进入人体或动物体内，并参与到 人体或动物的消化系统和血液循环系统中，从而在人体或动物的肺部、脑部、肝脏、 脾脏、淋巴等各器官沉积，对人体或动物健康造成极大的影响。关于纳米和亚微米粉 尘对人体健康的影响，国际标准化组织纳米标准化技术委员会组(ISO/TC 229)目前 已经开始在全球范围内调研并制订相关的标准。
要了解纳米粉尘对人体健康的影响，必须首先掌握空气中粉尘的各种参数，如组 成、形态、浓度等。目前国内尚没有具有自主知识产权的亚微米和纳米粉尘捕集技术， 更缺少相关的设备或仪器。据ISO/TR 27628:2007 (E)文件及在国内已有的仪器公司 代理介绍，国外已推出的纳米粉尘捕集技术(仪器)，其基本原理一般包括蒸汽冷凝粒 子法和静电迁移法。
蒸汽冷凝粒子法(Condensation Particle Counter, CPC)是采用丁醇蒸汽对空气中 飞散的细小颗粒进行包覆、冷凝，使粒度细小的颗粒变大，从而实现对空气中微纳米 粉尘粒子的捕集，然后利用激光法测试颗粒大小。代表性仪器主要有德国GRIMM 公司的凝聚粒子计数器等。该方法存在的主要问题是丁醇蒸汽在对飞散的粒子进行包覆冷凝时，总存在包覆厚度难以控制，不同粒径的粒子包覆的比例有差别，系统无法 区分不同粒径因包覆而增加的粒度厚度，结果偏差较大。特别是对纳米粒子而言，由 于必须使其包覆后的粒径大于用于测试的激光波长(否则准确性更差)，但包覆后粒子 的粒径为其核心纳米粒子的5-10倍，其误差更大。而且该方法主要假设飞散的粉尘为 球形或类球形颗粒，对空气中飞散的纤维类和片状纳米粉尘无法进行捕集和准确测定。
扫描静电迁移法(Scanning Mobility Particle Sizers， SMPS)是在气泵的作用下， 首先使进入系统中的粒子带上一定种类的电荷，然后使其在高压静电场作用下移动到 电极上，实现对空气中微纳米粉尘粒子的捕集。该技术方法代表性仪器有:德国GRIMM 公司的SMPS+C、美国TSI公司的nano-SMPS、美国MSP公司的WPS等，不同公司 的测试精度和捕集效率都有差别。该技术(仪器)的主要缺点在于，受环境湿度和粉 尘物质种类影响非常大，高湿度和不同物质颗粒带上静电的量和电荷种类都不同，这 严重影响其捕集效率和测试精度。同时，该技术对高浓度和环境因素变化较大的生产 现场的纳米粉尘捕集效率较低。此外，该技术要求事先掌握或估计颗粒的形状和密度， 才能实现进一步的分析测定，这对纳米尺度颗粒而言十分困难。 三

发明内容
本发明的目的在于提供一种空气中微纳米粉尘的高效捕集系统，该系统对空气环 境中飞散的不同粒度分布、不同结构形状及不同物质种类的微纳米粉尘实现高达98% 的捕集，并为环境卫生、生产线和企业车间环境考核等提供可靠的数据参数。
实现本发明目的的技术解决方案为 一种空气中微纳米粉尘的高效捕集系统，包括空
气捕集口、过滤芯、喷淋器、大小流量微型泵、雾化喷嘴、储液腔、捕集液、隔板和
真空泵，构成气体流动路程和液体循环路程，其中气体流动路程为含尘气体在真空
泵产生的负压下由采集口经过过滤芯到达喷淋器中，经过多层导流板到达喷淋器底部； 然后从储液腔中的捕集液液面下以气泡形式到达储液腔上部的空间；在与雾化喷嘴喷 出的液滴混合后，通过隔板与捕集液液面间形成的微小液封，以气泡形式经过气液分 离器和真空泵排到大气中；
5液体循环路程为两部分第一部分，在小流量微型泵的驱动下，捕集液由储液腔 到达小流量微型泵；然后到达雾化喷嘴，并以微小液滴的形式返回到储液腔中；第二 部分，在大流量微型泵的驱动下，捕集液由储液腔到达大流量微型泵；然后经过喷淋 口到达喷淋器的腔体中，流经多层导流板后返回储液腔。
本发明与现有技术相比，其显著优点(1)通过设计含尘气体与捕集液连续经历 以下四个不同的吸收、捕集过程，可实现对各种粒度组成(lnm 10(^m)的微米和纳 米粉尘进行高效率捕集。(2)通过改变捕集液的种类或调节捕集液的亲水亲油值(HLB 值)，提高捕集液与空气中纳米粉尘的润湿性，可对不同表面特性(亲水或亲油)和不 同种类的纳米粉尘进行捕集。G)可对包括微纳米颗粒在内的微纳米纤维、薄片粉尘 等各种形态固体粉尘粒子进行有效捕集。系统设计的各个功能部件及组成(如喷淋器、 雾化喷嘴、微型泵及捕集液等)对粉尘中粒子的结构形态没有限制性，只要能较好悬 浮、分散于捕集液中的固体粉尘粒子均可利用本系统进行捕集。(4)系统对粉尘的捕 集仅与捕集液和粉尘粒子的性质及其接触效率有关，受系统外的空气环境参数(如温
度、湿度等)影响小。本系统设计了多个气液连续接触过程，含尘气体与捕集液只在 系统内部混合、吸收，可对包括职业场所在内的各种粉尘浓度环境空气中的纳米粉尘 进行高效捕集。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。 四


图1是本发明空气中微纳米粉尘的高效捕集系统的组成图。 图2是本发明捕集系统串联示意图。
五
具体实施例方式
结合图1，本发明空气中微纳米粉尘的高效捕集系统，包括空气捕集口 1、过滤芯 3、喷淋器4、大小流量微型泵9、 11、雾化喷嘴14、储液腔15、捕集液16、隔板17 和真空泵20，构成气体流动路程和液体循环路程，其中气体流动路程为含尘气体在 真空泵20产生的负压下由采集口 1经过过滤芯3到达喷淋器4中，经过多层导流板6 到达喷淋器4底部；然后从储液腔15中的捕集液16液面下以气泡形式到达储液腔15上部的空间；在与雾化喷嘴14喷出的液滴混合后，通过隔板17与捕集液16液面间形 成的微小液封，以气泡形式经过气液分离器18和真空泵20排到大气中；
液体循环路程为两部分第一部分，在小流量微型泵11的驱动下，捕集液16由 储液腔15到达小流量微型泵11;然后到达雾化喷嘴14，并以微小液滴的形式返回到 储液腔15中；第二部分，在大流量微型泵9的驱动下，捕集液16由储液腔15到达大 流量微型泵9;然后经过喷淋口 5到达喷淋器4的腔体中，流经多层导流板6后返回储 液腔15。
因此，含尘气体与捕集液的接触形式随着进程的不同，交替发生着"捕集液在气体
中的分散"与"气体在捕集液中的穿行"的往复过程(4个阶段)首先，在含尘气体的入 口喷淋器4的空间内，捕集液16以较大的液滴形式与气体接触；然后，在经过导流板
6和进入储液腔I5的过程中，气体以气泡的形式在捕集液16中穿行；随后，雾化液滴
在储液腔15雾化空间内与气体摩擦、碰撞；最后，气体以气泡的形式经隔板17及其
右侧的微小"液封"段排出。
本发明空气中微纳米粉尘的高效捕集系统可以在储液腔15与大小流量微型泵9、 11之间设置液体总阀门10。用于计量进入采集口 1的环境空气的瞬时和总体流量的气 体流量计2设置在采集口 1和过滤芯3之间。在大流量微型泵9与喷淋口 5之间设置 大流量液体阀门8和大流量液体流量计7。在雾化喷嘴14和小流量微型泵11之间设置 小流量液体流量计13和小流量液体阀门12。在气液分离器18和真空泵20之间设置气 体阀门19。
本发明空气中微纳米粉尘的高效捕集系统的各流量计设置说明-
(1) 气体流量计2用于计量进入(经过)捕集系统的环境空气的瞬时和总体流量。 设置于采集口 1之后而不是真空泵20之前是由于前者可以更准确地测定采集到环境空 气的流量，而设置到后者则可能因气体压縮、捕集液16蒸气等影响气体流量测定的准 确性。
(2) 大流量液体流量计7主要用于观测喷淋口 5的流量，并与气体流量计2的流量适当匹配。该液体流动分支不需要十分准确，因此置于分支的不同位置不存在大的 影响。
(3)小流量液体流量计13主要用于观测雾化喷嘴14的捕集液流量，通常调节到 雾化喷嘴14的最大稳定流量，通过流量的观测，了解雾化喷嘴14和小流量微型泵11 的工作稳定情况。因此，其设置位置不需要特别的要求。
本发明空气中微纳米粉尘的高效捕集系统的各阀门的设置说明
(1) 大流量液体阀门8主要用于调节喷淋口 5的流量和对大流量液体流量计7的 保护，因此设置在大流量微型泵9之后和大流量液体流量计7之前。
(2) 小流量液体阀门12主要用于调节雾化喷嘴的流量和对小流量液体流量计13 的保护，因此设置在小流量微型泵11之后和小流量液体流量计13之前。
(3) 总液体阀门IO主要用于捕集液16在各个管道连接处发生泄漏时避免更多泄 漏，同时为各液体管道、部件连接时提供方便。
(4) 气体阔门19主要用于控制真空泵20的负压强度(避免过大的负压超过气体 流量计2的调节能力)，以及在采集结束后避免真空泵20中残余的负压对系统中气体 采集量的影响。
本发明空气中微纳米粉尘的高效捕集系统的储液腔15中捕集液16体积为2.0L~ 9.0L，控制雾化喷嘴14的小流量液体流量计13流量为80 ~100 ml/min，控制喷淋器4 的大流量液体流量计7流量为1.0 ~1.5L/min,气体流量计2流量为60~100 L/min，真 空泵20的压降为0.01- 0.02MPa。雾化喷嘴14可以采用液滴喷射粒度为20~150pm的 喷嘴，喷淋器4中的多层导流板[6]—般为3 5层。捕集液16可以为去离子水、低挥发 性的有机溶剂、或者是含0.1%~1.0%^表面活性剂的去离子水。捕集液16及其溶解的 表面活性剂与所捕集的粉尘不发生化学反应。
本发明空气中微纳米粉尘的高效捕集系统的过滤芯3主要是用于阻隔空气中较大 的杂质颗粒的进入，避免杂质对后续分析的千扰，同时还可避免大颗粒阻塞雾化喷嘴 14的细孔。研究发现，纳米材料生产现场的空气环境中，除了与产品一致的纳米粉尘以外，还飞散着颗粒较大的其它杂质，粒度最大的可以达到几十甚至上百微米。喷淋 器4中的导流板6的设置是根据泡末除尘器的原理设计的，其作用是促使捕集液16在 板上铺展，从而使其与含尘气体接触更充分，避免气体直接穿过。雾化喷嘴14的设计 是根据雾气的形成基本原理构思的，其作用是使捕集液16形成微小的雾滴，增大捕集 液16与气体的接触面积。微小的液滴高速冲击含尘气体，在狭小的空间内形成较高速 度的湍流，极大地增大了捕集液滴与空气中纳米颗粒的碰撞几率。与在喷淋器4中气 体在液体中穿行相反，在雾化喷嘴14所在的空间内是液滴在气体中的高速碰撞。储液 腔15内的隔板17 —方面是使雾化液滴在其表面碰撞而以较大液滴形式向下流，另一 方面是阻隔雾化液滴直接由真空泵排出。同时，隔板17还可以使气体从隔板与液面的 微小空隙穿过时再一次与捕集液16接触。实验证明，隔板17右侧的液面总是略高于 其左侧的液面，形成"液封"的现象，很好地实现了气液接触和气、雾隔离的效果。气 液分离器18的作用是实现气体与捕集液的分离，避免气体将空气中的捕集液带出系统 外。分离出的捕集液滴直接滴落在储液腔15中，分离的气体则由真空泵20排出系统。 实施例1
在常温和常压下，将系统各部件按照图1的结构进行装配和联接。在储液腔15中 准确注入8.0L去离子水作为捕集液，然后测试系统的气密性。将气体流量计2关闭后， 完全开启大流量液体流量计7、大流量液体阀门8、液体总阀门10、小流量液体阀门 12、小流量液体流量计13和气体阀门19，开启真空泵20并运行10min后，储液腔15 中无气泡产生为气密性合格。
将装配完毕和气密性测试合格的系统放置于亲水性纳米二氧化钛粉末生产车间 中，固定好捕集口 1，并使其面对主要产尘点方向或迎向含尘气流(如果存在明显的空 气流动)。首先开启液体总阀门10、大流量液体阀门8和小流量液体阀门12，再开启 大流量微型泵9和小流量微型泵11，调节大流量液体流量计7和小流量液体流量计13， 使流量分别为1.0-1.5 L/min和80~100 ml/min;然后依次开启气体阀门19、真空泵20 和气体流量计2，调节流量为60 100L/min (保持稳定)，并开始记录空气中纳米二氧
9化钛粉尘的捕集时间。观察真空泵20的压降(负压)为0.01 0.02MPa。
捕集一定时间(如l.Oh)后，先依次关闭气体流量计2、气体阀门19和真空泵20， 再继续保持大流量微型泵9和小流量微型泵11正常运转5min后关闭。在储液腔15中 取一定体积(如1.0L)的含尘捕集液16，即可测定该捕集液中纳米二氧化钛的相关参 数(如粒度、形貌、浓度等)。利用这些参数，结合捕集时气体流量与捕集时间，即可 计算得到车间内捕集位置空气中纳米二氧化钛粉尘的浓度及组成情况。车间内捕集位 置空气中纳米二氧化钛粉尘的浓度计算方法如下
c0=^~^xlOO
式中，CQ——捕集点处纳米二氧化钛粉尘浓度，g/L; C——捕集液中纳米二氧化钛粉尘浓度，g/L;
——系统捕集效率，％; Fl^系统中加入捕集液体积，L;
Fcj~~捕集气体体积(捕集时间乘以捕集流量)，L。 实施例2
按实施例l的方法，将捕集液16更换为低挥发性的环己酮，对亲油性纳米二氧化 钛粉体生产车间空气中纳米粉尘进行捕集。空气中粉尘浓度计算方法与实施例1相同。 实施例3
按实施例1的方法，对亲水性纳米二氧化硅粉体(气相白碳黑)生产车间空气中 纳米粉尘进行捕集。空气中粉尘浓度的计算方法与实施例1相同。 实施例4
按实施例l的方法，将捕集液16更换为去离子水，并溶解O.P/。wt硬脂酸以调节 捕集液16的亲水亲油值(HLB值)，对采用硬脂酸铝等为表面改性剂的亲油性纳米二 氧化钛粉体改性车间空气中纳米粉尘进行捕集。空气中粉尘浓度的计算方法与实施例1 相同。
实施例5按实施例l的方法，将两台完全一样的捕集系统进行串联(如图2所示)，即将系 统A的出气口作为系统B的进气口 。利用捕集系统B对系统A的尾气进行再次捕集， 通过测定两台系统中纳米粉尘的浓度，从而计算出系统的捕集效率。
捕集系统的捕集效率计算方法如下
系统A捕集到的纳米颗粒总质量Wl为
附,=K-c0-/7
系统B捕集到的纳米颗粒总质量加2为
附2 = F q . 7
其中，7——两台完全相同的捕集系统的捕集效率；
Co——生产现场空气环境中纳米颗粒的浓度，g/L;
d——系统A出口浓度，即系统B入口中纳米颗粒浓度，g/L;
F——一定时间内抽取的环境中的气体体积，L。 对于捕集系统A (或任何一台捕集系统)而言，其捕集空气进、出口的气体中纳 米粉尘的浓度存在如下关系
c, = (l-T7)C。
因此，存在以下关系-.
附,F'c,';7 ， _p ， w2
J =-^^ = 1一/7或；7 = 1——^
附！ ff^
其中，^和附2可以分别提取两台系统中的捕集液通过化学滴定或仪器分析得到， 并最终通过上式计算得到系统的捕集效率W。
利用上述方法对发明研制的系统进行测定，结果得到纳米二氧化钛粉尘的平均捕
集效率为95.96%，最高达到98.25%;对纳米二氧化硅粉尘的平均捕集效率为95.06%， 最高达到97.89%。
1权利要求
1、一种空气中微纳米粉尘的高效捕集系统，其特征在于包括空气捕集口[1]、过滤芯[3]、喷淋器[4]、大小流量微型泵[9、11]、雾化喷嘴[14]、储液腔[15]、捕集液[16]、隔板[17]和真空泵[20]，构成气体流动路程和液体循环路程，其中气体流动路程为含尘气体在真空泵[20]产生的负压下由采集口[1]经过过滤芯[3]到达喷淋器[4]中，经过多层导流板[6]到达喷淋器[4]底部；然后从储液腔[15]中的捕集液[16]液面下以气泡形式到达储液腔[15]上部的空间；在与雾化喷嘴[14]喷出的液滴混合后，通过隔板[17]与捕集液[16]液面间形成的微小液封，以气泡形式经过气液分离器[18]和真空泵[20]排到大气中；液体循环路程为两部分第一部分，在小流量微型泵[11]的驱动下，捕集液[16]由储液腔[15]到达小流量微型泵[11]；然后到达雾化喷嘴[14]，并以微小液滴的形式返回到储液腔[15]中；第二部分，在大流量微型泵[9]的驱动下，捕集液[16]由储液腔[15]到达大流量微型泵[9]；然后经过喷淋口[5]到达喷淋器[4]的腔体中，流经多层导流板[6]后返回储液腔[15]。
2、 根据权利要求1所述的空气中微纳米粉尘的高效捕集系统，其特征在于在储 液腔[15]与大小流量微型泵[9、 ll]之间设置液体总阀门[lO]。
3、 根据权利要求1所述的空气中微纳米粉尘的高效捕集系统，其特征在于用于 计量进入采集口[1]的环境空气的瞬时和总体流量的气体流量计[2]设置在采集口[1]和 过滤芯[3]之间。
4、 根据权利要求1所述的空气中微纳米粉尘的高效捕集系统，其特征在于在大流量微型泵[9]与喷淋口 [5]之间设置大流量液体阀门[8]和大流量液体流量计[7]。
5、 根据权利要求1所述的空气中微纳米粉尘的高效捕集系统，其特征在于在雾 化喷嘴[14]和小流量微型泵[11]之间设置小流量液体流量计[13]和小流量液体阀门[12]。
6、 根据权利要求1所述的空气中微纳米粉尘的高效捕集系统，其特征在于在气液分离器[18]和真空泵[20]之间设置气体阀门[19]。
7、 根据权利要求1所述的空气中微纳米粉尘的高效捕集系统，其特征在于储液腔[15]中捕集液[16]体积为2.0L 9.0L，控制雾化喷嘴[14]的小流量液体流量计[13]流量 为80 ~100 ml/min，控制喷淋器[4]的大流量液体流量计[7]流量为1.0 ~1.5L/min，气体 流量计[2]流量为60~100 L/min，真空泵[20]的压降为0.01~ 0.02MPa。
8、 根据权利要求1所述的空气中微纳米粉尘的高效捕集系统，其特征在于在一 套捕集系统的气体阀门[19]上串联另一套捕集系统的采集口[1]。
9、 根据权利要求1所述的空气中微纳米粉尘的高效捕集系统，其特征在于雾化 喷嘴[14]采用液滴喷射粒度为20~150nm的喷嘴，喷淋器[4]中的多层导流板[6]为3~5 层。
10、 根据权利要求1所述的空气中微纳米粉尘的高效捕集系统，其特征在于捕 集液[16]为去离子水、低挥发性的有机溶剂、或者是含0.1%~1.0%wt表面活性剂的去 离子水。
全文摘要
本发明公开了一种空气中微纳米粉尘的高效捕集系统。包括空气捕集口、过滤芯、喷淋器、大小流量微型泵、雾化喷嘴、储液腔、捕集液、隔板和真空泵，构成气体流动路程和液体循环路程，该系统通过设计含尘气体与捕集液连续经历以下四个不同的吸收、捕集过程，可实现对各种粒度组成的微米和纳米粉尘进行高效率捕集。通过改变捕集液的种类或调节捕集液的亲水亲油值(HLB值)，提高捕集液与空气中纳米粉尘的润湿性，可对包括微纳米颗粒在内的微纳米纤维、薄片粉尘等各种形态固体粉尘粒子进行有效捕集。本系统设计了多个气液连续接触过程，含尘气体与捕集液只在系统内部混合、吸收，可对包括职业场所在内的各种粉尘浓度环境空气中的纳米粉尘进行高效捕集。
文档编号B01D47/00GK101502735SQ20081002052
公开日2009年8月12日 申请日期2008年2月4日 优先权日2008年2月4日
发明者刘宏英, 炜 姜, 宋洪昌, 李凤生, 毅 杨, 白华萍, 邓国栋, 顾志明 申请人:南京理工大学