一种基于温差调控的铌酸锂制备的大气颗粒物采样方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于温差调控的铌酸锂制备的大气颗粒物采样方法，其特征在于，所述采样方法步骤如下，1)采用铌酸锂作为吸附材料，2）先将铌酸锂热释电材料进行处理，然后将处理后的铌酸锂置于大气环境中对大气颗粒物进行吸附，使其在温差刺激作用下释放电荷，从而实现对大气颗粒物的吸附和采样。本发明中用铌酸锂制成大气采样器，具有吸附效率高，价格低廉，操作简单易行，不受各种自然和人为因素的影响，可随时随地的应用于各种紧急情况下的大气采样。与此同时，采样原理为静电作用下依靠库伦作用力的自然吸附，对颗粒物的形貌和性质几乎没有破坏，加上对样品的收集较为简单，便于对其成分进行分析，具有良好的应用前景。
【专利说明】一种基于温差调控的铌酸锂制备的大气颗粒物采样方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种采样方法，具体地说是一种基于温差调控的铌酸锂制备的大气颗 粒物采样方法，属于空气净化【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着社会的发展和人类的进步，环境问题显得日益突出，严重的威胁着人 类的健康和生命安全。在一系列的环境问题中，雾霾天气的持续和出现，引起了社会的广泛 关注。在气象学上，雾和霾是2个气象概念。雾的气象学定义为：大量微小水滴浮游空中， 常呈乳白色，使水平能见度小于1. 〇km，雾的存在使能见度恶化，降低空气透明度。水平能见 度小于10. 0km的空气普遍混池现象称为霾或灰霾，其是由大量极细微的干尘粒等均勻的 浮游在空中造成的。这种非水性形成物组成的气溶胶系统造成的视程障碍在水平能见度小 于10. 0 km时称为霾或灰霾。雾霾现象不仅会对空气质量造成不利影响，同时还会影响人 们的身体健康。从身体健康上说，雾霾天气容易引起鼻炎、支气管炎等病症，长期处于这种 环境还会诱发肺癌。除了癌症，雾霾天还容易引发心血管疾病，如心肌梗死、心肌缺血或损 伤。此外雾霾笼罩时气压较低，空气中的含氧量有所下降，这时易感到胸闷。潮湿寒冷的雾 和霾，还会造成冷刺激，导致血管痉挛、血压波动、心脏负荷加重等。因此，对于雾霾天气时 空气颗粒物的采集显得尤为重要，因为它直接关系到实验结果的可靠性和真实性。科学家 们开始对雾霾天气进行了实时观测，并针对其成分和来源做了一系列研究。早在上个世纪 五六十年代，欧美等国为了监测空气中的颗粒物，相继制定了可吸入尘卫生标准，并设计出 许多类型的二段可吸入尘采样器。为更详细地研究可吸入尘的颗粒大小分布，多段可吸入 尘采样器陆续出现，能够对大气中不同粒径的颗粒进行选择采样。
[0003] 目前环境中较常使用的采样方法，为将带有悬浮颗粒的空气经过粒径筛选设备后 加以过滤收集，如旋风分离器、分流采样器等，或将空气经过惯性冲击设备，直接将粒状物 截留于冲击面上，即使用离心力与惯性力来收集粒状物。一般常用于测定大气中悬浮颗粒 的采样设备有：微孔惯性冲击器、分流采样器、旋风分离器等。这些采样设备对于雾霾颗粒 的研究起到了重要作用。例如，TH-150型大气颗粒物中流量采样器被用来收集北京某地区 PM2.5，并对其做了元素特征研究。使用中流量PM1(I、PM 2.5大气颗粒物采样器收集了北京大气 颗粒物PM1(I和PM 2.5，并对其中水溶性阴离子的组成及特征做了分析。TEOM 1400A大气粒子 监测仪收集了某地区PM2.5，并确定了其来源为土壤尘、煤燃烧、交通运输、海洋气溶胶以及 钢铁工业。
[0004] 然而，这些采样器主要都是依靠不同粒径颗粒物的惯性冲击作用来实现对不同粒 径的分离，存在一系列的弊端。首先，这种采样方法通过使用不同孔径的滤网来实现对颗 粒物的过滤，对滤网的孔径要求较高，制备收集PM 2.5颗粒物的孔径细小，制备复杂且成本较 高。在采样过程中，滤网上收集到的颗粒物会堵塞滤网或使滤网的孔径变小，阻挡了部分更 小的颗粒物进入下一级采样装置，缺乏采样的准确性。而且，需要将颗粒物从滤网剥离出来 进行成分、粒径等分析，不仅加大了实验难度，而且容易使一些信号损失。其次，由于气流的 强作用力，颗粒在撞击挡板的过程中，容易反生发弹而重回气流中，同时，这种强的撞击作 用会使部分颗粒分解为更小的颗粒而随气流进入下一级分离装置中，造成了采样的误差。 加上气流的作用力和撞击的作用力会使收集到的颗粒物形貌和性质在一定程度上发生变 化，不能反应颗粒物的真实信息。与此同时，这些设备存在价格昂贵、体积庞大、不易携带、 操作复杂等缺点，不利于在紧急情况和经济能力相对较差的乡镇或无电源区使用。因此，迫 切的需要一种新的技术方案解决上述技术问题。
【发明内容】
[0005] 本发明正是针对现有技术中存在的技术问题，提供一种基于温差调控的铌酸锂制 备的大气颗粒物采样方法，本发明中用铌酸锂制成大气采样器，具有吸附效率高，价格低 廉，操作简单易行，清洗方便，可反复使用等优点。
[0006] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为，一种基于温差调控的铌酸锂制备 的大气颗粒物采样方法，其特征在于，所述采样方法步骤如下，1)采用铌酸锂作为吸附材 料，2)先将铌酸锂热释电材料进行处理，然后将处理后的铌酸锂置于大气环境中对大气颗 粒物进行吸附，使其在温差刺激作用下释放电荷，从而实现对大气颗粒物的吸附和采样。
[0007] 由于铌酸锂具有稳定的化学性质，热释电条件简单等优点，加上铌酸锂自身的特 殊结构，可以通过掺杂来对其性质进行调控，所谓热释电性是指，当晶体温度发生变化，受 热或冷却，正负电荷的中心会发生位移，从而极化强度随着温度的改变而发生变化，导致晶 体表面的束缚电荷随之发生变化。热释电效应的强弱可以用热释电系数表示。极化的改变 和热释电温度的改变公式如下：ΛΡ = ΡΛΤ (p是热释电系数，ΛΤ是晶体温度的改变，ΛΡ 为极化的改变量)。从原理上来讲，只要存在温度差就可以使铌酸锂材料表面产生电荷。
[0008] 作为本发明的一种改进，所述步骤2中的温差刺激为加热。该技术方案为，在温差 的作用下产生表面电荷的静电力制备的大气颗粒物采样器的技术方法，由于该热释电材料 能够在温差刺激下快速产生大量的表面自由电荷，生成较强的库仑作用力，以吸附空气中 的极性颗粒物或者使中性颗粒物极化后被捕获。这种方法对空气中的各种颗粒，包括粉尘， PM1Q，ΡΜ2.5，及亚微米颗粒均有高效的吸附效果。
[0009] 作为本发明的一种改进，所述铌酸锂为单畴生长的Ζ轴方向的晶片，并进行了双 面抛光。
[0010] 作为本发明的一种改进，所述加热方法为利用自发热材料进行的加热。
[0011] 作为本发明的一种改进，所述自发热材料为利用铁氧化反应放热来加热。根据铁 在潮湿空气中发生吸氧腐蚀的原理。同时利用活性炭的强吸附性，在活性炭的疏松结构中 储有水蒸气，水蒸气液化成水滴，流出与空气和铁粉接触，在氯化钠的催化作用下较为迅速 的发生反应生成氢氧化铁，放出热量。
[0012] 作为本发明的一种改进，所述加热方法为热台加热。该方法中，通过加热产生温 差，使得铌酸锂表面产生大量自由电荷，再利用所述自由电荷捕获空气中的极性颗粒，或使 中性颗粒极化后将其捕获，从而实现对大气颗粒物的吸附。加热时，铌酸锂表面呈现正电 荷，可吸附空气中的负电性微粒，大气中污染物颗粒绝大多数呈现负电性。
[0013] 作为本发明的一种改进，所述加热后的铌酸锂的温度为30-150°C。
[0014] 作为本发明的一种改进，所述所述加热后的铌酸锂的温度为80-150°C，优选为 100。。。
[0015] 作为本发明的一种改进，所述自发热材料为可控高分子聚合物材料，即铁粉或炭 黑填充的PTC材料。
[0016] 一种基于温差调控的铌酸锂对大气颗粒物采样中的应用，所述应用中，铌酸锂通 过加热产生温差，使得铌酸锂表面产生表面自由电荷，再利用所述自由电荷对大气颗粒物 进行采样。所述大气颗粒物包括：PM 2.5、粉尘、PM1(I以及亚微米颗粒。
[0017] 作为本发明的一种改进，在铌酸锂热释电进行采样后，将样品直接进行X射线能 谱（EDS)或X射线光电子能谱（XPS)放入稀ΗΝ0 3溶液中，非常方便，并且操作简单。
[0018] 相对于现有技术，本发明的优点如下，1)与通常利用惯性冲击作用制成的大气采 样器不同，基于铌酸锂的大气颗粒物采样方法，主要为电荷作用下的静电力吸附，对于小粒 径的PM2. 5及以下尺度的颗粒物具有极高的吸附效率，避免了传统采样器对滤网孔径的要 求，克服了惯性冲击作用时高速碰撞引起的颗粒物形貌和性质的变化，以及冲击作用下颗 粒物反弹回流引起的采样误差。因此，该采样方法对于样品的收集简单易行，展现了其用作 大气采样器的可行性和优点；2)本发明利用无机热释电驻极体材料铌酸锂，在温差刺激作 用下产生大量表面自由电荷，通过静电力实现对大气颗粒的吸附采样。实验表明，铌酸锂用 于大气采样，能够有效的吸附空气中不同粒径，包括粉尘，PM 1(I，PM2.5及亚微米颗粒等颗粒， 具有高效性。同时，便于直接观察吸附颗粒的形貌结构和对其进行成分分析。用水清洗吸 附颗粒后的铌酸锂发现，吸附的颗粒很容易去除掉，用铌酸锂做大气采样，便于对样品的收 集，且清洗过程简便，可反复利用；3)本发明中用铌酸锂制成大气采样器，具有吸附效率高， 价格低廉，操作简单易行，不受各种自然和人为因素的影响，可随时随地的应用于各种紧急 情况下的大气采样。与此同时，采样原理为静电作用下依靠库伦作用力的自然吸附，对颗粒 物的形貌和性质几乎没有破坏，加上对样品的收集较为简单，便于对其成分进行分析，具有 良好的应用前景。
[0019]
【专利附图】
【附图说明】
[0020] 图1为铌酸锂吸附大气颗粒的SEM图，（a) -（d)的放大倍数分别为250, 700， 5000 和 10000 倍； 图2为铌酸锂吸附空气颗粒的EDS分析图； 图3铌酸锂吸附大气颗粒在清洗前后的SEM图。
【具体实施方式】
[0021] 为了加深对本发明的理解和认识，下面结合附图对本发明作进一步描述和介绍。
[0022] 实施例1 : 一种基于温差调控的铌酸锂制备的大气颗粒物采样方法，所述采样方 法步骤如下，1)采用铌酸锂作为吸附材料，2)先将铌酸锂热释电材料进行处理，然后将处 理后的铌酸锂置于大气环境中对大气颗粒物进行吸附，使其在温差刺激作用下释放电荷， 从而实现对大气颗粒物的吸附和采样。由于铌酸锂具有稳定的化学性质，热释电条件简单 等优点，加上铌酸锂自身的特殊结构，可以通过掺杂来对其性质进行调控，所谓热释电性是 指，当晶体温度发生变化，受热或冷却，正负电荷的中心会发生位移，从而极化强度随着温 度的改变而发生变化，导致晶体表面的束缚电荷随之发生变化。热释电效应的强弱可以用 热释电系数表示。极化的改变和热释电温度的改变公式如下：ΛΡ = ρΛΤ (p是热释电系 数，ΛΤ是晶体温度的改变，ΛΡ为极化的改变量)。从原理上来讲，只要存在温度差就可以 使铌酸锂材料表面产生电荷；其中步骤2中的温差刺激为加热，该技术方案为，在温差的作 用下产生表面电荷的静电力制备的大气颗粒物采样器的技术方法，由于该热释电材料能够 在温差刺激下快速产生大量的表面自由电荷，生成较强的库仑作用力，以吸附空气中的极 性颗粒物或者使中性颗粒物极化后被捕获，这种方法对空气中的各种颗粒，包括粉尘，ΡΜ 1(Ι， ΡΜ2.5，及亚微米颗粒均有高效的吸附效果；所述铌酸锂为单畴生长的Ζ轴方向的晶片，并进 行了双面抛光；所述加热方法为利用自发热材料进行的加热；所述自发热材料为利用铁氧 化反应放热来加热；根据铁在潮湿空气中发生吸氧腐蚀的原理；同时利用活性炭的强吸附 性，在活性炭的疏松结构中储有水蒸气，水蒸气液化成水滴，流出与空气和铁粉接触，在氯 化钠的催化作用下较为迅速的发生反应生成氢氧化铁，放出热量；所述加热方法为热台加 热。该方法中，通过加热产生温差，使得铌酸锂表面产生大量自由电荷，再利用所述自由电 荷捕获空气中的极性颗粒，或使中性颗粒极化后将其捕获，从而实现对大气颗粒物的吸附。 加热时，铌酸锂表面呈现正电荷，可吸附空气中的负电性微粒，大气中污染物颗粒绝大多数 呈现负电性；所述加热后的铌酸锂的温度为30-150°C ;所述所述加热后的铌酸锂的温度为 80-150°C，优选为100°C ;所述自发热材料为可控高分子聚合物材料，即铁粉或炭黑填充的 PTC材料。
[0023] 实施例2 :铌酸锂对大气颗粒物采样后的形貌和粒径表征 实验裁取一片2cmX2cm铌酸锂晶片，清洗干净后，置于热台上，在雾霾天气时，整个装 置放于室外，l〇〇°C下持续加热以吸附空气颗粒，吸附时间为8h。用扫描电子显微镜简称 SEM，对铌酸锂所吸附的空气颗粒进行形貌和粒径表征，结果如图1所示，图1铌酸锂吸附 大气颗粒的SEM图，（a) -（d)的放大倍数分别为250,700,5000和10000倍结果表明，力口 热后的铌酸锂表面产生大量的自由电荷，具有较强的库伦作用力，能够大量吸附空气中的 雾霾颗粒。通过对所吸附颗粒的粒径表征发现，铌酸锂对不同粒径的空气颗粒，包括粉尘， PM1(I，PM2.5及亚微米颗粒，都有较好的吸附，体现了用铌酸锂做大气颗粒采样的可行性。该 实验说明，利用温差调控的铌酸锂做大气颗粒采样，具有高效性，且对吸附颗粒的直接观察 简单易行。
[0024] 实施例3 :铌酸锂对大气颗粒物采样的元素分析 采用X射线能谱简称EDS，对铌酸锂所吸附的大气颗粒进行元素分析，如图2所 示，图2铌酸锂吸附空气颗粒的EDS分析图，结果见表1。结果表明C，0, Na，C1等元 素具有明显的峰值，可确定为样品颗粒所含元素，该结果与普遍报道的雾霾颗粒元素成分 相符合，说明加热后的铌酸锂确实可以吸附空气中的雾霾颗粒。同时可以看到，采用铌酸锂 做大气颗粒采样，可以方便的对样品进行分析，进一步证实了铌酸锂用作大气颗粒采样的 可行性和便于分析等优点。
[0025] 表1铌酸锂吸附空气颗粒的EDS分析结果
【权利要求】
1. 一种基于温差调控的铌酸锂制备的大气颗粒物采样方法，其特征在于，所述采样方 法步骤如下，1)采用铌酸锂作为吸附材料，2)先将铌酸锂热释电材料进行处理，然后将处理 后的铌酸锂置于大气环境中对大气颗粒物进行吸附，使其在温差刺激作用下释放电荷，从 而实现对大气颗粒物的吸附和采样。
2. 如权利要求1所述的基于温差调控的铌酸锂制备的大气颗粒物采样方法，其特征在 于，所述步骤2中的温差刺激为加热。
3. 如权利要求2所述的基于温差调控的铌酸锂制备的大气颗粒物采样方法，其特征在 于，所述铌酸锂为单畴生长的Z轴方向的晶片，并进行了双面抛光。
4. 如权利要求2所述的基于温差调控的铌酸锂制备的大气颗粒物采样方法，其特征在 于，所述加热方法为利用自发热材料进行的加热。
5. 如权利要求4所述的基于温差调控的铌酸锂制备的大气颗粒物采样方法，其特征在 于，所述自发热材料为利用铁氧化反应放热来加热。
6. 如权利要求2所述的基于温差调控的铌酸锂制备的大气颗粒物采样方法，其特征在 于，所述加热方法为热台加热；该方法中，通过加热产生温差，使得铌酸锂表面产生大量自 由电荷，再利用所述自由电荷捕获空气中的极性颗粒，或使中性颗粒极化后将其捕获，从而 实现对大气颗粒物的吸附。
7. 如权利要求4所述的基于温差调控的铌酸锂制备的大气颗粒物采样方法，其特征在 于，所述加热后的铌酸锂的温度为30-150°C。
8. 如权利要求4或7所述的基于温差调控的铌酸锂制备的大气颗粒物采样方法，其特 征在于，所述所述加热后的铌酸锂的温度为80-150°C。
9. 如权利要求5所述的基于温差调控的铌酸锂制备的大气颗粒物采样方法，其特征在 于，所述自发热材料为可控高分子聚合物材料，即铁粉或炭黑填充的PTC材料。
10. -种基于温差调控的铌酸锂对大气颗粒物采样中的应用，所述应用中，铌酸锂通过 加热产生温差，使得铌酸锂表面产生表面自由电荷，再利用所述自由电荷对大气颗粒物进 行采样。
【文档编号】G01N1/22GK104280271SQ201410493023
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年9月24日 优先权日:2014年9月24日
【发明者】岳仁亮, 关丽, 高迪 申请人:江苏中科睿赛污染控制工程有限公司, 中国人民大学