一种气溶胶成核反应器的制作方法

本发明涉及化学实验装置技术领域，更具体地说，涉及一种气溶胶成核反应器。

背景技术：

目前，灰霾已经成为我国面临的严重环境问题。灰霾本身是一种气溶胶，其中PM2.5(分散于空气中的直径小于或等于2.5微米的液体或固体气溶胶颗粒)已经成为大气环境的主要污染物，这些颗粒物对人的身体健康和全球气候效应有着直接或者间接的影响。

气溶胶主要来源有一次粒子和二次粒子，且最近的研究表明，新粒子生成可能作为二次粒子的重要来源，参与灰霾的形成过程中。新粒子生成是大气中颗粒物和云凝结核的重要来源，新粒子生成的最初过程就是成核阶段。因此气溶胶成核过程是目前环境科学家和化学家们的研究热点，这对理解气溶胶及雾霾的形成机制和解决雾霾问题至关重要，并能更好的认识理解气溶胶在气候变化和环境中的重要作用。但是由于气溶胶凝结核的颗粒很小(小于3nm)，难以捕捉，因此对于气溶胶的成核机制仍然存在很多争议和研究空白。

综上所述，如何提供一种气溶胶成核反应器，以便于深入研究气溶胶成核的动力学机理，是目前本领域技术人员急需解决的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种气溶胶成核反应器，该气溶胶成核反应器可以模拟气溶胶成核过程，便于深入研究气溶胶成核的动力学机理。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种气溶胶成核反应器，包括：

管状反应器，其内部中空形成反应腔，且其两端分别设置有进口和出口；

能够向所述反应腔内定量输送气体的第一定量进气装置和第二定量进气装置；

能够调节所述反应腔内的湿度调节装置。

优选地，上述气溶胶成核反应器中，所述第一定量进气装置包括第一导管以及依次串接于所述第一导管上的第一质量流量计和饱和器，所述第一导管的出口与所述管状反应器的进口连通。

优选地，上述气溶胶成核反应器中，所述饱和器包括多个串联的内管和套设在所述内管外侧的外管，且所述内管的进口和出口连接在所述第一导管上。

优选地，上述气溶胶成核反应器中，所述内管中装有硫酸，所述外管中装有水以通过水浴控制所述内管中的硫酸温度，所述第一导管的进口接入零空气。

优选地，上述气溶胶成核反应器中，所述第二定量进气装置包括第二导管和连接于所述第二导管上的第二质量流量计，所述第二导管的出口与所述管状反应器的进口连通。

优选地，上述气溶胶成核反应器中，所述湿度调节装置包括第三导管以及依次串接在所述第三导管上的第三质量流量计、储液罐和鼓泡器，所述第三导管的出口与所述管状反应器的进口连通，所述第三导管的进口接入零空气。

优选地，上述气溶胶成核反应器中，所述管状反应器由其进口至出口依次分为混合段、过渡段和成核生长段，所述混合段和成核生长段的外侧还套设有水浴管。

优选地，上述气溶胶成核反应器中，所述过渡段的外壁上还开设有进气口，所述进气口可开启或封堵。

优选地，上述气溶胶成核反应器中，所述成核生长段开设有多个沿着其长度分布的且连通所述反应腔内部的采样口。

优选地，上述气溶胶成核反应器中，还包括扫描电迁移率粒径谱仪，且其与多个所述采样口连通以得到反应腔内的粒子总数和粒径。

本发明提供的气溶胶成核反应器包括管状反应器、第一定量进气装置、第二定量进气装置以及湿度调节装置。其中，管状反应器的内部中空形成反应腔，并且管状反应器的两端分别设置有进口和出口。第一定量进气装置和第二定量进气装置能够向反应腔内定量输送气体，即第一定量进气装置和第二定量进气装置的出口与管状反应器的进口连通。湿度调节装置能够调节反应腔内的湿度。

应用本发明提供的气溶胶成核反应器时，可以通过第一定量进气装置向反应腔内部输入定量的硫酸蒸汽、二氧化硫和/或其它气体，即需要模拟哪种气体对零空气的影响则通过第一定量进气装置向反应腔内部输入哪种气体。通过第二定量进气装置向反应腔内部输入定量的零空气，然后通过湿度调节装置调节反应腔内部的湿度，如此实现模拟硫酸蒸汽、二氧化硫和/或其它气体对零空气的影响，硫酸蒸汽、二氧化硫和/或其它气体在零空气中生成气溶胶，实现了气溶胶成核过程的模拟，便于深入研究气溶胶成核的动力学机理。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的气溶胶成核反应器的剖视图；

图2为本发明实施例提供的管状反应器的剖视图；

图3为本发明实施例提供的气溶胶成核反应器的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的饱和器的结构示意图。

在图1-4中：

1-第一质量流量计、2-饱和器、2a-外管、2b-内管、3-第三质量流量计、4-水浴管、5-温湿度计、6-管状反应器、7-扫描电迁移率粒径谱仪、8-采样口、9-进气口、10-鼓泡器、11-储液罐、12-第二质量流量计；

A-混合段、B-过渡段、C-成核生长段。

具体实施方式

本发明的目的在于提供一种气溶胶成核反应器，该气溶胶成核反应器可以模拟气溶胶成核过程，便于深入研究气溶胶成核的动力学机理。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-图4，本发明提供的气溶胶成核反应器包括管状反应器6、第一定量进气装置、第二定量进气装置以及湿度调节装置。其中，管状反应器6的内部中空形成反应腔，并且管状反应器6的两端分别设置有进口和出口。第一定量进气装置和第二定量进气装置能够向反应腔内定量输送气体，即第一定量进气装置和第二定量进气装置的出口与管状反应器6的进口连通。湿度调节装置能够调节反应腔内的湿度。

应用本发明提供的气溶胶成核反应器时，可以通过第一定量进气装置向反应腔内部输入定量的硫酸蒸汽、二氧化硫和/或其它气体，即需要模拟哪种气体对零空气的影响则通过第一定量进气装置向反应腔内部输入哪种气体。通过第二定量进气装置向反应腔内部输入定量的零空气，然后通过湿度调节装置调节反应腔内部的湿度，如此实现模拟硫酸蒸汽、二氧化硫和/或其它气体对零空气的影响，硫酸蒸汽、二氧化硫和/或其它气体在零空气中生成气溶胶，实现了气溶胶成核过程的模拟，便于深入研究气溶胶成核的动力学机理。

其中，第一定量进气装置包括第一导管以及依次串接于第一导管上的第一质量流量计1和饱和器2，第一导管的出口与管状反应器6的进口连通。即第一质量流量计1和饱和器2串接且通过第一导管连通，第一导管的出口即为第一定量进气装置的出口。如此可以将硫酸或者其它液体置于饱和器2中，此处以饱和器2中装有硫酸为例，硫酸不充满饱和器2，硫酸液面上侧充满硫酸蒸汽，如此硫酸蒸汽能够经第一导管进入反应腔内，第一质量流量计1可以控制进入反应腔内的硫酸蒸汽流量，以控制反应腔中的硫酸蒸汽浓度。

具体地，饱和器2包括多个串联的内管2b和套设在内管2b外侧的外管2a，且内管2b的进口和出口连接在第一导管上。进一步地，内管2b中装有硫酸，外管2a中装有水以通过水浴控制内管2b中的硫酸温度。如此，内管2b中可以装有浓度为97％的浓硫酸，且浓硫酸的液面高度为内管2b的一半，浓硫酸的液面上侧充满硫酸蒸汽。内管2b可以为球形，内管2b的数量可以为三个，当然内管2b也可以为其它形状比如椭圆形，内管2b的数量也可以为四个或两个，在此不作限定。

进一步地，第一导管的进口接入零空气，零空气经第一质量流量计1和饱和器2进入反应腔，如此将硫酸蒸汽通过表面吹扫零空气带入反应腔，硫酸蒸汽的浓度通过控制零空气吹扫的第一质量流量计1进行调节，反应腔内的硫酸的浓度由饱和器2内管2b的温度、吹扫零空气流量和反应腔内总流量决定。可以通过调节第一质量流量计1调节零空气带出的硫酸蒸汽量，进而调节反应腔内的硫酸蒸汽的浓度。

当然，也可以使反应腔中的气压小于饱和器2中的气压，以使硫酸蒸汽进入反应腔中。

为了避免硫酸蒸汽腐蚀第一质量流量计1，可以将饱和器2连接于第一质量流量计1和管状反应器6的进口之间，如此零空气首先经过第一质量流量计1，然后经过饱和器2。此时第一质量流量计1控制的是零空气的质量，可以通过计算得出进入反应腔的硫酸蒸汽的质量。当然，第一质量流量计1也可以在饱和器2和管状反应器6之间，在此不作限定。

另外，第二定量进气装置包括第二导管和连接于第二导管上的第二质量流量计12，第二导管的出口与管状反应器6的进口连通。即第二导管的出口为第二定量进气装置的出口。进一步地，第二导管的进口接入零空气，如此可以通过第二定量进气装置向反应腔内输入设定流量的零空气，以使反应腔内的总流量保持不变。当然，第二导管的进口也可以接入其它气体，在此不作限定。

优选地，湿度调节装置包括第三导管以及依次串接在第三导管上的第三质量流量计3、储液罐11和鼓泡器10，第三导管的出口与管状反应器6的进口连通。如此鼓泡器10产生的水蒸气沿着第三导管进入反应腔中，以实现对反应腔中湿度的调节。具体地，第三导管的进口可以接入零空气，零空气依次经过第三质量流量计3、储液罐11和鼓泡器10最终进入反应腔，零空气在储液罐11液面吹扫后进入鼓泡器10，带动部分水蒸气进入反应腔。本实施例中，在鼓泡器10之前设置储液罐11，具有防倒吸功能，避免了水进入第三质量流量计3而损坏的情况。

当然，还可以设置温湿度计5以随时了解反应腔内的温湿度。

第一导管、第二导管和第三导管可以为特氟龙管，其内径为6mm。管状反应器6可以采用石英玻璃材质的圆管。

管状反应器6由其进口至出口依次分为混合段A、过渡段B和成核生长段C。管状反应器6总长为1480mm，其中混合段A长度为200mm，过渡段B的长度为180mm，成核生长段C的长度为1100mm。管状反应器6为圆管，其内径可以为5mm。

其中，混合段A和成核生长段C的外侧还套设有水浴管4，可以通过水浴管4控制混合段A和成核生长段C的温度，且温度可根据实验调节。经第一定量进气装置、第二定量进气装置和湿度调节装置进入反应腔的气体在高温的混合段A内混合均匀后，经过过渡段B，逐渐趋于层流，匀速前进。进入成核生长段C后温度骤降发生成核，继续向前不断长大直至到可检测的量级。

为了便于引入挥发性有机物如胺类研究它们对气溶胶成核的影响，还可以在过渡段B的外壁上开设有进气口9，并且进气口9可开启或封堵。如此，当不需要引入有机物时可以封堵进气口9。具体地，进气口9可以为两个，但不限于两个。

成核生长段C可以开设有多个连通反应腔内部的采样口8，并且多个采样口8沿着成核生长段C的长度分布，可以经采样口8得出反应腔内部的反应情况。具体地，也可以在成核生长段C后侧设置采样段，成核生长段C和采样段均开设采样口8，进一步地，采样口8的数量为9个。成核生长段C可以每隔200mm有一内径采样口8，最后采样段可以每隔8cm左右设置一个采样口8，采样段共分布4个采样口8，采样口8的口径可以为3mm。

该气溶胶成核反应器还可以包括扫描电迁移率粒径谱仪7，且扫描电迁移率粒径谱仪7与多个采样口8连通以得到反应腔内的粒子总数和粒径，如此扫描电迁移率粒径谱仪7可以通过多根导气管分别与多个采样口8相连，得出多个采样口8的位置的粒子总数及对应的粒径大小，结合流动速度得到时间，判定气溶胶成核速率和生长速率。采用本发明提供的气溶胶成核反应器可以通过控制不同浓度的进入反应腔的气体和温湿度，得到不同的成核率和生长率，便于研究成核动力学过程。

下表为进入反应腔的硫酸蒸汽、水蒸气和零空气的温度和流量对反应腔内的湿度影响结果：

使用本发明提供的气溶胶成核反应器后，停止第一定量进气装置、第二定量进气装置和湿度调节装置向反应腔内输送气体，拆卸进行清洗。具体用热水震荡清洗管状反应器6内部两三遍后，再用热的实验超纯水润洗，最后用干燥的零空气吹干。若连续一个月实验后，管状反应器6内壁会粘有简单清洗难于去除而残留的硫酸和有机物等，此时可采取高温热空气吹扫法去除。即简单清洗后，将管状反应器6用40℃、70℃和90℃水浴逐步加热，同时反应腔内通入高流量干燥零空气吹扫。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。