本发明属于大气环境检测及气溶胶技术领域，具体涉及一种核壳型气溶胶发生系统及其在制备核壳型气溶胶中的用途。
背景技术：
随着我国经济的快速发展，城市化和工业化进程的加速，能源结构的调整以及全国机动车保有量的增加，大气环境面临着前所未有的压力，城市大气污染日趋严重。大气气溶胶是空气污染的重要组成成分之一，在实际大气中具有显著的环境效应，不仅可以通过直接及间接辐射效应改变大气能见度、地面温度等，而且还能为各种物理化学过程提供反应媒介，进一步影响污染物的形成。大气气溶胶的生成与老化过程极其复杂，随着反应物及实际条件的不同其混合形态也种类繁多，如常见的内混、外混、包覆等形态，因此能够稳定产生不同形态气溶胶的发生系统对于研究大气气溶胶理化特性，模拟实际大气反应过程及评估其环境影响等都具有非常重要的意义。
技术实现要素：
本发明提供了一种核壳型气溶胶发生系统，该系统包括气溶胶雾化发生系统、包覆系统及任选地粒径筛分系统和加湿系统等部分，可以实现不同成分、不同浓度、不同粒径及包覆厚度、不同湿度气溶胶的标准发生。制备得到的气溶胶可适用于不同体系的研究需求及相关测量仪器的调校与标定。
本发明是通过如下技术方案来实现的：
一种核壳型气溶胶发生系统，包括气溶胶雾化发生系统和包覆系统，其中，
所述气溶胶雾化发生系统包括气源和雾化器；
所述包覆系统包括饱和室和冷凝室；
所述气源与雾化器相连，所述雾化器与饱和室相连，所述饱和室进一步与所述冷凝室相连。
所述气源可以使用合成空气、高纯氮气或净化后的空气等。
所述雾化器为耐压装置，用于气溶胶的雾化发生，其可以采用石英、不锈钢、聚四氟乙烯等材料进行制备。
所述饱和室用于有机蒸汽的产生，可采用玻璃、石英、不锈钢、聚四氟乙烯等耐高温抗腐蚀材料进行制备。
所述冷凝室用于饱和有机蒸汽的冷凝，形成核壳型气溶胶，可采用玻璃、石英、不锈钢、聚四氟乙烯等抗腐蚀材料进行制备。
所述冷凝室可以采用半导体制冷，冷凝水循环以及压缩机制冷等方式制冷。
所述气溶胶雾化发生系统还可以包括干燥管，记为“第一干燥管”；所述第一干燥管可安装于所述雾化器与饱和室的中间。
所述第一干燥管可采用硅胶干燥管、扩散干燥管、nafion管等装置中的一种或多种。
通过所述第一干燥管将雾化器产生的气溶胶的相对湿度降低至15％以下，优选15％以下，更优选5％以下。
所述包覆系统还可以包括溶蚀器；所述溶蚀器设置在所述冷凝室的后方，用于吸收去除过量的有机蒸汽。
所述溶蚀器可采用玻璃、石英、不锈钢、聚四氟乙烯等抗腐蚀材料进行制备。
所述核壳型气溶胶发生系统还可以包括粒径筛分系统；所述粒径筛分系统包括至少一个粒径筛分装置；所述粒径筛分装置安装于所述气溶胶雾化发生系统和包覆系统之间，记为“第一粒径筛分装置”，用于特定粒径气溶胶的筛分选取。
优选地，当气溶胶雾化发生系统包括第一干燥管时，所述第一粒径筛分装置安装于所述第一干燥管与所述饱和室之间。
所述粒径筛分系统包括至少两个粒径筛分装置，一个为上述的第一粒径筛分装置，另一个为第二粒径筛分装置；所述第二粒径筛分装置安装于所述包覆系统的后方，用于特定粒径核壳型气溶胶的筛分选取。例如，所述第二粒径筛分装置安装于冷凝室的后方；
当所述包覆系统还包括溶蚀器时，所述第二粒径筛分装置优选安装于所述溶蚀器的后方。
所述粒径筛分装置为差分电迁移率分析仪。
所述核壳型气溶胶发生系统还可以包括加湿系统，设置在所述包覆系统的后方。当所述包覆系统后方设置粒径筛分系统时，所述加湿系统设置在所述第二粒径筛分装置的后方。
所述加湿系统包括依次相连的预加湿器和至少一个加湿器。
所述预加湿器与所述包覆系统相连，例如与所述冷凝室相连；当所述包覆系统还包括溶蚀室时，所述预加湿器与所述溶蚀室相连；当所述核壳型气溶胶发生系统还包括粒径筛分装置时，所述预加湿器与所述第二粒径筛分装置相连。
所述加湿系统还包括湿度控制系统，所述湿度控制系统包括气泵、脉冲宽度调制阀门、第二干燥管、气路加湿装置、储液罐及水泵；
所述气路加湿装置、储液罐与水泵依次相连且三者构成循环；
所述气泵与所述脉冲宽度调制阀门相连，所述脉冲宽度调制阀门分别与第二干燥管和气路加湿装置相连；所述第二干燥管和气路加湿装置并联后再与加湿器相连；所述预加湿器与所述气泵相连，构成循环。
所述气泵用于控制加湿系统的气路循环，可以采用旋片泵、隔膜泵或活塞泵，其抽气速度为1毫升每分钟至100升每分钟，优选为50毫升每分钟至50升每分钟，进一步优选为100毫升每分钟至20升每分钟。
所述脉冲宽度调制阀门用于控制第二干燥管和气路加湿装置的干湿气流量配比，得到特定相对湿度的加湿气。
所述第二干燥管与第一干燥管可采用相同的装置，例如可采用硅胶干燥管、扩散干燥管、nafion管等装置中的一种或多种。
所述气路加湿装置用于调节加湿气的相对湿度至饱和。
所述储液罐可采用玻璃、塑料、石英、不锈钢或聚四氟乙烯等材料进行制备，用于储存液态水。
所述水泵用于水循环，可采用隔膜泵、蠕动泵、活塞泵等液体输送泵。
所述核壳型气溶胶发生系统还可以包括检测器，分别与气溶胶雾化发生系统中的雾化器和包覆系统的冷凝室相连；且在所述饱和室的进入侧前设置二通阀门。当所述气溶胶雾化发生系统包括第一干燥器时，所述检测器与第一干燥器相连。当所述包覆系统包括溶蚀器时，所述检测器与所述溶蚀器相连。
当所述核壳型气溶胶发生系统包括粒径筛分系统时，所述检测器分别与第一粒径筛分装置和第二粒径筛分装置相连。
当所述核壳型气溶胶发生系统包括加湿系统时，所述检测器与加湿系统中的加湿器相连。
所述检测器可以为扫描电迁移率粒径谱仪或气溶胶质谱仪等中的一种或两种。
所述扫描电迁移率粒径谱仪可以对气溶胶包覆厚度进行测量验证，而气溶胶质谱仪可以测量气溶胶成分等。
所述二通阀门可采用玻璃、塑料、石英、不锈钢或聚四氟乙烯等材料进行制备。
所述核壳型气溶胶发生系统还可以包括至少一个湿度计。
所述湿度计用于监测气路相对湿度及反馈信号，可采用干湿球湿度计，氧化铝湿度计，露点仪等中的一种或多种。
优选在所述第一干燥管与第一粒径筛分装置之间设置第一湿度计。
优选在所述加湿器和所述检测器之间设置第二湿度计。
优选在所述加湿器与所述第二干燥管和气路加湿装置的并联体系之间设置第三湿度计。
所述核壳型气溶胶发生系统还可以包括电脑等控制及采样系统。
所述电脑等控制及采样系统可以与如下中的一种或多种装置同时相连：气泵、脉冲宽度调制阀门、水泵、第一湿度计、第二湿度计和第三湿度计。
本发明还提供一种制备核壳型气溶胶的方法，为采用如上所述的核壳型气溶胶发生系统进行制备。
所述方法包括如下步骤：
(1)通过所述气溶胶雾化发生系统制备气溶胶；
(2)通过所述包覆系统制备核壳型气溶胶。
根据本发明，步骤(1)的操作为：将溶液放入雾化器中，调节气源压力，产生多分散气溶胶。
根据本发明，步骤(1)还可以包括将制备得到的气溶胶通过第一干燥管将气溶胶相对湿度进行降低，和/或再经过第一粒径筛分装置得到所需粒径的、干燥气溶胶的步骤；其中所述通过第一干燥管将气溶胶的相对湿度降低，优选将相对湿度降低至15％以下，进一步优选15％以下，更优选5％以下。
优选地，步骤(1)还可以使用第一湿度计用于实时监控气溶胶颗粒的相对湿度。
优选地，步骤(1)还可以包括使用检测器对经雾化器和/或第一干燥管和/或第一粒径筛分装置得到的气溶胶进行物化性质测量。
根据本发明，步骤(2)的操作为：使步骤(1)的气路分别经过饱和室、冷凝室；在饱和室中通过温度控制产生饱和的有机蒸汽，经过冷凝室饱和的有机蒸汽冷凝至已有的气溶胶上，形成不同包覆厚度的核壳型气溶胶颗粒。
根据本发明，步骤(2)还可以包括在步骤(1)的气路进入饱和室前使用二通阀门控制进入饱和室的气流。
根据本发明，步骤(2)还可以包括使在冷凝室得到的核壳型气溶胶经过溶蚀器吸收去除过量的有机蒸汽的步骤。
优选地，步骤(2)还包括将在冷凝室和/或溶蚀器处理过的核壳型气溶胶通过第二粒径筛分装置的步骤；经过第二粒径筛分装置可筛选出一定粒径的单分散气溶胶，达到控制壳层(包覆)厚度的目的。
优选地，步骤(2)还包括将冷凝室和/或溶蚀器和/或第二粒径筛分装置处理的核壳型气溶胶经过加湿系统处理的步骤，例如经过预加湿器和加湿器处理得到不同相对湿度气溶胶的步骤；其中，预加湿器对气溶胶进行预加湿操作，加湿器则将气溶胶加湿至设定值。
优选地，步骤(2)中所述加湿系统中的湿度控制系统是由气泵、脉冲宽度调制阀门、第二干燥管、气路加湿装置、储液罐、水泵构成的；
其中，储液罐中储存二次水、超纯水等水介质，水泵控制水的循环，用于气路加湿装置中湿气的产生；储液罐、水泵及气路加湿装置三者构成循环；
其中，气泵用于控制加湿气总的流量，脉冲宽度调制阀门用于配比进入第二干燥管及气路加湿装置中分流量大小，第二干燥管及气路加湿装置流出的加湿气经过加湿器和预加湿器，预加湿器中的气流再流入气泵构成循环；
优选地，步骤(2)还可以包括使用检测器对加湿器加湿后的核壳型气溶胶进行物化性质测量；
优选地，步骤(1)和步骤(2)还可以包括使用控制与采样系统对如上制备过程中相关数据进行采集并反馈，例如控制气泵、脉冲宽度调制阀门、水泵、第一湿度计、第二湿度计、第三湿度计中的一种或多种，对步骤(1)和步骤(2)中的相关数据进行采集并反馈。
本发明还提供所述核壳型气溶胶发生系统的用途，为用于制备气溶胶，例如核壳型气溶胶。
本发明的有益效果：
本发明所述核壳型气溶胶发生系统可以实现不同成分、不同浓度、不同粒径及包覆厚度、不同湿度标准气溶胶的发生。制备得到的气溶胶可适用于不同体系的研究需求及相关测量仪器的调校与标定，如探究不同包覆厚度、不同包覆成分气溶胶的吸湿光学性质变化；或用于气溶胶粒径分布测量相关实验仪器的标定，提供稳定的标准发生气溶胶。
附图说明
图1为实施例1核壳型气溶胶发生系统的结构示意图。图中各附图标记含义如下：气源1、雾化器2、第一干燥管3、饱和室4、冷凝室5、溶蚀器6、第一粒径筛分装置7、第二粒径筛分装置8、二通阀门9、检测器10、预加湿器11、加湿器12、气泵13、脉冲宽度调制阀门14、第二干燥管15、气路加湿装置16、储液罐17、水泵18、控制及采样系统19、第一湿度计20、第二湿度计21、第三湿度计22。
具体实施方式
下文将结合具体实施例对本发明的核壳型气溶胶发生系统及其用途做更进一步的详细说明。下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”、等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
除非另有说明，以下实施例中使用的零部件均为市售商品，或者可以通过已知方法制作。
实施例1
一种核壳型气溶胶发生系统结构如图1所示，包括：气溶胶雾化发生系统、包覆系统、粒径筛分系统、加湿系统、检测器10、二通阀门9、电脑等控制及采样系统19和湿度计；
其中所述气溶胶雾化发生系统包括依次相连的气源1、雾化器2和第一干燥管3；
其中所述包覆系统包括依次相连的饱和室4、冷凝室5和溶蚀器6；
其中所述粒径筛分系统中粒径筛分装置的数量可以为2个；所述第一粒径筛分装置7安装于所述第一干燥管3与所述饱和室4之间，所述第二粒径筛分装置8安装于所述溶蚀器6的后方；
所述加湿系统包括预加湿器11、加湿器12和湿度控制系统；
所述预加湿器11与加湿器12依次相连，所述预加湿器11与所述第二粒径筛分装置8相连；
所述二通阀门9安装于所述饱和室4与所述第一干燥管7之间；
所述检测器10安装于所述第一粒径筛分装置7和二通阀门9的中间；
所述检测器10还与加湿器12相连；
其中，所述湿度计用于监测气路相对湿度及反馈信号，可采用干湿球湿度计，氧化铝湿度计，露点仪等中的一种或多种，其数量为3个；所述第一湿度计20安装于所述第一干燥管3与第一粒径筛分装置7之间；所述第二湿度计21安装于加湿器12的后方；所述第三湿度计22安装于所述气路加湿装置16和所述第二干燥管15并联体系与加湿器12之间；
其中所述电脑等控制及采样系统19同时与如下装置相连：气泵13、脉冲宽度调制阀门14、水泵18、第一湿度计20、第二湿度计21和第三湿度计22。
在本发明的一个优选实施方式中，所述湿度控制系统包括气泵13、脉冲宽度调制阀门14、第二干燥管15、气路加湿装置16、储液罐17及水泵18；
其中所述气路加湿装置16、储液罐17与水泵18依次相连且三者构成循环；
其中所述气泵13与所述脉冲宽度调制阀门14相连，所述脉冲宽度调制阀门14同时与第二干燥管15和气路加湿装置16相连；所述第二干燥管15和气路加湿装置16并联后再与气路加湿装置12相连，所述预加湿器11与所述气泵13相连构成循环。
具体而言，所述湿度控制系统可以进一步划分为湿气发生系统和鞘气系统。
所述湿气发生系统包括气路加湿装置16、储液罐17与水泵18。气路加湿装置16、储液罐17与水泵18依次相连且三者构成循环。其中，储液罐17用于储存液态水，水泵18控制水循环，用于气路加湿装置16中湿气的产生。
所述鞘气系统包括气泵13、脉冲宽度调制阀门14、第二干燥管15、气路加湿装置16。所述气泵13与所述脉冲宽度调制阀门14相连，所述脉冲宽度调制阀门14同时与第二干燥管15和气路加湿装置16相连；所述第二干燥管15和气路加湿装置16并联后与加湿系统相连。所述加湿系统再与气泵13相连构成循环。其中，气泵13用于控制加湿系统的气路循环，脉冲宽度调制阀门14用于控制进入第二干燥管15及气路加湿装置16中分流量大小，使进入加湿系统中的总气路湿度达到设定相对湿度值。
实施例2
使用实施例1中如图1所示的核壳型气溶胶发生系统制备气溶胶时，先将一定质量浓度已知溶液放入雾化器2中，调节气源1压力，产生多分散气溶胶液滴，再通过第一干燥管3，将气溶胶相对湿度降低至小于5％，经过第一粒径筛分装置7得到单粒径分布的干燥气溶胶颗粒，第一湿度计20用于实时监控气溶胶的相对湿度。
在制备不同包覆厚度的核壳型气溶胶时，先使用检测器10对进入饱和室4的气溶胶进行物化性质检测，再打开二通阀门9，或两者同时进行，使气路经过饱和室4、冷凝室5、溶蚀器6及第二粒径筛分装置8。在饱和室4中通过温度控制产生饱和的有机蒸汽，经过冷凝室5，饱和的有机蒸汽冷凝至已有单粒径分布的干燥气溶胶上，形成不同包覆厚度的核壳型气溶胶颗粒，再经过溶蚀器6吸收去除过量的有机蒸汽，进而通过第二粒径筛分装置8再次筛选出一定粒径的单分散气溶胶，达到控制壳层(包覆)厚度的目的。通过加湿系统则可以进一步得到不同相对湿度的气溶胶颗粒，预加湿器11对气溶胶进行预加湿操作，加湿器12则将气溶胶加湿至设定值。同时根据需要可以在两个加湿器后增加其他加湿装置，达到稳定快速的加湿效果。最后得到的不同相对湿度，不同混合状态的气溶胶颗粒可以进入检测器10进行物化性质测量验证。
加湿系统中的湿度控制系统是由气泵13、脉冲宽度调制阀门14、第二干燥管15、气路加湿装置16、储液罐17、水泵18、第二湿度计21、第三湿度计22及控制与采样系统19等装置协作完成。其中气泵13用于控制加湿气总的流量，脉冲宽度调制阀门14用于配比进入第二干燥管15及气路加湿装置16中分流量大小，使总气路湿度达到设定相对湿度值。储液罐17中储存二次水、超纯水等水介质，水泵18控制水的循环，用于气路加湿装置16中湿气的产生，气路加湿装置16、储液罐17、水泵18构成循环。第一湿度计21、第二湿度计22实时监控加湿气路相对湿度，控制与采样系统19对相关数据进行采集并反馈控制气泵13、脉冲宽度调制阀门14、第一湿度计20、第二湿度计21、第三湿度计22及水泵18。
本发明通过以上实施例2的制备方法可以实现不同成分组成、不同浓度、不同粒径及包覆厚度、不同湿度气溶胶的标准发生。得到的核壳型气溶胶可适用于不同体系的研究需求及相关测量仪器的调校与标定，如探究不同包覆厚度、不同包覆成分气溶胶的吸湿光学性质变化；或用于气溶胶粒径分布测量相关实验仪器的标定，提供稳定的标准发生气溶胶。
以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。