一种人工气候环境暴露系统及应用方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及环境监测技术领域，特别是一种人工气候环境暴露系统及应用方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，环境问题日益严重，尤其是空气污染问题受到了社会各界的广泛关注，当 今我国的空气污染不仅包括由工业或农业生产排放的氮氧化物、硫氧化物等有害气体导致 的酸雨、光化学烟雾、臭氧层破坏等，还包括日益严重的雾霾天气，这主要是由大气气溶胶 显著增加所致，这当中就包括我们熟知的PM2. 5,其粒径小，面积大，活性强，易附带有毒、有 害物质（例如，重金属、微生物等)，因而对人体健康和大气环境质量造成极坏影响。考虑到 有害气体及PM2. 5对人体的严重危害，对这些问题的研究便迫在眉睫。目前有害气体的研 究较多且已取得了一定成果，PM2. 5的研究还正在深入进行，但现阶段大多数PM2. 5的动物 暴露实验常采用静态暴露，通常在人工控制的静止状态下给动物注射或食入PM2. 5颗粒， 这有违于动物正常活动的习性。此外，有害气体与PM2. 5的混合暴露研究，动物生活环境温 湿度的变化对暴露可能带来的影响研究等目前罕有报道。
【发明内容】
[0003] 针对上述问题，本发明提供了一种人工气候环境暴露系统及应用方法。气溶胶采用从 外界大气中物理收集提取的方式，有害气体N02、S02、C0、03等采用先稀释后输入的方式使 动物通过自然呼吸摄入达到分别暴露或混合暴露的目的，同时适当调解动物生活环境温湿 度、气压，使其既能保证试验研究的可靠性，又能做到多种气候环境因素的综合调控，实现 研究的高效性。
[0004] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案： 一种人工气候环境暴露系统，该系统包括大气溶胶颗粒收集浓缩单元、有害气体混合 单元、动物暴露单元和动力单元，其中大气溶胶颗粒收集浓缩单元包括旋风式切割器、水浴 箱、冷却套管、虚拟粒子撞击浓缩器、干燥管路，有害气体混合单元指有害气体混合仓，动物 暴露单元包括人工气候环境模拟暴露箱、尾气洁净装置，动力单元包括主流量计、负压主风 栗、小分流流量计、小分流风栗、大分流流量计、大分流风栗；外界空气进入所述的暴露系 统后未经均分直接或者被平均分为多个支路后，气流通过顺次相连的旋风式切割器、水浴 箱之后，未经均分直接或者平均分为多个小支路后，顺次连接冷却套管、虚拟粒子撞击浓缩 器、干燥管路，在干燥管路后端直接或者汇合成一路总气路再经过控温套管至人工气候环 境模拟暴露箱，有害气体混合仓中的气体经过控温套管至人工气候环境模拟暴露箱，然后 人工气候环境模拟暴露箱依次连接主流量计、负压主风栗、尾气洁净装置；其中，外界空气 进入系统以后均分的支路数量和经过水浴箱之后均分的小支路数量根据试验所需气溶胶 浓度而定。
[0005] 所述的控温套管为采用双层套管结构，即在主气管的不锈钢管子外面再加套一根 塑料管，塑料管和不锈钢管之间通入冷却液。
[0006] -种根据所述的暴露系统的应用方法，所述外界空气经过大气溶胶颗粒收集浓缩 单元的气溶胶颗粒收集浓缩，与有害气体混合单元的有害气体混合、温湿度调节之后具有 温度、湿度、气压、CO气体、SO 2气体、NO 2气体、0 3气体、气溶胶颗粒八种气候环境因素的综 合调控功能，再进入到动物暴露单元中。
[0007] 所述的应用方法，外界空气被负压动力抽入管路后进入旋风式切割器中筛选出符 合试验要求的气溶胶颗粒，随气流前进到水浴箱增大湿度，然后流经冷却套管冷却，之后气 溶胶颗粒进入虚拟粒子撞击浓缩器，含气溶胶颗粒的粒子随气流直接进入腔体被浓缩，其 余不含粒子的气体则随风栗的负压气流排出系统，经过浓缩后的气溶胶继续进入干燥管路 后成一路，之后进入控温套管中，在控温套管上连接有有害气体混合仓，根据动物暴露试验 的需求，输入SO 2气体、NO 2气体、CO气体、0 3气体的一种或几种，加入的有害气体在有害气 体混合仓混合后进入控温套管，随后与经过浓缩后的气溶胶一起进入人工气候环境模拟暴 露箱中，最后经过尾气洁净装置后排出系统。
[0008] 进一步设有对照试验，外界空气被抽入气路后进入高效过滤器中滤去颗粒物，洁 净空气随后进入水浴箱，冷却套管，干燥管路，经过干燥后成一路，经过控温套管后进入人 工气候环境模拟对照箱中，最后经过尾气洁净装置后排出系统。
[0009] 所述的控温套管为采用双层套管结构，塑料管和不锈钢管之间通入冷却液，通过 运行冷冻机组模式或热栗机组模式，使夹套内循环的液体冷却或加温，从而使不锈钢管内 的空气降温或升温，实现气流的温度调节功能。
[0010] 所述的有害气体混合仓中，根据动物暴露试验的需求，输入SO2气体、NO 2气体、CO 气体、O3气体的一种或几种，通过调节不同气体种类的减压阀、稳压阀做到二级稳压，并通 过蠕动栗控制流量来实现有害气体浓度的调节，控制稳定后的气体在有害气体混合仓中混 合均匀，之后进入控温套管中。
[0011] 本发明的有益效果是： (1)本设计采用加温增湿冷凝扩径以达到对收集气溶胶颗粒在较低流速下进行高度浓 缩的效果。
[0012] (2)入仓流量与浓缩倍数有关，当浓缩头数量固定时流量越大，浓缩倍数越低，可 根据需要通过改变入仓气体流量继而改变浓缩倍数，得到不同的颗粒物浓度。
[0013] (3)采用套管方式对含气溶胶的气流的温湿度进一步调整，即在气溶胶的气管外 面套了一根不锈钢管，气管和不锈钢管之间通入冷却液并循环，通过冷冻机组和热栗运行 模式的切换运行，使流经冷凝管内的空气降温或升温。
[0014] (4)本发明采用自然呼吸染毒的暴露方法，不影响动物的正常生长，暴露的气溶胶 颗粒为自然大气中的气溶胶颗粒浓缩所得，非人工合成，可得到真实的颗粒物病理毒害效 果。
【附图说明】
[0015] 图1是本发明系统的一个结构示意图， 图2是对照系统的结构示意图， 图中，旋风式切割器1、水浴箱2、冷却套管3、虚拟粒子撞击浓缩器4、干燥管路5、人工 气候环境模拟暴露箱6、主流量计7、负压主风栗8、尾气洁净装置9、小分流流量计10、小分 流风栗11、大分流流量计12、大分流风栗13、控温套管14、高效过滤器15、人工气候环境模 拟对照箱16、有害气体混合仓17。
[0016] 图3是本发明系统的一个控制流程图。
【具体实施方式】
[0017] 一种人工气候环境暴露系统包括旋风式切割器1、水浴箱2、冷却套管3、虚拟粒子 撞击浓缩器4、干燥管路5、人工气候环境模拟暴露箱6、主流量计7、负压主风栗8、尾气洁净 装置9、小分流流量计10、小分流风栗11、大分流流量计12、大分流风栗13、控温套管14、高 效过滤器15、人工气候环境模拟对照箱16、有害气体混合仓17、温湿度调控系统。其中，为 了保证单因素试验的背景环境稳定性，整个系统可包含暴露系统（图1)和对照系统（图2)， 部分装置在暴露系统和对照系统中是一样的。
[0018] 如图1所示，整个暴露系统由负压栗主风栗8、小分流风栗11、大分流风栗13三个 风栗提供动力，通过调节三个负压栗的频率，使主流量计7、小分流流量计10、大分流流量 计12的流量读数稳定在特定的数值，进而可确定进入两个旋风式切割器1中的气溶胶流 量。切割器1内部为螺旋式，大气中颗粒随气流螺旋前进，大颗粒撞击到壁上后沉降，小颗 粒随气流前进，之后进到水浴箱2中，气流在水浴表面经过，使颗粒物表面包裹一层水汽， 后经四路平行的冷却套管3,致使颗粒物表面水汽预冷收缩，质量增大，之后颗粒物随气流 进入浓缩头4,粒子因质量大、惯性大而随气流直接进入腔体被浓缩，其余不含粒子的气体 则随分流气路排出系统，浓缩后气溶胶进入干燥管路5,颗粒物表面的水汽被干燥剂带走， 经过干燥后四路气路汇成一路，之后进入控温套管14,使得高度浓缩后的气溶胶温度与人 工气候环境模拟暴露箱6的温度保持一致后再进入人工气候环境模拟暴露箱6中，在控温 套管14上连接有有害气体混合仓17,根据