一种基于粒径的栅格分级分离空气中颗粒物的方法和装置的制造方法

一种基于粒径的栅格分级分离空气中颗粒物的方法和装置的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于粒径的栅格分级分离空气中颗粒物的方法，一种基于粒径的栅格分级分离空气中颗粒物的方法，包括如下步骤：S1:打开单向阀，通过清洁空气进气管向筛选系统通入清洁空气对筛选系统进行清洁处理；S2:对待检测空气进行干燥；S3:打开单向阀，通过待测空气进气管从筛选系统的进口端通入一定量的所述待检测空气，所述待检测空气中不同尺寸的颗粒物在不同间距的微柱前被阻截并滑落；S4:停止通入所述待检测空气，并从所述筛选系统的所述进口端通入清洁空气，以驱动所述待检测气体向前流动；S5:通过收集装置从所述筛选系统下端出口收集目标颗粒。本发明还公开了一种基于粒径的栅格分级筛选空气中颗粒物的装置。
【专利说明】
一种基于粒径的栅格分级分离空气中颗粒物的方法和装置
技术领域
[0001] 本发明涉及一种筛选空气中颗粒物的方法，具体为根据颗粒物尺寸的大小对颗粒 物进行分级分离，使颗粒物的分离与分析更精确，特别适用于对空气中颗粒物需要按粒径 分级采样方面。
【背景技术】
[0002] 空气中的颗粒物(Particulate Matter，PM)是指空气中的固体或者液体颗粒状物 质。PM的直径范围为0 . lum~200um。根据PM的直径大小，一般而言PM可分为总悬浮颗粒 (Total Suspended Particles，TSP)，粗颗粒（Coarse Particulate Matter，PM10)和细颗 粒(Fine Particulate Matter，PM2.5)。总悬浮颗粒为粒径小于lOOum的颗粒物;粗颗粒为 粒径小于l〇um的颗粒物。细颗粒为粒径小于2 · 5um的颗粒物。各国之间对颗粒物的划分稍有 区别。中国的颗粒物主要来源为地面扬尘、煤燃烧、机车排放和其他工业活动以及上述来源 排放的原始气体污染物在大气中经化学物理反应生成的二次污染物。近年来，因大气颗粒 物浓度的剧增导致的灰霾现象在中国几大城市频发，高颗粒物浓度给人们生活造成的不良 影响屡见报端。高浓度的颗粒物带来的危害主要在2个方面：生态环境破坏和人体健康损 害。在生态环境方面，大量的颗粒物落在植物的叶子上影响植物的生长，直接使农作物减产 减收；S0: 2、N0。颗粒作为凝结核随雨降落，改变降水的酸碱度，改变生物的多样性和地 貌。有研究表明高浓度颗粒物的大气甚至影响动物的生殖系统，降低动物的生育率。大量 颗粒和N0〗1颗粒沉降使建筑物被腐蚀的速度加快，减短建筑物的生命周期。由于可见 光的波长为0 · 36um~0 · 78um，因此粒径为0 · 1 um~1 um的颗粒对可见光的散射作用强烈，高 浓度的颗粒物使大气的能见度大幅度降低。因此，颗粒物浓度高的城市存在巨大的交通安 全隐患。粒径在lum以下的颗粒物沉降速度慢，可长久存留在大气中，在气流运动中可被输 送到很远之处。因此，颗粒物污染不仅程度深、时间久，而且范围广。在人体健康方面，研究 表明即使颗粒物浓度低于标准限值，颗粒物对人体的健康也有损害作用，高浓度的颗粒物 无疑将严重损害人体健康。已有调查表明颗粒物损害人体的呼吸系统、循环系统、免疫系 统、神经系统和生殖系统等。因此，基于粒径筛选空气中的颗粒物对详细具体分析颗粒物对 人体健康和环境的影响大有裨益。
[0003] 目前，基于粒径筛分空气中的颗粒物的主要方法有：（1)滤膜称重法；（2)光散射 法；（3)β射线法；（4)微量震荡天平法，等。上述筛分结果较为粗糙，基于粒径同时对空气中 的颗粒物进行多次分级筛选的方法暂无。
[0004] (1)滤膜称重法（重量法或者手工法）通过采样器以恒定速率抽取一定量体积空 气，空气中的颗粒物被节流在滤膜上，结合滤膜重量在采样前后的变化和采样空气体积，计 算出浓度。该方法为国家标准分析方法，它对颗粒物的截留效率高，测量结果准确，是最直 接、可靠的方法。滤膜称重法为验证其他测量方法的结果是否准确的参比。但是当气流长时 间不断通过采样滤膜时，滤膜上采集到的物质随着气流和温度的变化会造成挥发性和半挥 发性物质的损失，同时一些极细小的颗粒还是能穿过滤膜造成结果偏低;相反，其他物质也 可能被滤膜吸附，造成结果偏高；（2)光散射法由于在在实际过程中光的散射和颗粒物浓度 之间的关系受到颗粒物的化学成分、形态、比重等因素的影响，因此光散射和颗粒物浓度之 间的换算公式随时随地都在变，对于采用光散射原理的仪器需不断用标准方法校正，因此 该技术确定性不高；（3)β射线法的基本原理是利用堆积在适应滤膜上的颗粒物对碳-14释 放的β射线衰减量的变化测量大气颗粒物质量的变化。环境空气由采样栗经切割器吸入采 样管，进过滤膜后排出，而颗粒物沉淀在条状石英滤膜上，当β射线通过沉积着颗粒物的滤 膜时，β射线的强度发生衰减，通过对衰减量的测定计算出颗粒物的浓度。这一方法是基于2 个假设，其一是仪器的石英采样滤膜条带均一，其二是采集下来的ΡΜ2.5粒子物理特性均一 (即颗粒大小一致，颗粒成分一致，颗粒在过滤膜上的分布均匀等），对β射线强度衰减率相 同。而上述2点在现实条件下往往并不成立，因此测定数据一般被认为也存在偏差，且这种 检测方法在潮湿高温区域故障率也很高；（4)微量震荡天平法主要是利用锥形元件微量振 荡天平原理。设备中的空心锥形管保持往复振荡的状态，其振荡频率将随着滤膜所收集的 颗粒物的质量变化而变化。通过测量频率的变化得到颗粒物的质量，结合样品体积得到样 品的浓度。该技术的优点是关系明确，缺点是目前的技术无法解决样品加热后挥发性和半 挥发性物质的损失，导致测量结果被认为偏低，从而出现失真。
[0005] 上述4种方法除了上述所说的优缺点外，还有他们都不能同时对空气中的颗粒物 根据其粒径进行精确的多级筛分，这对颗粒物的检测和后续分析造成影响。

【发明内容】

[0006] 针对上述现有技术皆有的缺点，本发明的目的在于提出一种基于粒径的栅格分级 筛分空气中的颗粒物的方法，从而使颗粒物的检测和分析更准确可靠。
[0007] 本发明所采用的技术方案：一种基于粒径的栅格分级分离空气中颗粒物的方法， 包括如下步骤：
[0008] S1:打开单向阀，通过清洁空气进气管向筛选系统通入清洁空气对筛选系统进行 清洁处理；
[0009] S2:对待检测空气进行干燥；
[0010] S3:打开单向阀，通过待测空气进气管从筛选系统的进口端通入一定量的所述待 检测空气，所述待检测空气中不同尺寸的颗粒物在不同间距的微柱前被阻截并滑落；
[0011] S4:停止通入所述待检测空气，并从所述筛选系统的所述进口端通入清洁空气，以 驱动所述待检测气体向前流动；
[0012] S5:通过收集装置从所述筛选系统下端出口收集目标颗粒。
[0013]步骤S4中，持续通入清洁空气的时间为3min-5min，所述清洁空气的压强为1倍-1.5倍标准大气压。
[0014] -种基于粒径的栅格分级筛选空气中颗粒物的装置，包括筛选系统，所述筛选系 统的一端连接有进气管，所述进气管分支有清洁空气进气管和待测空气进气管，所述筛选 系统内部设置有若干级微柱，每级所述微柱包括若干列微柱，每列所述微柱整体为圆角矩 形形状，每级所述微柱之间下端设置有出口。
[0015] 所述出口下方设置有收集装置。
[0016] 每相邻两级所述微柱下端设置有几字形阻隔结构。
[0017] 所述微柱的横截面为圆角矩形。
[0018] 每两列所述微柱之间以间距可调的方式设置。
[0019] 所述每级微柱之间的间距以从所述进气口端至筛选系统末端依次递减的方式设 置。
[0020] 同列所述两微柱之间以间距均匀的方式设置。
[0021] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：（1)本发明筛选系统的材料可以采用多种 光滑且易于加工的材料，如聚苯乙烯，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等。加工方式可采用微纳加 工技术，如激光加工、反应离子深刻蚀、纳米压印等；（2)本发明的微柱采用圆角矩形，降低 了颗粒物在运动过程中撞击微柱的破损，提高了筛分的可靠性；（3)本发明依靠成熟的微纳 加工技术，微柱的截面形状、尺寸及相邻间距有多种可选，微柱阵列也易于一次性大面积加 工，省时节能节材；（4)本发明每级采用多排微柱，提高了分级的可靠性，筛分级数和每级的 微柱排数可根据具体情况调整；（5)本发明待测空气和清洁空气通过进气管道进入筛选系 统，并通过出气管道进入收集装置，其中进气管道和出气管道上均安装单向阀，避免了气体 的倒流。
【附图说明】
[0022] 图1为本发明一种基于粒径的栅格分级筛选空气中颗粒物的装置的俯视图。
[0023] 图2为本发明实施例一一种基于粒径的栅格分级筛选空气中颗粒物的装置的示意 图。
【具体实施方式】
[0024]下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
[0025] 如图1所示，一种基于粒径的栅格分级分离空气中颗粒物的方法，包括如下步骤：
[0026] S1:打开单向阀1，通过清洁空气进气管2向筛选系统3通入清洁空气对筛选系统3 进行清洁处理；
[0027] S2:对待检测空气进行干燥；
[0028] S3:打开单向阀1，通过待测空气进气管4从筛选系统3的进口端通入一定量的所述 待检测空气，所述待检测空气中不同尺寸的颗粒物在不同间距的微柱前被阻截并滑落；
[0029] S4:停止通入所述待检测空气，并从所述筛选系统3的所述进口端通入清洁空气， 以驱动所述待检测气体向前流动；
[0030] S5:通过收集装置从所述筛选系统3下端出口收集目标颗粒。
[0031 ]步骤S4中，持续通入清洁空气的时间为3min-5min，所述清洁空气的压强为1倍-1.5倍标准大气压。
[0032] -种基于粒径的栅格分级筛选空气中颗粒物的装置，包括筛选系统3,所述筛选系 统3的一端连接有进气管7,所述进气管分支有清洁空气进气管2和待测空气进气管4,所述 筛选系统3内部设置有若干级微柱，每级所述微柱包括若干列微柱6，每列所述微柱6整体为 圆角矩形形状，每级所述微柱6之间下端设置有出口。
[0033]所述出口下方设置有收集装置，每相邻两级所述微柱6下端设置有几字形阻隔结 构，所述微柱6的横截面为圆角矩形。
[0034]所述每级微柱之间的间距以从所述进气口端至筛选系统3末端依次递减的方式设 置，同列所述两微柱6之间以间距均匀的方式设置。
[0035] 实施例一
[0036] 如图2所示，一种基于粒径的栅格分级分离空气中颗粒物的方法，包括如下步骤：
[0037] S1:打开单向阀1，通过清洁空气进气管2向筛选系统3通入清洁空气对筛选系统3 进行清洁处理；
[0038] S2:对待检测空气进行干燥；
[0039] S3:打开单向阀1，通过待测空气进气管4从筛选系统3的进口端通入一定量的所述 待检测空气，所述待检测空气中不同尺寸的颗粒物在不同间距的微柱6前被阻截并滑落；
[0040] S4:停止通入所述待检测空气，并从所述筛选系统3的所述进口端通入清洁空气， 以驱动所述待检测气体向前流动；
[0041 ] S5:通过收集装置8从所述筛选系统3下端出口收集目标颗粒。
[0042 ]步骤S4中，持续通入清洁空气的时间为3min，所述清洁空气的压强为1倍标准大气 压，在干燥待测空气时主要是采用动态加热系统完成。
[0043] -种基于粒径的栅格分级筛选空气中颗粒物的装置，包括筛选系统3,所述筛选系 统3的一端连接有进气管7,所述进气管7分支有清洁空气进气管2和待测空气进气管4,所述 筛选系统3内部设置有三级微柱，每级所述微柱6包括三列微柱6，每列所述微柱6整体为圆 角矩形形状，每级所述微柱之间下端设置有出口。
[0044] 所述出口下方设置有收集装置8,每相邻两级所述微柱6下端设置有几字形阻隔结 构7,所述微柱6的横截面为圆角矩形。
[0045] 每两列所述微柱6之间以间距可调的方式设置，所述每级微柱6之间的间距以从所 述进气口端至筛选系统3末端依次递减的方式设置，同列所述两微柱6之间以间距均匀的方 式设置。
[0046]在本【具体实施方式】的技术方案中，筛选系统3中，1-3排微柱6的间距cUilOum，粒 径>10um的颗粒被阻截并滑落而被筛分出来;粒径<10um的颗粒在清洁空气流和惯性的作 用下穿过卜3排微柱6。同理，因4-6排的微柱6间距d2 = 2.5um和7-9排的微柱6间距d3 = lum， 粒径2 · 5um-10um的颗粒物和粒径lum-2 · 5um依次被阻截，滑落而收集。最后，能穿过微柱6阵 列的仅为粒径< lum的颗粒物，因此，粒径< lum的颗粒物也被自然分离出来;一定时长后， 取下收集装置1-4,提取不同粒径范围的颗粒群，然后对获得颗粒物进行检测分析。收集装 置1 -4中所收集的颗粒群的粒径范围依次为> 1 Oum，2 · 5um_lOum，lum-2 · 5um和< 1 um，另外， 每相邻两级所述微柱下端设置有几字形阻隔结构7,以防止不同粒径的颗粒群发生混淆，更 利于收集。
[0047]本发明具有如下优点：（1)制备出具有不同间距d的微柱6结构，不同的间距分离不 同尺寸的颗粒。间距种类越多，分离级数越多，颗粒物被分离得越精细。例如实施例子一所 示对颗粒物进行3级分离。1-3排、4-6排、7-9排微柱6的间距d依次为1 Oum、2 · 5um、1 · Oum，微 柱6的前后间距统一为20um。微柱高5um~20um，横截面为圆角矩形，矩形长20um，矩形宽5um ~20um，圆角半径为宽的1/2。（2)将一定量的经干燥后的待处理空气通入筛选系统3中，气 流速度依空气的情况定。停止通入待检空气后，接着通入清洁空气并持续3min-5min，洁净 空气的压强为1倍-1.5倍标准大气压，通入清洁空气的是使分离过程中筛选系统3内部气体 保持向前流动。理论上，待处理空气中的不同尺寸的颗粒物被阻截后全部在沿斜面的分力 的作用下沿倾斜面滑落而筛选分集于相应的收集装置中。颗粒物视为球形，忽略颗粒物之 间的粘性阻力、附加质量力等。此外，微柱6可以采用不同的截面形状和尺寸，相邻两排微柱 6的间距和同一分离级别的微柱6排数也可根据具体情况调整。设置不同微柱6间距d和选择 不同分级种类，可获得不同尺寸的颗粒群。
[0048] 目前，基于粒径筛分空气中的颗粒物的主要方法有：（1)滤膜称重法；（2)光散射 法；（3)β射线法；（4)微量震荡天平法，等。上述筛分结果较为粗糙，基于粒径同时对空气中 的颗粒物进行多级分离的方法暂无。
[0049] 对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各 种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范 围之内。
【主权项】
1. 一种基于粒径的栅格分级分离空气中颗粒物的方法，其特征在于:包括如下步骤： S1:打开单向阀，通过清洁空气进气管向筛选系统通入清洁空气对筛选系统进行清洁 处理； S2:对待检测空气进行干燥； S3:打开单向阀，通过待测空气进气管从筛选系统的进口端通入一定量的所述待检测 空气，所述待检测空气中不同尺寸的颗粒物在不同间距的微柱前被阻截并滑落； S4:停止通入所述待检测空气，并从所述筛选系统的所述进口端通入清洁空气，以驱动 所述待检测气体向前流动； S5:通过收集装置从所述筛选系统下端出口收集目标颗粒。2. 根据权利要求1所述的一种基于粒径的栅格分级分离空气中颗粒物的方法，其特征 在于:步骤S4中，持续通入清洁空气的时间为3min-5min，所述清洁空气的压强为1倍-1.5倍 标准大气压。3. 如权利要求1或2所述的一种基于粒径的栅格分级筛选空气中颗粒物的装置，其特征 在于:包括筛选系统，所述筛选系统的一端连接有进气管，所述进气管分支有清洁空气进气 管和待测空气进气管，所述筛选系统内部设置有若干级微柱，每级所述微柱包括若干列微 柱，每列所述微柱整体为圆角矩形形状，每级所述微柱之间下端设置有出口。4. 如权利要求3所述的一种基于粒径的栅格分级筛选空气中颗粒物的装置，其特征在 于:所述出口下方设置有收集装置。5. 如权利要求3所述的一种基于粒径的栅格分级筛选空气中颗粒物的装置，其特征在 于:每相邻两级所述微柱下端设置有几字形阻隔结构。6. 如权利要求5所述的一种基于粒径的栅格分级分离空气中颗粒物的装置，其特征在 于:所述微柱的横截面为圆角矩形。7. 根据权利要求3所述的一种基于粒径的栅格分级分离空气中颗粒物的装置，其特征 在于:每两列所述微柱之间以间距可调的方式设置。8. 根据权利要求3所述的一种基于粒径的栅格分级分离空气中颗粒物的装置，其特征 在于:所述每级微柱之间的间距以从所述进气口端至筛选系统末端依次递减的方式设置。9. 根据权利要求3所述的一种基于粒径的栅格分级分离空气中颗粒物的装置，其特征 在于：同列所述两微柱之间以间距均匀的方式设置。
【文档编号】G01N1/22GK106092669SQ201610604463
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年7月27日 公开号201610604463.8, CN 106092669 A, CN 106092669A, CN 201610604463, CN-A-106092669, CN106092669 A, CN106092669A, CN201610604463, CN201610604463.8
【发明人】李志生, 文青梅, 张瑞麟
【申请人】广东工业大学