一种用于模拟大气污染物光化学反应的装置的制作方法

本发明涉及大气污染物光化学反应分析技术领域，更为具体来说，本发明为一种用于模拟大气污染物光化学反应的装置。

背景技术：

大气污染对人体健康和生态环境的影响已经受到政府和公民的广泛关注，光化学反应是大气污染物转化的重要途径。现有技术一般采用空气质量模型在密封舱中进行模拟研究，虽然能够解释一些简单的大气污染物光化学反应，但是由于现有用于模拟大气污染物光化学反应的装置存在的技术瓶颈，导致其无法对环境大气气溶胶进行光化学反应实时研究分析，且无法进行较长时间的光化学反应研究，不能准确分析大气污染物的源和汇，特别在重污染期间，使用空气质量模型往往存在很大偏差，难以再现大气污染状况。

因此，如何有效克服现有用于模拟大气污染物光化学反应的装置存在诸多缺陷以及提高大气污染物光化学反应模拟的准确性和实时性，成为了本领域技术人员亟待解决的技术问题和始终研究的重点。

技术实现要素：

为解决现有用于模拟大气污染物光化学反应的装置存在的误差较大、实时性较差等问题，本发明创新地提供了一种用于模拟大气污染物光化学反应的装置，将双层套管结构、均匀光源结构以及冷却水循环系统结合，基于上述独特的结构设计，本发明能够对真实大气污染物光化学反应进行实时模拟，模拟逼真度极高，几乎与真实大气污染物光化学反应过程相同；从而较好地解决现有技术存在的问题。

为实现上述的技术目的，本发明公开了一种用于模拟大气污染物光化学反应的装置，所述装置包括静态混合器、内流动管及外流动管，所述内流动管固定于外流动管的内部，所述内流动管与所述外流动管具有相同的轴线且共同形成双层套管结构，内流动管的外壁和外流动管的内壁之间形成用于循环水流过的管状腔；外流动管的下部设置有进水口，所述进水口通过进水管与水箱的出流口连通，在所述进水管上或水箱内设置有水泵，外流动管的上部设置有出水口，所述出水口通过出水管与水箱的回流口连通，所述水箱、所述进水管、所述水泵、所述管状腔及所述出水管共同形成冷却水循环系统；在外流动管的周围沿周向均匀地设置有多个紫外灯；所述静态混合器与所述内流动管连通，所述静态混合器上设置有进气口，所述内流动管上设置有出气口。

基于上述的技术方案，本发明创新提供了一种能提供等温条件的模拟装置，该装置具有双层套管结构、均匀光源结构及冷却水循环系统，能够对环境大气污染物进行实时反应模拟，从而再现大气污染物的光化学状况，达到显著提高大气污染物光化学反应模拟的准确性和实时性的目的，从而彻底解决现有技术存在的诸多问题。

进一步地，所述内流动管包括依次设置且呈一体结构的第一锥形管体、圆形管体及第二锥形管体，第一锥形管体的内径沿朝向所述第二锥形管体的方向逐渐增大，第二锥形管体的内径沿朝向所述第一锥形管体的方向逐渐增大。

基于上述改进的技术方案，本发明能够显著减小内流动管中的大气的径向混合和涡流再循环，使本发明的模拟过程更贴近于大气污染物在真实大气环境中的光化学反应过程，从而准确分析大气污染物的光化学反应。

进一步地，所述装置还包括抽气泵和气体分析仪；所述气体分析仪与气体采样管的一端连接，气体采样管的另一端自第二锥形管体的末端中心伸入至所述圆形管体底部；所述第二锥形管体的末端中心的周围均匀设置有多个抽气管，抽气管的一端伸入至所述第二锥形管体中，抽气管的另一端与所述抽气泵连通；其中，所述气体采样管和所述抽气管均与所述第二锥形管体密封连接。

基于上述改进的技术方案，本发明能够对光化学主反应区末端反应物进行采集，从而使采集结果更为准确；另外，均匀分布的多个抽气管能使气体被抽气泵均匀抽出，尽量避免对气流逸散区气流运动轨迹造成干扰。

进一步地，在抽气泵的进气口设置有过滤器，所述过滤器包括过滤网袋、棉花、活性炭、变色硅胶及活性高锰酸钾球，所述棉花、所述活性炭、所述变色硅胶及所述活性高锰酸钾球均填充于所述过滤网袋中。

基于上述改进的技术方案，本发明能够吸附或过滤从内流动管流出的气体中的颗粒物、有机气体以及还原性酸性气体，防止大气污染物使抽气泵产生故障，进而显著地提高本发明的装置寿命以及可靠性。

进一步地，所述装置还包括温湿度监测仪和水循环控制器，温湿度监测仪的探头伸入至所述第二锥形管体中；所述水循环控制器用于根据所述温湿度监测仪获取的温度信息和湿度信息控制冷却水循环系统中水的温度和水的流速。

基于上述改进的技术方案，本发明能通过控制冷却水循环系统状态的方式保证光化学反应过程中内流动管中的温度和湿度均在小范围内波动，进而提高大气污染物光化学反应模拟的准确性和可靠性。

进一步地，所述内流动管和所述外流动管均沿竖直方向设置，所述静态混合器与所述内流动管固定连接，所述静态混合器固定于内流动管的上侧，所述进气口设置于静态混合器的上端，所述出气口设置于内流动管的下端。

基于上述改进的技术方案，通过沿竖直方向设置的双层套管结构，本发明还能够有效避免在大气污染物光化学反应时气溶胶流动过程中颗粒因重力沉积在管壁，以保证大气污染物光化学反应模拟的准确性和可靠性。

进一步地，所述装置还包括下密封法兰和上密封法兰；内流动管的下端和外流动管下端均与所述下密封法兰密封连接，所述下密封法兰上固定有支架，所述紫外灯沿竖直方向设置且固定于所述支架上，紫外灯的数量为4个或8个或16个，各紫外灯与外流动管之间的距离均为15cm；所述静态混合器与所述内流动管之间通过上密封法兰密封连接，所述静态混合器末端连通有旁支气路，气体采样仪或附加气体输送设备与所述旁支气路连接。

基于上述改进的技术方案，本发明采用了强度均匀分布的光源方案，本发明能够提供严格的等温条件，避免内流动管内微小的非等温效应引起的二次流，从而保证气溶胶理想的抛物线层流；而且，本发明光化学反应前后的气体采样口均设于光化学主反应区的末端，从而避免气体采样对流体运动状态产生影响，使本发明与真实大气污染物光化学反应更为接近，以使本发明具有更好的模拟效果；另外，本发明还可以通过旁支气路实现对光照反应前的气体及气溶胶颗粒检测和/或向装置内通入用于进行光化学反应研究的其他组分。

进一步地，圆形管体的外壁与外流动管的内壁之间的间隙宽度为6mm。

进一步地，第一锥形管体的内壁锥角为30°，第一锥形管体的内径由100mm扩展至338mm，第一锥形管体沿轴向方向的长度为504mm。

基于上述改进的技术方案，本发明能够使混合流体到达内流动管的光化学主反应区时仍保持层流状态，使反应物沿轴向扩散混合，从而有利于浓度的平滑推移，最终达到更准确分析大气污染物的光化学反应的目的。

进一步地，圆形管体沿轴向方向的长度为1.2m，圆形管体的内径为338mm；第二锥形管体的内壁锥角为60°，第二锥形管体的内径由338mm收缩至120mm，第二锥形管体沿轴向方向的长度为214mm。

基于上述改进的技术方案，通过圆形管体的结构参数设计，本发明能减小比表面积，延长停留时间，减小气相和颗粒相在圆形管体(石英管)内壁上的壁损，从而避免因壁损导致的后期模拟过程与真实大气污染物的光化学反应偏差较大等问题；通过第二锥形管体的结构参数设计，本发明能够使反应后的气体到达下锥形气流逸散区时仍保持层流状态，从而使本发明具有更优异的模拟效果；最后，本发明的内流动管的整体设计能够使气流处于层流状态，即使气流流量为100l/min时，石英双层套管上锥形扩散区、光化学主反应区和下锥形气流逸散区也均可保持层流状态，具体地，上锥形扩散区的雷诺数re为1414、光化学主反应区的雷诺数re为418、下锥形气流逸散区的雷诺数re为1178，上述的雷诺数均小于2100(对流层的雷诺数)。

本发明的有益效果为：本发明能够对真实大气污染物光化学反应进行实时模拟，模拟逼真度极高，几乎与真实大气污染物光化学反应过程相同；本发明还能同时表征气相和颗粒相组分，具有操作简单、易实现等优点。

附图说明

图1为用于模拟大气污染物光化学反应的装置的整体结构示意图。

图2为用于模拟大气污染物光化学反应的装置主体的立体结构示意图。

图3为下密封法兰、支架及8个紫外灯的立体结构示意图。

图4为内流动管的立体结构示意图。

图5为外流动管的立体结构示意图。

图中，1、静态混合器；11、上密封法兰；12、下密封法兰；13、支架；2、内流动管；21、第一锥形管体；22、圆形管体；23、第二锥形管体；3、外流动管；31、进水口；32、出水口；4、水箱；41、进水管；42、出水管；5、水泵；6、紫外灯；7、抽气泵；71、抽气管；8、气体分析仪；81、气体采样管。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的用于模拟大气污染物光化学反应的装置进行详细的解释和说明。

如图1-5所示，本实施例具体公开了一种用于模拟大气污染物光化学反应的装置，该装置包括静态混合器1、内流动管2以及外流动管3，内流动管2固定于外流动管3的内部，内流动管2与外流动管3具有相同的轴线且共同形成双层套管结构，其中，内流动管2的外壁和外流动管3的内壁之间形成用于冷却水循环流动的管状腔，在本实施例中，圆形管体22的外壁与外流动管3的内壁之间的间隙宽度为6mm，而且本实施例中的内流动管2和外流动管3均为石英管，从而避免对污染物组分产生影响；外流动管3的下部设置有进水口31，进水口31通过进水管41与水箱4的出流口连通，在进水管41上或水箱4内设置有水泵5，水泵5优选为低温冷却液循环泵，用于对回流至水箱中的水进行冷却再循环，如图1、图2及图5所示，外流动管3的上部设置有出水口32，出水口32通过出水管42与水箱4的回流口连通，水箱4、进水管41、水泵5、管状腔以及出水管42共同形成冷却水循环系统，在冷却水循环系统作用下，冷却水自外流动管3下部的进水口31流入套管上述宽度为6mm的间隙，自外流动管3的上部出水口32流出，然后返回水箱，可根据实际需要调节冷却水循环系统的水箱温度和泵速，进而达到消除紫外灯(光源)照射引起的非等温效应；具体地，在外流动管3的周围沿周向均匀地设置有多个紫外灯6；静态混合器1与内流动管2连通，静态混合器1上设置有进气口，且进气口用于通入真实大气，通过上述静态混合器1，本发明能够使气相/颗粒相反应物充分混合，比如，对于气溶胶污染的研究，本实施例采用不锈钢静态混合器，对于气相污染研究，本实施例采用聚四氟乙烯静态混合器；或者，直接可采用在不锈钢静态混合器上渡聚四氟乙烯膜的结构；内流动管2上设置有出气口，多个出气口可围绕采样口周围均匀设置。

如图1、4所示，内流动管2包括依次设置且呈一体结构的第一锥形管体21、圆形管体22以及第二锥形管体23；本发明提出两端锥形、中间圆柱形的双层套管结构，第一锥形管体21的内径沿朝向第二锥形管体23的方向逐渐增大，第二锥形管体23的内径沿朝向第一锥形管体21的方向逐渐增大，第一锥形管体21形成了上锥形层流扩散区，圆形管体22形成了光化学主反应区，第二锥形管体23形成了下锥形气流逸散区；本实施例中，第一锥形管体21的内壁锥角为30°，第一锥形管体21的内径由100mm扩展至338mm，第一锥形管体21沿轴向方向的长度为504mm；圆形管体22沿轴向方向的长度为1.2m，圆形管体22的内径为338mm，可实现大流量采集和长时间光化学反应；第二锥形管体23的内壁锥角为60°，第二锥形管体23的内径由338mm收缩至120mm，第二锥形管体23沿轴向方向的长度为214mm，可使得气流运动轨迹缓慢变化，不对光化学主反应区的气流产生影响。

如图1所示，该装置还包括抽气泵7和气体分析仪8；气体分析仪8与气体采样管81的一端连接，气体采样管81的另一端自第二锥形管体23的末端中心伸入至圆形管体22底部，即采样口设置于气流中心轴线、气体采样管81伸入至光化学主反应区末端中间位置，从而实现在不受下锥形气流运动轨迹改变的干扰下采集光化学反应后的气体和气溶胶颗粒，进而实现对光化学反应后的污染物进行在线且实时检测，而且可分流用于多种仪器分析，通过调整抽气泵流速能够对不同停留时间的样品进行检测分析，比如，通过调节抽气泵的流速的方式测得不同光化学反应时间后的污染物组分浓度的变化，再考虑温湿度的变化，从而可准确计算出光化学反应速率常数；本实施例中，气体分析仪可以为no2分析仪、紫外线吸收光度法分析仪、气溶胶分析仪及气溶胶质谱仪等中的至少一种，可检测出气溶胶有机/无机组分，抽气口设置为四个，围绕中心采样口均匀分布，使气流均匀被抽气泵抽出，不对气流逸散区气流运动轨迹造成较大干扰，不改变气流逸散区中气流的运动轨迹；第二锥形管体23的末端中心的周围均匀设置有多个抽气管71，本实施例为四个，令各抽气管71的一端伸入至第二锥形管体23中，抽气管71的另一端与抽气泵7连通(各抽气管的另一端汇集后与抽气泵连通)，本实施例中，抽气管71的另一端自上述的内流动管2上设置的出气口伸入至第二锥形管体23(即内流动管下部)中，在抽气泵7作用下，真实大气污染物依次由静态混合器1、内流动管2的锥形层流扩散区、内流动管2的光化学反应区以及内流动管2的下锥形气流逸散区后被抽出内流动管2，大气污染物在紫外灯6的照射下发生光化学反应；其中涉及的气体采样管81和抽气管71均与第二锥形管体23密封连接。

作为改进的技术方案，本实施例在抽气泵7的进气口设置有过滤器，过滤器包括过滤网袋、棉花、活性炭、变色硅胶及活性高锰酸钾球，棉花、活性炭、变色硅胶及活性高锰酸钾球均填充于过滤网袋中，过滤后的尾气通过抽气泵7废弃管道处理。如图1所示，该装置还包括温湿度监测仪和水循环控制器，温湿度监测仪的探头伸入至第二锥形管体23中，用于监测内流动管2温度和湿度，可在下密封法兰12上开设温湿度监控口，可将温湿度监测仪固定于支架底端；水循环控制器可集成于低温循环水冷却泵上，水循环控制器用于根据温湿度监测仪获取的温度信息和湿度信息控制冷却水循环系统中水的温度和水的流速(通过泵速调节)，以保证光化学反应过程中内流动管2中的温湿度在小范围内波动。如图1所示，上述内流动管2和外流动管3均沿竖直方向设置，静态混合器1与内流动管2固定连接，静态混合器1固定于内流动管2的上侧，进气口设置于静态混合器1的上端，出气口设置于内流动管2的下端。该装置还包括下密封法兰12和上密封法兰11，二者的材质可均为聚四氟乙烯，内流动管2的下端和外流动管3下端均与下密封法兰12通过化学惰性o圈密封连接，本实施例中，可将上述的气体采样管81自下密封法兰12伸入、将温湿度监控口设于下密封法兰12上及将出气口(或称为抽气口)设于下密封法兰12上，即采样口可设置于下密封法兰12中间；如图3所示，下密封法兰12上固定有支架13，紫外灯6沿竖直方向设置且固定于支架13上，且沿外流动管3周向均匀设置，紫外灯6的数量可为4个或8个或16个，本实施例的紫外灯个数为16个(根)，各个紫外灯6与外流动管3之间的距离均为15cm，根据不同的实验需求，可选择不同波长和数量的紫外灯对大气中污染物的光化学反应进行研究。通过紫外灯控制开关，可设定开启紫外灯的数量，比如8个，以调节光源强度；静态混合器1与内流动管2之间通过上密封法兰11密封连接，在静态混合器1末端连通有旁支气路，气体采样仪或附加气体输送设备与上述的旁支气路连接，气体采样仪用于采集光照反应前的气体和气溶胶颗粒，附加气体输送设备用于通入其他组分进行光化学反应研究。如图2所示，静态混合器1、外流动管3、内流动管2、上密封法兰11、下密封法兰12、紫外灯6、支架13等构成了用于模拟大气污染物光化学反应的装置主体。

作为一个具体的应用实例，将本实施例提出的用于模拟大气污染物光化学反应的装置应用于大气硝酸盐气溶胶光解的实时研究中；具体地，将紫外灯固定在不锈钢支架上，紫外灯光波长选定365nm，可选择紫外灯的开关数量为4个或8个或16个，多个紫外灯均匀开启，以使得光源强度分布均匀。开启冷却水循环系统后，通过温湿度监测仪监测石英双层套管结构中内流动管中环境的温湿度，以控制循环水在一定的温度和流速通过石英双层套管结构的夹层，本实施例使得光照反应期间温度变化在±1℃范围内、湿度变化范围在±2％。本实施例采用聚四氟乙烯管与静态混合器上的进气口连接，将大气污染物直接引入至静态混合器中，实现大气污染物的均匀混合，混合后的大气污染物再经过石英双层套管结构中的内管的上锥形扩散区，实现令大气污染物以层流稳定的状态进入至光化学反应区进行光化学反应，最后经过内流动管中下锥形逸散区由抽气泵抽出至尾气管道。本实施例中，对于光化学反应前后的气相组分和气溶胶组分二者的浓度变化，反应前的浓度可通过静态混合器下端的旁侧支路测得，反应后的浓度可通过内流动管中光化学主反应区的末端测定，本实施例可以通过电磁阀和定时器切换不同采样口的方式对反应前或反应后的污染物浓度进行测量，具体为对旁支气路的反应前的污染物浓度进行测量或者对圆形管体底部的污染物浓度进行测量，采集的污染物可由气体分析仪和气溶胶分析仪进行测定。

本发明能够实现：(1)逼真模拟：环境大气直接进样，气流混合均匀，具体气流形式表现为层流态，能够对光源进行有效控制；(2)综合表征，大流量采样能保证分析仪器同时表征气相和颗粒相物种组分。

通过将实际大气污染物原位抽取到流动管，具有壁损小、流量大、可调节等突出优点，克服了现有技术存在的局限性，克服了现有技术中必须原位采集真实环境大气污染物、对大气污染物的动力学和机理进行分析、操作复杂、模拟精度要求高及难以实现等问题，从而实现对不同污染特征环境大气污染物的光化学反应研究。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“本实施例”、“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明实质内容上所作的任何修改、等同替换和简单改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。