1.本实用新型属于大气化学实验研究领域，具体涉及一种可连续调节反应时间的气溶胶成核湍流流动管反应器。
背景技术：2.灰霾问题是近年来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，即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，目前已经成为大气环境的主要污染物。大气气溶胶颗粒对地球大气循环系统有重要的影响，包括空气质量，天气，全球气候，生态系统以及公共健康。其中，气溶胶通过直接辐射作用和气溶胶
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云相互作用即间接辐射强迫作用影响气候，政府间气候变化专门委员会报告指出，间接辐射强迫依然是评估气候变化方面最大的不确定性因子。气溶胶主要来源有一次粒子和二次粒子，大气中3
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7nm(或者10nm等)颗粒物的数浓度随着时间变化急剧增加，这一个过程被称为“新粒子生成(new particle formation,npf)”。全球有超过一半的云凝结核来自于新粒子生成。大气新粒子生成过程通常包括两个关键阶段：首先，低挥发性气体分子，比如硫酸，克服能量势垒形成临界分子团簇的成核过程，临界核是团簇尺寸阈值对应的的临界团簇，在该阈值以上的团簇将更可能增长而不是蒸发。紧接着是是临界分子团簇自发增长成为纳米尺寸颗粒物的增长过程。分子水平的成核过程，通常通过氢键作用形成可能含有单一或多个物种的稳定分子团簇(小于3nm)，是理解新粒子生成机理的关键。获得成核机制，即何种气态物质可以参与成核、具体化学途径如何，关键要素就是获得成核前体物、中间物、产物的组分和结构、成核条件和成核速率，实验室模拟、外场观测、理论计算就是将这些要素连在一起的手段。
3.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，但由于气溶胶凝结核的颗粒很小，难以捕捉，因此对于气溶胶的成核机制研究仍然存在很多争议和空白。二次气溶胶形成的研究传统上使用烟雾箱实验装置，通过控制氧化剂、vocs等浓度于环境条件一致，随着时间推移，检测不同气相和颗粒相成分和浓度变化。烟雾箱实验适用于反应相对缓慢的系统。比如，蒎烯类等bvoc光氧化过程、生物质燃烧和光氧化产物等。烟雾箱实验往往存在一些限制，一般烟雾箱壁损失较严重，实验对痕量气体化学的研究往往在远大于真实大气浓度的条件下进行，这严重局限了反应结果应用于化学机制推断。而湍流流动管可以忽略反应气体的壁损失，非常适用于动力学研究。工欲善其事必先利其器，发明和搭建出反应时间可控的、秒量级内的湍流流动管反应器是气溶胶成核实验研究的基础和重要一步。
技术实现要素：4.本实用新型的目的是为了克服上述现有技术存在的缺陷，深入研究气溶胶成核的动力学过程，提供一种可连续调节反应时间的气溶胶成核湍流流动管反应器。
5.本实用新型采用的技术方案如下：
6.一种可连续调节反应时间的气溶胶成核湍流流动管反应器，其特征在于：该反应
器包含长径比为50
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100的内管、可抽拉进样管、进样口密封端盖、出样口密封端盖和可抽拉采样管；其中，所述内管的一端是进样端，所述内管的另一端是出样端；所述内管包括可调节进样位置的进样区、成核区及可调节采样位置的采样区一体化的三部分；进样端位于进样区，出样端位于采样区；进样区的进样端设置有进样口密封端盖，可抽拉进样管与进样口密封端盖配合使用；采样区的出样端设置有出样口密封端盖，可抽拉采样管与出样口密封端盖配合使用。
7.其中，所述内管是管状反应腔。所述的长径比是指内管总长和所述内管的内直径的比值。进样区是气体混合区，无壳层包裹，裸露在室温下。成核区是气溶胶成核区域，成核区外面套设有外管，是一个水浴控温的双层结构。可调节采样位置的采样区是气溶胶采样区，无壳层包裹，裸露在室温下。
8.可选地，所述高“长径比”的湍流流动管反应器作为气溶胶成核流动反应腔，壳层结构，石英玻璃所制，内管总长130cm，内直径2cm，长径比高达65。当气体(成核前体物和载气)总流量高于30标准升每分钟时，反应物流处于湍流状态(雷诺数re＝uρl/μ＞2000，其中u，ρ，l，μ分别是流速、气体密度、圆管内直径、气体粘度)。所用载气为“零空气”，是零级空气，由脱除干燥空气中的二氧化碳和其他痕量杂质获得。
9.可选地，所述内管上依次设置有可抽拉进样管，进样口密封端盖，固定进样口、初级采样口、温湿度检测口、后级采样口、出样口密封端盖和可抽拉采样管。
10.可选地，所述的固定进样口设置于可调节进样位置的进样区，所述的初级采样口设置于成核区，所述的温湿度检测口和后级采样口设置于可调节采样位置的采样区。所述的初级采样口或者用作固定进样口。
11.可选地，所述反应器还包括外管，所述外管套设在成核区外，所述外管与成核区之间形成水浴夹层；所述外管上依次设置有水浴出口和水浴进口。
12.可选地，所述内管为石英玻璃所制，长径比为65。
13.可选地，温湿度检测口设置于可调节采样位置的采样区，所述温湿度检测口处设有温湿度计，其中成核区外管水浴控制气溶胶成核温度，所述成核温度由所述温湿度计实时监测。
14.可选地，所述可抽拉进样管与进样口密封端盖用不锈钢球磨夹固定；所述可抽拉采样管与出样口密封端盖用不锈钢球磨夹固定。
15.可选地，所述初级采样口包括三个初级采样口，所述三个初级采样口均匀分布在成核区上，所述初级采样口或用作固定进样口；所述固定进样口包括四个固定进样口，所述四个固定进样口均匀分布在可调节进样位置的进样区上。
16.可选地，所述的可抽拉进样管和可抽拉采样管均为石英玻璃所制。
17.可选地，可抽拉进样管沿内管轴向设置。
18.可选地，可抽拉采样管沿内管轴向设置。
19.可选地，所述的流动管反应器是集气体混合、气溶胶成核、气溶胶采样的开放式一体结构；混合区为前端10cm长一段，无壳层包裹裸露在室温下；由于反应物流处于湍流状态，使得混合变得比层流充分，无需额外加热或搅拌等装置和操作，均匀分布4个外径分别为1/4英寸大小的进样管，可实现4种不同种类的成核前体物同时进样。接着是长110cm成核区；成核区外面套设有外管，外管和内管之间形成水浴夹层，外管水浴控制气溶胶成核温度
在几度到十几度之间；这部分每隔27cm有一外径1/4英寸的采样口，即三个前级采样口。最后是长约10cm分布2个外径分别为1/4、1/2英寸大小后级采样口的采样部分；可与多种气溶胶检测分析仪器连接使用，由温湿度计实时监测采样温湿度；其中温湿度计设置于温湿度检测口处。
20.可选地，所述的流动管反应器，进样口包含固定的和可抽拉进样的两种进样管，出样口包含固定的和可抽拉出样的两种采样管。可抽拉进样管和可抽拉采样管均长70cm，外径1/4英寸。其中可抽拉进样管末端为“花洒”结构；有利于从该进样口反应物与其他气体的充分混合。二者分别与进、出样口密封端盖用不锈钢球磨夹固定，实现进、出样位置持续可调，进而成核反应时间连续可调。其中，所述的花洒结构为锥形“花洒”结构，末端布满小孔，有利于从该进样口反应物与其他气体的充分混合。
21.可选地，上述的可抽拉进样管和可抽拉采样管为石英玻璃所制，与密封端盖配合使用。端盖中间为标准1/4英寸转接头，螺帽配合匹配o圈挤压密封。
22.可选地，所述内管是直管。
23.本实用新型还提供了一种上述的流动管反应器在硫酸
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水
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二甲胺三元成核反应中的应用。
24.本实用新型的原理是：在可连续调节反应时间的气溶胶成核湍流流动管反应器中，进样气体在快速混合达到湍流后，到达温度骤降的成核区生成分子团簇进一步成核，粒子数不断上升粒径不断长大，迅速到达检测区进行检测。通过抽拉进、采样管和在不同采样口采集经过不同停留时间的分子团簇和气溶胶颗粒，得到团簇组分信息和粒子成核率。通过控制不同前体物浓度和温湿度，得到不同的团簇组分和成核率，研究成核动力学过程。
25.实用新型的有益效果是：
26.(1)利用本实用新型可快速实现气溶胶成核过程，利用检测分析仪器可获取气溶胶成核的临界硫酸浓度，适宜的温湿度，大气中难以捕捉的分子团簇，进而模拟实际大气气溶胶成核过程。为研究气溶胶成核的动力学机理提供便利；
27.(2)利用本实用新型可实现成核时间连续可调，相比于在不同位置设计固定的采样口实现成核时间可调，本实用新型设计的可抽拉进、出样管能实现成核反应时间的连续可调；
28.(3)本实用新型“长径比”大，反应物流容易实现湍流，减少了气体壁损失；停留时间变短也有利于对成核过程的关键物质：分子团簇的捕捉检测；
29.(4)本实用新型采用的流动管端盖用不锈钢球磨夹固定密封的方式简单操作、效果好；
30.(5)流动管小巧容易连接和拆卸，转移、清洗起来十分方便。
31.本实用新型的优点是：
32.本实用新型具有可连续调节反应时间、壁损失小、易操作、易重复实验、易维护的特点。
附图说明
33.图1：本实用新型一种可连续调节反应时间的气溶胶成核湍流流动管反应器示意图。
34.图2：本实用新型水平放置的端盖结构示意图。
35.图3：本实用新型带尺寸标注的流动管平面示意图。
36.其中，尺寸标注单位为毫米。
37.图4：本实用新型实施例中粒子数浓度随硫酸流量变化关系图。
38.图中，1
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可抽拉进样管，2
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进样口密封端盖，3
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固定进样口，3.1
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固定进样口，3.2
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固定进样口，3.3
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固定进样口，3.4
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固定进样口，4
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水浴出口，5
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初级采样口，5.1
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初级采样口，5.2
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初级采样口，5.3
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初级采样口，6
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水浴进口，7
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温湿度检测口，8
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后级采样口，9
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出样口密封端盖，10
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可抽拉采样管。
具体实施方式
39.下面讨论的提出是要使得本领域技术人员实施，但本实用新型不只限制于所示的实施例，而是要与披露的原理和特征相符。下面结合附图对本实用新型进一步说明：
40.实施例1
41.可连续调节反应时间的气溶胶成核湍流流动管反应器，其结构如图1所示，其尺寸如图3所示，其中，尺寸标注单位为毫米。如图1所示，可连续调节反应时间的气溶胶成核湍流流动管反应器，是由石英玻璃所制的壳层结构，主要由内管、可抽拉进样管1、可抽拉采样管10和外管等组件构成，内管是管状反应腔，总长130cm，内直径2cm，长径比高达65，主要由可调节进样位置的进样区(一)、成核区(二)及可调节采样位置的采样区(三)一体化的三部分组成，是集气体混合、气溶胶成核、气溶胶采样的开放式一体结构。其中，所述内管的左端是进样端，所述内管的右端是出样端；所述内管是直管；进样端位于进样区，出样端位于采样区。
42.其中，进样区(一)为内管的前端10cm长一段，是气体混合区，无壳层包裹裸露在室温下，由于反应物流处于湍流状态，使得混合变得比层流充分，无需额外加热或搅拌等装置和操作。进样区(一)从左至右依次设置有可抽拉进样管1，进样口密封端盖2，固定进样口3.1，固定进样口3.3，固定进样口3.2和固定进样口3.4。其中固定进样口3包括固定进样口3.1、固定进样口3.2、固定进样口3.3和固定进样口3.4。进样区(一)的左端进口是进样端，此处设置有进样口密封端盖2，可抽拉进样管1从进样端伸进内管里，所述可抽拉进样管1沿内管轴向设置，可抽拉进样管1与进样口密封端盖2配合使用，紧接着是在进样区(一)上的固定位置的进样口3，进样口3包括四个固定进样口3.1
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3.4，其中固定进样口3.1和3.2在内管下部，固定进样口3.3和3.4在内管上部；四个固定进样口均匀分布在进样区(一)上，所述进样口分别连接4个外径分别为1/4英寸大小的进样管，可实现4种不同种类的成核前体物同时进样。其中，可抽拉进样管1长70cm，外径1/4英寸，可抽拉进样管1末端为锥形“花洒”结构，末端布满小孔有利于从该进样口反应物与其他气体的充分混合；该进样管1与进样口密封端盖2用不锈钢球磨夹固定，实现进样位置持续可调，进而成核反应时间连续可调。上述的可抽拉进样管1为石英玻璃所制。进样口密封端盖2如图2所示，图2示出了其中水平放置的端盖结构，端盖中间为标准1/4英寸转接头，螺帽配合匹配o圈挤压密封。
43.接着是内管的中间长110cm部分，该部分是成核区(二)，是气溶胶成核区域。成核区每隔约27cm设置一个外径1/4英寸的采样口，即从左至右三个初级采样口5.1、5.2和5.3，所述采样口均连接有采样管。所述的初级采样口5.1、5.2和5.3也用作固定进样口。成核区
(二)外面套设有外管，是一个水浴控温的双层结构；外管与内管之间形成水浴夹层，水浴夹层用于储存水浴的水，用于水循环，外管的右端下部设置有循环水浴进口6，外管的左端上部设置有水浴出口4。其中成核区(二)的外管水浴控制气溶胶成核温度，前体反应物进入气溶胶成核区发生成核，根据流动管工作原理，这部分温度较低，实验过程中，控制在几度到十几度之间。
44.最后是长约10cm的内管部分，是可调节采样位置的采样区(三)，该采样区是气溶胶采样区域。采样区(三)无壳层包裹，裸露在室温下。采样区从左至右依次设置有温湿度检测口7，后级采样口8，出样口密封端盖9，可抽拉采样管10。温湿度检测口7处设有温湿度计。可抽拉采样管10从采样区(三)的出样端伸进内管里，所述可抽拉采样管10沿内管轴向设置。成核区(二)的水浴控制气溶胶成核温度，所述温湿度计实时监测气溶胶成核温度和湿度。其中，后级采样口8包括2个外径分别为1/4和1/2英寸大小后级采样口，可与多种气溶胶检测分析仪器连接使用，通过设置在温湿度检测口7的温湿度计实时监测成核温度。其中，外径为1/2英寸的后级采样口位于内管下部，外径为1/4英寸的后级采样口位于内管上部。采样区(三)的右端出口是出样端，此处设置有出样口密封端盖9，可抽拉采样管10可从出样端伸进内管里，所述可抽拉采样管10沿内管轴向设置，可抽拉采样管10与出样口密封端盖9配合使用。其中，可抽拉采样管10长70cm，外径1/4英寸；所述采样管10与出样口密封端盖9用不锈钢球磨夹固定，实现出样位置持续可调，进而成核反应时间连续可调，湍流能够迅速。上述的可抽拉采样管10为石英玻璃所制。出样口密封端盖结构也如图2所示，图2示出了其中水平放置的端盖结构，端盖中间为标准1/4英寸转接头，螺帽配合匹配o圈挤压密封。
45.本实用新型在使用时，所使用的零空气是零空气发生器(model 737
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15,aadco)产生的零空气。其结构如图1所示，可连续调节反应时间的气溶胶成核湍流流动管反应器的内管为流动管，其中，进样区(一)前端盖处是可抽拉进样管1、紧接着是预留有四个固定的进样口3.1
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3.4，可针对不同研究体系通入不同的物质，这里以常见的硫酸
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水
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二甲胺三元成核为例，固定进样管均为长2cm，外径6mm，四个固定的进样口3.1、3.2、3.3、3.4分别为零空气、水蒸气、补充零空气、二甲胺(dma)蒸汽入口，可抽拉进样管通入成核敏感的硫酸(h2so4)蒸汽。具体通入方式如下：首先在鼓泡器内注入97％浓硫酸，液面高度淹没气孔即可，通入零空气发生器(model 737
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15,aadco)产生的零空气，调节流量计控制进样蒸汽流量，将气态样品通过可抽拉进样管1送入流动管；同样，将超纯水和配制的二甲胺溶液(体积比dma：h2o＝1：3)分别置于另两个鼓泡器中，用零空气作为载气分别通过固定进样口3.2和3.4鼓入流动管内；固定进样口3.1和3.3分别为零空气进样口和补充零空气进样口，进样时，连同零空气流量一起调节，保证管状反应器里总流量30slpm不变的情况下，相对湿度、硫酸、二甲胺浓度均可调。当改变dma进样口从3.4到5.1或5.2时，固定进样口用放进软管的堵头密封。
46.进样后各个组分在管状反应腔内快速混合迅速达到湍流，在流动管主体成核区(二)结构上，加了一个水浴控温的双层结构，包括循环水浴进口6及水浴出口4，前体反应物进入气溶胶成核区发生成核，根据流动管工作原理，这部分温度较低，实验过程中，控制在几度到十几度之间。成核区(二)长度为110cm，每隔约27cm设置一个外径1/4英寸的采样口，即三个前级采样口。最后是长约10cm分布2个外径分别为1/4、1/2英寸大小后级采样口8的采样区(三)。进样气体在快速混合达到湍流后，到达温度骤降的成核区(二)生成分子团簇
进一步成核，粒子数不断上升粒径不断长大，迅速到达采样区(三)进行检测。颗粒物数浓度随时间变化是辨识成核是否发生的最基本的参数，用炭管(降低颗粒损失)直接连接可抽拉采样口与颗粒物粒径放大仪(psm,model a10,airmodus ltd.,finland)结合凝聚核粒子计数器(cpc,model a20,airmodus ltd.,finland)仪器的进样口，仪器直接实时显示颗粒物浓度并保存数据，得到连续成核反应时间所形成的新粒子数浓度的变化，结合反应时间，可以判断气溶胶的成核速率。
47.实验过程中，调节吹扫硫酸蒸汽通入的流量改变流动管内的硫酸浓度、成核区温度、湿度、进样位置的变化来观察1
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3nm新粒子的生成情况。
48.图4为本实用新型实施例中粒子数浓度随硫酸流量变化关系图。硫酸
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二甲胺
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水三元体系在不同反应时间(由dma进样位置决定)下形成的1
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3nm粒子数随硫酸流量(与硫酸浓度呈正比)的变化。其中dma的进样流量固定在1.00slpm，进样位置分别在3.4、5.1和5.2处，总流量30slpm，h2so4进样位置固定在成核区54.5cm处(约与进样口5.2对齐)，可抽拉采样口拉到最末端固定后与炭管直接连接进入psm+cpc仪器进行采样。成核区水浴温度2℃，采样区温湿度为10℃，38％rh。可以看出1
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3nm的粒子数随着硫酸浓度升高而升高；而不同位置通入的dma情况，由于成核时间的变化以及水的影响粒子数以及对应的成核过程可能不同。成核发生、粒子数变化、成核过程不同的现象说明了该实用新型能够用于气溶胶成核的动力学研究。
49.实验结束，将进样停掉后，断开导气管连接，可直接对流动管进行拆卸清洗。具体实施方式是：用热的超纯水震荡清洗内管两三遍后，再用零空气吹干。若连续累积实验后，管状反应腔内壁会粘有残留的硫酸和有机物等，可采取高温热空气吹扫法去除：简单清洗后，将管状反应腔外管用水浴逐步分阶段加热，同时内管通入高流量零空气吹扫。
50.提供以上实施例仅仅是为了描述本实用新型的目的，而并非要限制本实用新型的范围。本实用新型的范围由所附权利要求限定。不脱离本实用新型的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本实用新型的范围之内。