用于选择性纯化气溶胶的方法与流程

本发明涉及净化可能含有悬浮颗粒的气溶胶的领域。

本发明的目的是改进通过静电沉淀来净化气溶胶的方法，以允许根据气溶胶中的悬浮颗粒的尺寸而同时但选择性地收集所述悬浮颗粒，选择性优选地旨在收集并且同时分离微米尺寸的颗粒和纳米颗粒。

根据标准isots/27687的标准定义来理解“纳米颗粒”：纳米对象，其三维尺寸是纳米尺度的，即具有小于约100nm的标称直径的颗粒。

背景技术：

自20世纪70年代以来，对气溶胶引起的环境和健康影响的认识一直是新技术发展的来源，以便更好地评估相关风险。

该领域在20世纪80年代迅速扩大，以包括在高科技生产方法中使用气溶胶和控制超洁净气氛中的气溶胶污染。

从20世纪90年代开始，对超细颗粒(即小于100纳米的那些)的性质以及气溶胶对气候的影响的研究更加密集。因此，该领域非常广泛，因为它同时涵盖工业卫生、空气污染控制、吸入毒理学、大气物理和化学以及装置或环境中的放射性气溶胶污染的领域。

最近，纳米技术在诸如健康、微电子、能源技术或日常消费品(例如油漆和化妆品)等各种领域中迅速发展，意味着继续研究这些新材料对健康和环境的影响至关重要，以便确保最佳的安全条件。

因此，需要开发方法和工具来评估工作者、消费者和环境对颗粒的暴露，特别是对纳米颗粒的暴露。

因此，用于在大范围颗粒尺寸(至多纳米尺寸)内取样和分析气溶胶的方法和装置的开发是在公共卫生和预防相关风险方面的关键问题。

具体而言，取样装置的开发可能证明是必不可少的，其适合于便携式并且固定为用于制造纳米物体或处理纳米材料或使用后者的工作站的工作者的工作服的单元。

存在许多用于取样和收集气溶胶中的悬浮颗粒的装置，以便在现场或在实验室中分析它们。它们可以通过在纤维或多孔膜上过滤来实施收集，通过扩散收集最细颗粒，在惯性力场(冲击器、旋风器、离心机)或重力场(沉降室、洗脱器)的作用下收集最大颗粒，或甚至在电力场、热力场或辐射力场的作用下收集。

在这些装置中，通常使用静电的装置，即其工作原理是基于实现电场，特别是用于产生电晕放电效应的强电场。

当存在气溶胶颗粒的体积中产生强电场时，所述颗粒可以通过两个不同的带电机制来带电，并且这可以同时发生。

出版物[1]，特别是该出版物的第330页的图15.4，显示了与场带电机制相关的单极离子扩散带电机制适用于宽范围的粒径，至少对于尺寸在0.01和10μm之间的颗粒是适用的。同样清楚的是，单极离子扩散带电机制对于最细颗粒(通常是纳米颗粒，即小于100nm的那些)尤其占优势。相反，场带电机制对于大颗粒(即微米尺寸和亚微米尺寸的颗粒(≥300纳米))更有效。

作为实例，如果颗粒的电迁移率(用z表示)被认为是大约1cm²/st.v.s(用cgs静电单位表示)，即为3.3×10^-7m²/v.s(用si单位表示)，于是置于产生10⁵v/m的电场e的两个平的平行板之间的该颗粒达到等于乘积z*e的速度w，即w约为0.033m/s。可以明显看出，静电力产生的速度远远高于颗粒受到的其它力场，即重力场、惯性场、热场和辐射场。这种优势在可市售的静电净化器的操作中加以利用，其中扩散带电和场带电过程可以一起起作用。

带电的气溶胶颗粒需要存在高浓度的单极离子。目前为止在大气中产生这些离子最有效的方法是电晕放电法。

为了产生电晕放电，建立的静电场必须具有使其变得不均匀的几何形状。更具体而言，这种高电场(在放电电极附近为每厘米几千到几万伏特)是由两个彼此靠近设置的电极诱发的：第一偏压电极或称放电电极，通常以线或点的形式布置成朝向第二电极，所述第二电极为对电极的形式，通常具有平的或圆柱形几何形状。这两个电极之间存在的电场使位于电极间空间中的气体体积电离，特别是使位于放电电极周围的电离气体的鞘或环电离。所产生的电荷通过向对电极迁移而使气体中所含的待分离的颗粒带电。这样产生的带电颗粒然后朝向对电极迁移，在对电极上它们可以被收集。该对电极通常被称为收集电极。由于所需的电场水平，需要使用具有(非常)低曲率半径的放电电极。因此所遇到的放电电极通常是细点或小直径线。因此，通过基于由自然照射产生的电子和离子的过程，电子在具有(非常)低的曲率半径的电极附近产生的强电场中被加速。由于施加的高电压，如果该场超过临界值，则雪崩效应导致该空间中的空气电离。这种现象被称为电晕放电。

作为实例，图1a至1e示出了最适于获得电晕放电的电极的一些配置，即分别为点-平面(图1a)、叶片-平面(图1b)、线-平面(图1c)、线-线(图1d)、线-圆筒(图1e)布置。

例如，在点-平面配置中，如果点相对于平面是正的，则电子快速地移向该点，而正离子朝向平面移动，于是产生正的单极空间。此外，建立了离子风，也称为离子的风，其特征在于由正离子与周围的中性分子的碰撞产生的从点到平面引导的气流。

相反地，如果该点相对于平面是负的，则正离子向该点移动，并且电子通过附接至空气分子而向平面移动以便形成负离子。在任何情况下，即使产生正离子或负离子的过程不是完全对称的，单极离子以大约10⁶至10⁹/cm³的高浓度从点朝向平面迁移，并且不管极性如何，产生从点向平面引导的电风。

因此，使用场带电过程将气溶胶颗粒引入点-平面空间使得它们以与该点相同的极性带电。此外，用于产生电晕效应和电风的场也参与场带电过程。

对于图1b到1e中所示的其它配置，用于产生离子和用于颗粒的场带电的过程在所有方面是相似的。

在使分析基于该原则运行的支持下，某些市售的静电沉淀器用于采样和收集颗粒。

例如，已经引用的出版物[1]的第341页上的图15.9示出了允许气溶胶颗粒沉积在电子显微镜网格上的布置，其中颗粒以点-平面配置进行带电和沉淀。

另一实例示于同一出版物[1]的第223页图10.10中，并且以点-平面几何形状实施带电和沉淀技术来在压电晶体上收集气溶胶颗粒。

如已经提到的，单极离子扩散带电机制主要适用于最细颗粒。这种机制在纳米颗粒计量学中越来越多地被实行，特别是用于确定它们的粒度。事实上，许多作者已经研究并继续研究能够提供具有高电迁移率的最细颗粒的器件，以便能够在适应该新领域的仪器中选择它们。具体而言，可以为此引用文章[2]，其回顾了迄今为止所开发的大多数技术，或者甚至出版物[3]的作者所开发的原理，其使用线-圆筒配置，如出版物[4]以及先前的(出版物[5])中所显示那样，最近已经进行了广泛研究。

图2是如出版物[4]中所示的单极离子扩散带电装置(也称为带电器)的示意图，其几何形状为线-圆筒型。带电器10包括：两部分旋转对称的主体1，该两部分支撑形成外部电极的中空金属圆筒11，该外部电极连接至交流电源；和沿着主体的轴布置并且连接至未示出的高压电源的中心金属线12。形成内部电极的圆柱形栅极14也围绕中心线12呈环形布置。含有待带电的颗粒的气溶胶在带电器10中通过穿过空间15从入口孔17到出口孔18循环，所述空间15限定在由栅极形成的内部电极14和由圆筒形成的外部电极11之间。

该带电器10如下运转：通过中心线12上的电晕效应产生离子，且离子被门控(具有低电势，典型地接地)的内部电极14收集。这些离子的一部分由于施加于其的电压而离开该栅极14以朝向周边圆筒11的内表面行进。气溶胶颗粒穿过栅极14和圆筒11之间的空间15，并因此通过离开栅极14的单极离子的扩散而被带电。扩散带电机制作为乘积n*t的函数而运行，其中n代表单极离子的浓度，并且t代表颗粒的停留时间。扩散带电机制是唯一能够进行的机制，原因在于：由于空间15中的电场非常弱，因此不可能具有场带电机制。

值得注意的是，通过单极离子扩散给气溶胶带电的过程允许将给定数量的电荷赋予给定尺寸的颗粒。

该原理也在差示电迁移率分析仪(dma)中实行，其是能够通过计算给定电迁移率分类中的颗粒浓度来提供细颗粒的粒度分布的仪器。例如，这种装置在专利us8044350b2中实行。

从研究现有技术可知，尚未提出如下装置，其允许同时收集气溶胶中含有并且尺寸在宽尺寸范围(通常在几纳米和几十微米之间)内不同的颗粒，并将其分离成有限的尺寸范围，优选将纳米颗粒与微米尺寸的颗粒分离。

存在用于净化气溶胶的各种静电沉淀方法。据发明人所知，这些方法中没有一个允许气溶胶中所含的颗粒根据其有限尺寸范围而收集和分离。

目前，对这种方法存在需要，特别是为了除去细颗粒以仅保留大颗粒。一个具体应用涉及放射性气溶胶对大气污染的测量。

因此，本发明的总体目标是至少部分地满足这种需要。

技术实现要素：

为此，本发明的最初主题是用于选择性净化气溶胶的方法，其包括以下步骤：

-通过优选为圆柱形的导管从其入口孔吸入气溶胶；

-通过在围绕线形式的电极的栅极形式的电极与导管内壁的第一导电部分之间的空间中的单极离子扩散，使入口孔下游的最细颗粒带电；

-在导管内壁的第二导电部分和电极之间的空间中产生没有电晕效应的电场，以便通过沉积在第一收集基板(zn)上而收集被扩散带电器带电的最细颗粒；

-在电极的线或点与导管内壁的第三导电部分之间的空间中产生具有电晕效应的电场，以便通过沉积在与第一收集基板不同的第二收集基板(zm)上而收集未被扩散带电器带电的最大颗粒；

-从导管的出口孔中抽出净化的空气。

该方法可以还包括再循环或再利用在第一基板上收集的最细颗粒和/或在第二基板上收集的最大颗粒的至少一个步骤。

因此，本发明在于静电收集存在于气溶胶中的所有颗粒，但采用将一方面用于通过单极离子扩散使颗粒带电以使最细颗粒带电然后收集最细颗粒的机制、与另一方面用于利用电晕效应进行电场带电以使最大颗粒带电并在与用于最细微粒的收集基板不同的基板上收集最大颗粒。

换句话说，本发明首先在于通过单极离子扩散使细颗粒带电，然后对最大颗粒进行电场带电，并根据它们的尺寸将这样带电的每组颗粒在合适的载体上收集。

因此，本发明允许通过将颗粒沉积在物理上不同的区域中而根据它们的粒度将它们仔细分类。

对于特定应用，根据本发明的方法使得能够分离颗粒的最细部分，同时允许通过最粗糙部分。提出了在某些车间中通过测量放射性气溶胶的大气污染来早期发现事故的应用。

一种替代方式是收集可再用材料的颗粒或收集以颗粒形式存在于气溶胶中的战略性原材料。

根据本发明的有利变型，该方法还包括以下步骤：

a、在时间段t1期间在第一和/或第二收集基板上收集放射性颗粒；

b、在时间段t2期间计数由空间中的空气的电离电流产生的脉冲。

附图说明

通过参考以下附图，在阅读通过非限制性说明提供的详细描述时，其它优点和特征将变得更清楚明显，其中：

-图1a至1e是用于获得电晕放电效果的电极的不同构造的示意图；

-图2是带电装置或单极离子扩散带电器的纵向截面图；

-图3是根据本发明的颗粒收集装置的第一实例的纵向截面示意图。

具体实施方式

在整个本申请中，术语“入口”、“出口”、“上游”和“下游”应参考通过根据本发明的收集装置的抽吸流的方向来理解。因此，入口孔表示吸入含有颗粒的气溶胶的装置的孔口，而出口孔表示空气流离开的孔口。

在前面已经描述了图1a至1e和图2。在下文中不描述它们。

图3示出了根据本发明的用于选择性净化可能含有颗粒的气溶胶的静电装置1的实例。

根据本发明的这种装置允许通过收集最细颗粒(例如纳米颗粒)和最大颗粒(例如微米尺寸的颗粒)两者，同时根据它们的尺寸范围将它们彼此分离来净化气溶胶。

净化装置1首先包括导管11，其是围绕纵向轴线x旋转的中空圆筒，并且在零电势下电连接。

收集装置1在导管11内部在上游至下游方向上在其入口孔17与其出口孔18之间包括四个不同的区段10、20、30、40。

第一区段由单极离子扩散带电器10形成，并且类似于之前参考图2所描述的单极离子扩散带电器。

带电器10因此包括中心电极，该中心电极以线12的形式沿着轴线x延伸，该线12连接至电源13，该电源13传送高电压，从而适于在线12附近产生电晕放电。

它还包括连接至低电压电源16的栅极14形式的外围电极。

在带电器10的下游的区段20包括中心电极，该中心电极以杆22的形式沿着轴线x延伸，该杆22连接至提供中等电压的电源23，以适于在分隔中心电极22和导管11的壁的空间21中产生没有电晕效应的收集电场。与导管壁适形并且形成第一收集基板zn的中空圆筒24围绕与其相对的杆22布置。

在区段20下游的区段30包括中心电极，该中心电极以线32的形式沿着轴线x延伸，该线32连接至高压电源33，以适于在线32附近产生电晕效应，从而在将中心线32与导管11隔开的空间31中产生强电场。与导管壁适形并且形成第二收集基板zm的中空圆筒34围绕与其相对的线32布置。

区段40包括适于防止在导管11中出现漩涡的结构41，例如“蜂窝”结构，并且在下游具有抽吸装置42。取决于结构，根据本发明的收集装置可以省去结构41。

先前参考图3描述的收集装置的操作如下所述。

含有待收集颗粒的空气在抽吸装置42的作用下通过入口孔17被抽吸。

通过单极离子扩散在将栅极14与导管11分开的空间15中使气溶胶的最细颗粒带电。

这些具有高电迁移率的最细颗粒以及具有较低电迁移率的其它较大颗粒进入区段20。

在杆22和圆筒24之间的空间21中产生的没有电晕效应的电场确保最细颗粒收集在圆筒上，同时限定第一收集基板zn。

其它较大颗粒未被收集，并且仍然存在于进入第三区段30的气溶胶中。

然后，在线32的附近和空间31中遍及的强电场的电晕放电作用下使这些最大颗粒带电，并且收集在圆筒34的内壁上，同时限定第二收集基板zm。

净化沉积在第一收集基板zn上的最细颗粒和沉积在第二收集基板zm上的最大颗粒zm两者的空气然后通过装置的出口孔18排出。

一旦进行了预期的收集，每个收集圆筒24、34能够容易地从导管中取出。

根据所期望的应用，然后可以使用常规的物理或物理化学表征技术例如光学或电子显微镜、表面扫描仪、α、β、γ光谱测定法(如果颗粒是放射性的)以及x-射线荧光(xrf)光谱、微x射线荧光(μ-xrf)、激光诱导击穿光谱(libs)等来分析每个基板zn和zm，以便一方面确定最细颗粒的粒径，另一方面确定最大颗粒的粒径，以及它们的浓度、它们的化学组成和/或它们的形态。

一个具体应用涉及检测收集基板上放射性颗粒的存在，而不需要提取它们。

事实上，在收集区段的时间段t1之后，图3中所示的装置使得区段20和30能够作为电离室来运行历时时间段t2。

通过核仪器中常规的合适的电子装置，每个区段20和30中的电离电流的测量使得有可能以双重兴趣检测放射性颗粒的存在：

-通过监测房屋空气的大气污染来及早检测核设施事件，

-将放射性核素分成两个不同大小的部分：空间20中的最细颗粒，空间30中的最大颗粒。

后一点是非常重要的。具体而言，通常需要一方面分离期望检测的气溶胶颗粒(例如其中气溶胶的尺寸大约为5μm(中值气动直径)的工作室中的钚颗粒)，另一方面分离承载有形成不需要的背景扰音的氡子体的天然气溶胶(更细的气溶胶)。这种自然背景扰音可能掩盖了痕量的所需放射性核素的测量。

这种分离的优点在参考文献[6]中第647页的标题为“减轻氡子体干扰(mitigationofinterferencefromradonprogeny)”的段落中以及文章[7]中的工作中有明确说明。

在不脱离本发明的范围的情况下，可以实行其它变形和改进，尤其对于其中需要将气溶胶分成两个不同粒度级别的优点的其它应用，特别是用于重新使用在第一基板上收集的最细颗粒和/或在第二基板上的最大颗粒。

本发明不限于上述实例，特别地，所示实例的特征可以组合成未示出的变形。

参考文献

[1]:w.hinds,"aerosoltechnology",2^ndedition,1999.

[2]:p.intraandn.tippayawong,"aerosolanairqualityresearch",11:187-209,2011.

[3]:g.w.hewitt,"thechargingofsmallparticlesforelectrostaticprecipitation",aieetrans.,76:300-306,1957.

[4]:g.biskos,k.reavell,n.collings,"electrostaticcharacterisationofcorona-wireaerosolchargers",j.electrostat.63:69-82,2005.

[5]:d.y.h.pui,s.fruin,p.h.mcmurry,"unipolardiffusionchargingofultrafineaerosols",aerosolsciencestechnology8:173-187,1988.

[6]:p.kulkarni,p.a.baron,k.willeke,“aerosolmeasurement”3^rdedition2011.

[7]:c.monsanglant-louvet,f.gensdarmes,n.liatimi,s.pontreau.“evaluationdesperformancesdesmoniteursdecontaminationatmosphériqueenconditionsréellesdefonctionnement”[evaluationoftheperformanceofatmosphericcontaminationmonitorsunderrealoperatingconditions],scientificandtechnicalreport,irsn:251-259,2008。