气溶胶浓缩富集系统的制作方法

本发明属于提高气流中的小颗粒物的浓度技术领域，尤其涉及一种气溶胶浓缩富集系统。

背景技术：

随着社会经济的发展和人们生活水平的提高，工厂和汽车排放的废气越来越多，容易使大气浑浊，视野模糊并导致能见度恶化，从而出现雾霾天气。雾霾主要由二氧化硫、氮氧化物和可吸入颗粒物这三项组成，它们与雾气结合在一起，让天空瞬间变得阴沉灰暗。二氧化硫、氮氧化物为气态污染物，可吸入颗粒物才是加重雾霾天气污染的罪魁祸首。颗粒物的英文缩写为PM，北京监测的是PM2.5，也就是空气动力学当量直径小于等于2.5微米的污染物颗粒。这种颗粒本身既是一种污染物，又是重金属、多环芳烃等有毒物质的载体，若人体吸收这些颗粒物，将会对人体造成的伤害不得而知，因此研究大气中污染物颗粒的潜在危险势在必行。

为了研究污染物颗粒的危害性，通常使动物吸收这些污染物颗粒，观察动物的反映和对动物进行解剖等来了解雾霾中的颗粒物的危害性。然而，这些颗粒物在大气中的浓度相对较低，若直接用于动物实验，需要的周期长，效果不够明显。如何有效地采集大气中的PM2.5微粒，并将大气中的PM2.5微粒应用于动物口鼻或全身暴露实验是亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的旨在提供一种气溶胶浓缩富集系统，能够采集气流中空气动力学当量直径在某值以下的颗粒物，并能够提高这些颗粒物的浓度，以对空气中的小颗粒物进行浓缩富集。

为此，本发明提供了一种气溶胶浓缩富集系统，该气溶胶浓缩富集系统可包括：

冲击切割器，配置成接收气流，并至少部分地去除所述气流中空气动力学当量直径大于第一预设值的颗粒物；

水浴装置，配置成接收来自所述冲击切割器的气流，以使来自所述冲击切割器的气流与所述水浴装置产生的水蒸气混合；

至少一个冷冻装置，每个所述冷冻装置配置成接收来自所述水浴装置的混合气流并降低所述混合气流的温度，以使所述混合气流中至少部分颗粒物的空气动力学当量直径增长至大于或等于第二预设值；和

至少一个浓缩分离装置，每个所述浓缩分离装置配置成接收来自一个所述冷冻装置的气流，并将来自该冷冻装置的气流分流成第一气流和第二气流，且使来自该冷冻装置的气流中、空气动力学当量直径增长至大于或等于第二预设值的所有颗粒物的部分或全部位于所述第一气流中。

进一步地，所述气溶胶浓缩富集系统还包括：干燥装置，配置成接收和干燥来自所述至少一个浓缩分离装置的所述第一气流。

进一步地，所述气溶胶浓缩富集系统还包括：第一气泵，配置成从所述干燥装置中抽吸所述第一气流；和第二气泵，配置成从所述至少一个浓缩分离装置中抽吸所述第二气流。

进一步地，所述气溶胶浓缩富集系统还包括：第一流量控制器，设置在所述第一气泵的进气管路上；和第二流量控制器，设置在所述第二气泵的进气管路上。

进一步地，每个所述冷冻装置包括外管和在所述外管内延伸的内管，所述内管的两端分别与所述水浴装置和一个所述浓缩分离装置连通，所述外管内壁和所述内管外壁之间限定的通道用于传冷介质的流动。

进一步地，所述水浴装置包括：水浴箱，其具有顶盖，每个所述冷冻装置竖直地安装于所述顶盖，且每个所述冷冻装置的内管与所述水浴箱的内部空腔连通；和加热装置，配置成加热所述水浴箱内的水。

进一步地，每个所述浓缩分离装置包括一个或多个虚拟切割器，每个所述虚拟切割器具有气流进口、第一气流出口和第二气流出口，且所述多个虚拟切割器中每个所述虚拟切割器的第一气流出口与邻接于其下游的所述虚拟切割器的气流进口连通。

进一步地，每个所述虚拟切割器包括：

壳体，其内限定有容纳空腔，其上开设有所述第二气流出口和排水口；

第一喷嘴，伸入所述容纳空腔，其一端为所述气流进口，且所述第一喷嘴的至少部分管段限定的气流通道沿着其内气流流向的方向逐渐缩小；和

第二喷嘴，其至少部分位于所述容纳空腔内，并与所述第一喷嘴同轴间隔地设置，所述第二喷嘴的远离所述第一喷嘴的一端为所述第一气流出口，且所述第二喷嘴的至少部分管段限定的气流通道沿着其内气流流向的方向逐渐扩大。

进一步地，所述冷冻装置和所述浓缩分离装置均为5个；且

所述气溶胶浓缩富集系统还包括五合一收集器，所述五合一收集器具有五个分别与一个所述浓缩分离装置的第一气流出口连通的收集器进口和与一个用于排出所述第一气流的收集器出口。

进一步地，所述干燥装置内限定有用于通过所述第一气流的第一通道和用于通过干燥气体的第二通道，以使所述干燥气体对所述第一气流进行干燥；且

所述气溶胶浓缩富集系统还包括第三流量控制器，配置成调节所述干燥气体的流量，以使从所述气溶胶浓缩富集系统流出的所述第一气流具有预定的湿度值。

本发明的气溶胶浓缩富集系统因为能够使大气中的小颗粒物长大，以有效地将大气中的小颗粒物随小部分气流分离出来，显著提高了小颗粒物的浓度。而且，本发明的气溶胶浓缩富集系统能够将这些长大后的小颗粒物进行干燥，从而使这些长大后的小颗粒物恢复原状，达到和空气中相同的粒径分布。

本发明的气溶胶浓缩富集系统特别适用于对PM2.5微粒的浓缩收集，显著提高了PM2.5微粒的浓度，以便于研究大气中PM2.5微粒对人体的危害程度。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1为根据本发明一个实施例的气溶胶浓缩富集系统的示意性结构图；

图2为根据本发明一个实施例的气溶胶浓缩富集系统的示意性局部结构剖视图；

图3为图2所示A处的示意性局部放大图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对具体实施例进行详细描述。

图1为根据本发明一个实施例的气溶胶浓缩富集系统的示意性结构图，如图1所示，本发明实施例提供了一种气溶胶浓缩富集系统。该气溶胶浓缩富集系统包括冲击切割器100、水浴装置200、至少一个冷冻装置300和至少一个浓缩分离装置400。

具体地，冲击切割器100配置成接收气流，并至少部分地去除气流中空气动力学当量直径大于第一预设值的颗粒物。水浴装置200配置成接收来自冲击切割器100的气流，以使来自冲击切割器100的气流与水浴装置200产生的水蒸气混合，同时可使气流升温。每个冷冻装置300配置成接收来自水浴装置200的混合气流并降低该混合气流的温度，以使混合气流中至少部分颗粒物的空气动力学当量直径增长至大于或等于第二预设值。也就是说水浴装置200和冷冻装置300能够使混合气流中的颗粒物结核长大。

每个浓缩分离装置400配置成接收来自一个冷冻装置300的气流，并将来自该冷冻装置300的气流分流成第一气流和第二气流。特别地，每个浓缩分离装置400可使来自相连接的冷冻装置300的气流中、空气动力学当量直径增长至大于或等于第二预设值的所有颗粒物的部分或全部位于所述第一气流中。这里的说的部分是指大部分、约大于或等于全部的85%。在这里需要注意的是，所述第一气流中也可能会包括少量的、空气动力学当量直径增长至小于第二预设值的颗粒物。每个浓缩分离装置400同时也使来自相连接的冷冻装置300的气流中、空气动力学当量直径增长小于第二预设值的所有颗粒物的部分或全部位于所述第二气流中。即每个浓缩分离装置400在整个气溶胶浓缩富集系统中起到分离空气动力学当量直径的重要作用。

进一步地，为了使结核长大的颗粒物恢复原来的空气动力学当量直径，本发明实施例中的气溶胶浓缩富集系统还可包括干燥装置500，配置成接收和干燥来自所述至少一个浓缩分离装置400的第一气流。在一些实施例中，该干燥装置内限定有用于通过所述第一气流的第一通道和用于通过干燥气体的第二通道，以使所述干燥气体对所述第一气流进行干燥。例如，该干燥装置500可包括限定有干燥空间的干燥管和Nafion隔膜。Nafion隔膜也可被称为透水不透气膜，配置成将干燥空间分割成用于通过第一气流的第一通道和用于通过干燥气体的第二通道。干燥气流和第一气流在所述干燥空间内逆向流动，以提高干燥效率。进一步地，该干燥装置500也可包括真空泵，其进口与第二通道的出口连通，以使干燥气体在第二通道内流动。为了进一步提高干燥效率，该干燥装置也可包括加热装置，设置在干燥管的第二通道的上游。为了防止流出干燥装置的第一气流不至于过度干燥，本发明实施例的气溶胶浓缩富集系统还可包括第三流量控制器，配置成调节干燥气体的流量，以使从气溶胶浓缩富集系统流出的第一气流具有预定的湿度值。在一些替代性实施例中，干燥装置可包括干燥管和位于干燥管内的干燥剂，干燥剂可作成筒状结构，以使第一气流从筒状干燥剂的中央通孔内流过。

在本发明的一些实施例中，气溶胶浓缩富集系统还可包括两个气泵，如第一气泵610和第二气泵620。第一气泵610的进口与干燥装置500的用于流出第一气流的出口连通，以从干燥装置500中抽吸第一气流。第二气泵620的进口与浓缩分离装置400的用于流出第二气流的出口连通，以从至少一个浓缩分离装置400中抽吸第二气流。第一气泵610和第二气泵620为整个系统提供动力。进一步地，可分别在第一气泵610和第二气泵620的进气管路上设置第一流量控制器810和第二流量控制器820，以控制第一气流和第二气流的流量。

在本发明的气溶胶浓缩富集系统中，例如可使第一预设值大于第二预设值，如第一预设值为4微米，第二预设值为2.5微米，通过冲击切割器100将原始气流中空气动力学当量直径大于4微米的颗粒物去除。水浴装置200和至少一个冷冻装置300可使气流中剩余的颗粒物结核长大，部分或全部颗粒物的空气动力学当量直径增长至大于或等于2.5微米。至少一个浓缩分离装置400使来自至少一个冷冻装置300的气流中、空气动力学当量直径增长至大于或等于第二预设值的所有颗粒物的部分或全部位于第一气流中，被富集浓缩。也就是说，本发明的气溶胶浓缩富集系统可将原始气流中空气动力学当量直径在4微米以下颗粒物浓缩富集。

再例如，可使第一预设值等于第二预设值，如第一预设值为2.5微米，第二预设值为2.5微米，通过冲击切割器100将原始气流中空气动力学当量直径大于2.5微米的颗粒物去除。水浴装置200和至少一个冷冻装置300可使气流中剩余的颗粒物结核长大，部分或全部颗粒物的空气动力学当量直径增长至大于或等于2.5微米。至少一个浓缩分离装置400使来自至少一个冷冻装置300的气流中、空气动力学当量直径增长至大于或等于第二预设值的所有颗粒物的部分或全部位于第一气流中，被富集浓缩。也就是说，本发明的气溶胶浓缩富集系统可将原始气流中空气动力学当量直径在2.5微米以下的颗粒物浓缩富集，显著提高了对原始气流中的小颗粒物进行浓缩富集的精确性。

本发明实施例的气溶胶浓缩富集系统主要应用于对大气中的小颗粒物进行浓缩富集，以将浓缩富集后的颗粒物应用到动物实验中，观察大气中的小颗粒物的危害程度。在此，就以大气为例说明该气溶胶浓缩富集系统的工作过程。具体如下：

开启第一气泵610和第二气泵620，使原始大气以1000L/min的流量高速进入冲击切割器100中，被冲击切割器100作用后将空气动力学当量直径大于第一预设值（如2.5微米）的颗粒物去除或滤除，仅留下空气动力学当量直径小于或等于第一预设值的颗粒物，如PM2.5微粒，PM2.5微粒在水浴装置200内充分吸收水分，然后在冷冻装置300被冷却后颗粒物结核长大，此时大部分PM2.5微粒的空气动力学当量直径可增长在3至4微米之间。经过浓缩分离装置400的分离，可将几乎不含微粒的大量空气以980L/min的流量排出，即将第二气流排出；含有PM2.5微粒的小流量空气，即第一气流，以20L/min的流量进入干燥装置500后被干燥，长大后的PM2.5微粒还原为原来的大小。由于经过浓缩分离装置400后，包含了空气中几乎全部PM2.5微粒的气流流量减少，即使PM2.5微粒的浓度增加，达到富集浓缩的效果，以便于动物口鼻暴露实验、全身暴露实验等。

图2为根据本发明一个实施例的气溶胶浓缩富集系统的示意性局部结构剖视图；图3为图2所示A处的示意性局部放大图。如图2和图3所示，本发明实施例中的冲击切割器100可包括冲击切割器外壳110、具有纱网的阻虫纱网罩120、第一喷嘴板130、第一捕集板140、第二喷嘴板150和第二捕集板160。冲击切割器100外壳具有顶部气流进口和底部气流出口。阻虫纱网罩120安装于冲击切割器100外壳的顶部气流进口，原始大气可以通过阻虫纱网罩的纱网进入冲击切割器100外壳内，阻虫纱网罩可以防止昆虫以及草叶、飞絮等物质被吸入到冲击切割器100外壳内而堵塞气路。第一喷嘴板130、第一捕集板140、第二喷嘴板150和第二捕集板160均具有一个或多个小孔，且从上向下依次平行间隔地设置于冲击切割器外壳110内。

在本发明实施例中，冲击切割器100的工作过程可为：原始大气进入冲击切割器100时被阻虫纱网罩120的纱网拦截掉空气中的杂质。然后从第一喷嘴板130的多个小孔喷出，空气动力学当量直径大于第三预设值的颗粒物被捕获在第一捕集板140上。气流继续前进并从第二喷嘴板150的多个小孔喷出，空气动力学当量直径大于第一预设值的颗粒物被捕获在第二捕集板160上。其余气流从底部气流出口流出冲击切割器100，以进入水浴装置200。在本发明实施例中，第一预设值可为2.5微米，第三预设值可为10微米。在本发明的一些替代性实施例中，该冲击切割器100也可只包括一个喷嘴板和一个捕集板。当然，在另一些替代性实施例中，该冲击切割器100中喷嘴板和捕集板的数量可分别为三个或者三个以上。

在本发明的一些实施例中，每个浓缩分离装置400包括一个或多个虚拟切割器410；每个虚拟切割器410具有气流进口、第一气流出口和第二气流出口。当虚拟切割器410的数量为多个时，每相邻的两个虚拟切割器中处于上游的虚拟切割器的第一气流出口与另一虚拟切割器的气流进口连通，也就是说，多个虚拟切割器中每个虚拟切割器的第一气流出口与邻接于其下游的虚拟切割器的气流进口连通。

如图3所示，每个虚拟切割器410可包括壳体411、第一喷嘴412和第二喷嘴413。壳体411内限定有容纳空腔，壳体411上开设有第二气流出口。第一喷嘴412伸入容纳空腔，其一端为气流进口，且第一喷嘴412的至少部分管段限定的气流通道沿着其内气流流向的方向逐渐缩小。第二喷嘴413的至少部分位于容纳空腔内，并与第一喷嘴412同轴间隔地设置，第二喷嘴413的远离第一喷嘴412的一端为第一气流出口，且第二喷嘴413的至少部分管段限定的气流通道沿着其内气流流向的方向逐渐扩大。

每个虚拟切割器410的工作过程可为：气流进入每个虚拟切割器410后，空气动力学当量直径较大的微粒由于惯性会随着第一气流进入第二喷嘴413内。又由于第一喷嘴412的出口与第二喷嘴413的入口之间留出的通气间隙，第二气流以及其携带的空气动力学当量直径较小的微粒从该通气间隙流出。在本发明实施例中，第二预设值也可为2.5微米。

在本发明的一些实施例中，为了便于每个所述虚拟切割器410的壳体内的聚集的水分的排出，壳体411上还开设有排水口，排水口可安装一排水管414。

在本发明的一些实施例中，每个冷冻装置300可包括外管310和在外管310内延伸的内管320，内管320的两端分别与水浴装置200和一个浓缩分离装置400连通，外管310内壁和内管320外壁之间限定的通道用于传冷介质的流动。进一步地，本发明实施例的气溶胶浓缩富集系统具有一个总的制冷装置900，制冷装置900用于提供传冷介质。当冷冻装置300的数量为多个时，制冷装置900提供的传冷介质可分流为多路，同时流经每个冷冻装置300，对内管320内的气流冷却后，流回制冷装置900。可选地，制冷装置900提供的传冷介质可为一路，依次流经多个冷冻装置300后，对各个内管320内的气流依次冷却后，在流回制冷装置900。传冷介质可为盐水、防冻液或其他凝固点低于-10℃的溶液等。在本发明实施例的附图中，制冷装置900与各个冷冻装置300之间的管路未示出。

在本发明的一些实施例中，为了保证冷冻装置的冷冻效果，每个冷冻装置的外管410的外周壁上可设置保温层330。

在本发明的一些实施例中，如图2所示，水浴装置200可包括水浴箱210和加热装置220。水浴箱210其具有顶盖211。每个冷冻装置300竖直地安装于顶盖211，且每个冷冻装置300的内管320与水浴箱210的内部空腔连通。加热装置220配置成加热水浴箱210内的水。加热装置220可为电加热棒，设置于水浴箱210内。

在本发明的一些实施例中，每个浓缩分离装置400可设置在一个相应冷冻装置300的顶部。每个浓缩分离装置400的气流进口与冷冻装置300的内管320同轴设置，且与内管320的上端开口固定连接。进一步地，冷冻装置300和浓缩分离装置400可均为5个。气溶胶浓缩富集系统还包括五合一收集器710，五合一收集器710具有五个分别与一个浓缩分离装置400的第一气流出口连通的收集器进口和与一个用于排出第一气流的收集器出口。气溶胶浓缩富集系统还可包括多合一收集器720，该多合一收集器720具有多个分别与一个虚拟切割器410的第二气流出口连通的收集器进口和与一个用于排出第二气流的收集器出口。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，所做出的任何改进和润饰也应视为本发明的保护范围。