一种基于粒径的栅格分级筛选空气中颗粒物的装置的制作方法

本实用新型涉及一种筛选空气中颗粒物的装置，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：

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0.1um～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100um的颗粒物；粗颗粒为粒径小于10um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；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0.1um～1um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1um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。

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。

(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。环境空气由采样泵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PM2.5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。

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。

技术实现要素：

针对上述现有技术皆有的缺点，本实用新型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。

一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，每列所述微柱整体呈梯形状，每级所述微柱之间下端设置有出口。

所述出口下方设置有收集装置。

每相邻两级所述微柱下端设置有几字形阻隔结构。

所述微柱的横截面为直角梯形，所述微柱靠近所述进气口端为倾斜面。

每列微柱的所述倾斜面整体在同一平面上。

每两列所述微柱之间以间距可调的方式设置。

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。

同列所述两微柱之间以间距均匀的方式设置。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：(1)本实用新型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)本实用新型的微柱横截面采用直角梯形，利用沿斜面的分力改变被阻截的颗粒的运动方向来完成分离过程；(3)本实用新型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)本实用新型每级采用多排微柱，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)本实用新型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

图1为本实用新型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。

图2为图1的I局部图。

图3为本实用新型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

下面结合具体实施例进一步说明本实用新型的技术方案。

一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整体呈梯形状，每级所述微柱6之间下端设置有出口。

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的横截面为直角梯形，所述微柱靠近所述进气口端为倾斜面9。

每列微柱6的所述倾斜面9整体在同一平面上，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。

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，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整体呈梯形状，每级所述微柱之间下端设置有出口。

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的横截面为直角梯形，所述微柱6靠近所述进气口端为倾斜面9。

每列微柱6的所述倾斜面整体在同一平面上，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。

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d₁＝10um，粒径＞10um的颗粒被阻截。每个微柱6近空气进口端为倾斜面，每排微柱6的倾斜面9在同一平面上，且倾斜角为10°-45°。因此被阻截的颗粒与倾斜面碰触后，在沿倾斜面9的分力的作用下沿倾斜面滑落而被筛分出来；粒径≤10um的颗粒在清洁空气流和惯性的作用下穿过1-3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＝1um，粒径2.5um-10um的颗粒物和粒径1um-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≤1um的颗粒物，因此，粒径≤1um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＞10um，2.5um-10um，1um-2.5um和≤1um，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。

本实用新型具有如下优点：(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10um、2.5um、1.0um，微柱6的前后间距统一为20um。微柱6高5um-20um，横截面为直角梯形，梯形高5um-20um，第一列微柱6的直角梯形横截面的长底边长20um。每个微柱6近空气进口端为倾斜面，每列微柱6的倾斜面9在同一平面上，倾斜角为10°-45°；(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。

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。

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实用新型权利要求的保护范围之内。