一种基于二甘醇与水的颗粒物冷凝计数器与方法

本发明属于颗粒物冷凝计数，涉及一种基于二甘醇与水的颗粒物冷凝计数器与方法。

背景技术：

1、超细颗粒物是指直径小于等于100nm的颗粒物。超细颗粒物在大气颗粒物数浓度方法占主导地位，是大气云凝结核的主要来源之一，其数浓度对于对云的形成与地表辐射强迫有较大影响。超细颗粒物对大气灰霾的形成也有重要的影响，相较于其他大气颗粒物而言，超细颗粒数的比表面积极大，每单位质量的颗粒物具有更多吸附或冷凝其他大气污染物如有机物、金属等的能力，具有更高的化学活性。大气超细颗粒物对于人体健康的影响很大，由于其体积很小，这些颗粒物能够渗透细胞膜并沉积在次级免疫器官以及脑组织之中，带来严重的健康问题。对超细颗粒物的准确测量是评估其气候、环境与健康效应的前提。

2、基于颗粒物光学散射光学计数器只能检测几百纳米至微米级的颗粒物，而不能检测检测到超细颗粒物。对于超细颗粒物，它的测量通常是在过饱和蒸气区域通过将工作气体冷凝到颗粒上而使纳米级颗粒物增长到几微米，然后再通过光学手段检测颗粒。关于颗粒物计数器的研究最早出现在十九世纪，当时aitken利用过饱和水蒸气凝结在颗粒物上使颗粒物直径增大，直至颗粒物由于重力沉淀，再通过人工进行计数(aitken j.i.—on thenumber of dust particles in the atmosphere[j].earth and environmental sciencetransactions of the royal society of edinburgh,1889,35(1):1-19.)。到二十世纪vonnegut利用颗粒物对光的散射进行计数，使得实验计数过程更为简便，实验结果更为精确。该方法在二十世纪后期被商业化应用。第一个连续流冷凝颗粒物计数器是在1976年由bricard制造(bricard j,delattre p,madelaine g,et al.detection of ultra-fineparticles by means of a continuous flux condensation nuclei counter[j].fineparticles,1976:565-80.)，该仪器利用如丁醇或碳氟化合物等传热速率低于空气的凝结蒸气凝结空气流中的颗粒物，再通过光学颗粒物计数器进行计数。目前，最为精确的基于有机蒸气的冷凝计数器将基于二甘醇的颗粒物增长管与基于丁醇颗粒物计数器串行使用，可以检测粒径低至1nm的颗粒物(iida k,stolzenburg m r,mcmurry p h.effect ofworking fluid on sub-2nm particle detection with a laminar flow ultrafinecondensation particle counter[j].aerosol sci technol,2009,43(1):81-96.)。然而这种冷凝计数器存在两个问题，一是造价十分高昂，二是该仪器将二甘醇增长管与丁醇两种增长管分置于两个箱体中，所占体积较大。目前该仪器主要应用于实验室前沿科学研究中。

3、相比于使用醇类物质，水的成本更低也更为便捷。使用水作为颗粒物计数器的工作液的概念是在1981年提出的，为解决水的传热速率高于空气的问题，1982年kousaka发明了一种水醇混合冷凝颗粒物计数器(kousaka y,niida t,okuyama k,et al.developmentof a mixing type condensation nucleus counter[j].j aerosol sci,1982,13(3):231-40.)。parsons等人于2001年研发出以水为工作液、高采样流量的凝结增长装置(parsons c,mavliev r.design and characterization of a new,water-based,highsample-flow condensation nucleus counter[j].aerosol sci technol,2001,34(4):309-20.)。在2005年，hering和stolzenburg提出了在热扩散层流中通过水凝结放大粒径的理论基础(hering s v,stolzenburg m r,quant f r,et al.a laminar-flow,water-based condensation particle counter(wcpc)[j].aerosol sci technol,2005,39(7):659-72.)，并发明了一种连续层流水基冷凝颗粒物计数器(wcpc)，在第一段调节器控制温度在20℃左右，在第二段生长管控制温度在80-90℃，使生长管中间形成过饱和水蒸气，便于凝结在气流中的颗粒物上，再利用散射原理进行计数，使得能够激活的粒子尺寸低至3nm。2014年，hering等提出了凝结生长的缓和腔的新概念，用于减少增加的热量和水蒸气(hering s v,spielman s r,lewis g s.moderated,water-based,condensationalparticle growth in a laminar flow[j].aerosol sci technol,2014,48(4):401-8.)，并在2019年运用这一概念制造了具有三个温度阶段的水基冷凝颗粒物计数器，从低温到高温再到低温的设计使得水蒸气通过毛细管实现自动回收且保持过饱和状态，在不对水进行处理的情况下，可以实现持续六周的运作，其能够激活的粒子尺寸最低为5nm(hering s v,lewis g s,spielman s r,et al.a magic concept for self-sustained,water-based,ultrafine particle counting[j].aerosol sci technol,2019,53(1):63-72.)。

4、在对于颗粒物生成过程的科学研究当中，经常需要对粒径为1-3nm的颗粒物数浓度进行测量。然而，现有检测限低小于3nm的颗粒物计数器存在体积较大、造价高、不适合大规模应用等缺点，同时由于现有颗粒物计数器多使用有机蒸气进行颗粒物检测，容易造成二次污染等。因此，需要开发低检测限、成本低、污染小的颗粒物计数器。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了提供一种基于二甘醇与水的颗粒物冷凝计数器与方法，其对最小颗粒物的检测限更低，同时，检测效率高，造成的二次污染小等。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、本发明的技术方案之一提供了一种基于二甘醇与水的颗粒物冷凝计数器，包括：

4、粒子增长组件，其包括依次连接设置并形成有供带颗粒物的载气通过的气体通道的第一加热段、第一制冷段、第二加热段和第二制冷段，所述第一加热段和第二加热段中还分别提供有二甘醇和水；

5、温度控制组件，其用于独立控制所述第一加热段、第一制冷段、第二加热段和第二制冷段的温度；

6、光学计数组件，其用于对从粒子增长组件出来的含颗粒物的气体进行检测计数。

7、进一步的，所述第一加热段、第一制冷段、第二加热段和第二制冷段的中间位置设有依次连通的贯穿孔，并形成所述气体通道。

8、更进一步的，所述第一加热段、第一制冷段、第二加热段和第二制冷段均包括一开设有贯穿孔的金属块，所述金属块与所述温度控制连接，并由其控制温度。

9、更进一步的，所述第一加热段上设有与所述气体通道相连通的气体入口，所述第二制冷段上设有与所述气体通道相连通的气体出口。

10、进一步的，所述第一加热段与第一制冷段中放置有一段吸附二甘醇的多孔材料，所述第二加热段和第二制冷段中放置有一段吸附水的多孔材料。

11、进一步的，所述第一加热段、第一制冷段、第二加热段和第二制冷段中，两两之间采用隔热材料层隔开，所述隔热材料层中间还设有用于连通两侧气体通道的气体通孔。

12、更进一步的，位于第一制冷段和第二加热段之间的隔热材料层中的气体通孔的内径小于其两侧气体通道的内径。

13、进一步的，所述温度控制组件包括加热片、制冷片、散热片、风扇、以及测定温度的温度传感器。

14、进一步的，所述光学计数组件包括用于对增长后的颗粒物进行计数的通用型的光学粒子计数器。

15、本发明的技术方案之二提供了一种基于二甘醇与水的颗粒物冷凝计数方法，其基于如上任一所述的颗粒物冷凝计数器实现，其特征在于，该方法包括以下步骤：

16、(1)带有纳米颗粒的载气送入粒子增长组件的第一加热段内，温度升高并处于二甘醇蒸气环境下，随后进入第一制冷段形成二甘醇的过饱和环境，使得二甘醇包裹纳米颗粒，实现粒径一次增长；

17、(2)粒径一次增长后的纳米颗粒接着随气体进入过饱和水蒸气环境的第二加热段，由水蒸气继续包裹纳米颗粒，实现粒径二次增长，随后送入第二制冷段，回收水蒸气；

18、(3)经过两次粒径增长的纳米颗粒随气体进入光学计数组件，得到实时颗粒物浓度，完成检测。

19、本发明的工作原理如下：

20、微米以上的颗粒物通常是由激光束对粒子的散射来测量的，然而，较小的粒子散射的光较少，因此很难被检测到。为了测量纳米尺寸范围内的粒子，本发明将粒子暴露在过饱和的蒸气中，蒸气在粒子上凝结，使它们生长到1-10μm的大小从而能够被光散射检测到。

21、气体由入口进入后，首先进入第一加热段，温度升高且二甘醇蒸气浓度较大，随后进入第一制冷段，由于二甘醇的传质速率小于传热速率，因此在制冷段形成二甘醇的过饱和环境，二甘醇包裹纳米颗粒，使其粒径增长。随后被制冷过的气体进入水蒸气浓度较大的第二加热段，由于水的传质速率大于传热速率，因此在这段加热段中形成水蒸气的过饱和环境，水蒸气包裹已经增长过的颗粒物，使其增长到更大的直径以能够被光学计数器所检测到。最后进入第二制冷段，其目的是回收水蒸气，实现水的循环利用。随后气体由出口进入光学计数组件，光学计数组件对气体中的颗粒物散射并产生相应的波形，对于波形中的峰进行计数后连接计算机即可得到实时颗粒物浓度，即检测完成。

22、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

23、(1)绿色环保：市面上广泛存在的颗粒物冷凝计数器均采用有机蒸气进行颗粒物检测，vocs类挥发性气体污染不仅伴随着异味问题，还对人员健康和周边环境产生极高风险。本发明的颗粒物增长组件仅在前段采用少量二甘醇试剂，在后段采用蒸馏水进行颗粒物增长，由于二甘醇挥发性很低，可以在很大程度上减少了易造成污染的有机试剂的用量，起到了减少污染环境的作用；相较于常用的正丁醇而言，二甘醇的挥发性很低，饱和蒸气压也很低，因此不易进入空气中。

24、(2)高效：相较于其他颗粒物冷凝计数器而言，本发明能检测到的最小颗粒物的直径更低，从而具有更高的检测效率；相较于其他商业颗粒物冷凝计数器而言，本发明对于空气中的颗粒物的检测效率更高。

25、(3)合理的设计：本发明不仅具有操作简单、温度参数可调节等特点，而且可以实时显示现有的颗粒物浓度，对于浓度变化的敏感度高。

26、(4)可靠性高：器件本身线路结构清晰合理,可长期无故障运行。