一种低温凝固浓缩收集气溶胶装置及其运行方法
阅读说明：本技术 一种低温凝固浓缩收集气溶胶装置及其运行方法 (Low-temperature solidification, concentration and aerosol collection device and operation method thereof ) 是由 李佩儒 丁宇 刘佳 李�杰 张佳严 陆天枢 李雨微 杨淋玉 赵兴强 于 2020-12-31 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种低温凝固浓缩收集气溶胶装置及其运行方法,低温凝固浓缩收集气溶胶装置包括气体减速舱、气体滞留舱、气溶胶加速舱、气体湿热流雾化舱、气体冷冻舱和收集舱；所述气体减速舱中设置互相交错的折叠通道碰撞板；所述气体滞留舱设置覆盖通气口的可震动滤膜；所述气溶胶加速舱为夹层结构,夹层内设置热水流循环,腔内设置鼓风机；所述气体湿热流雾化舱上侧和入口处设置针管式雾化喷头；所述气体冷冻舱循环制冷,使浓缩的含气溶胶液滴凝固成冰颗粒。通过低温凝固彻底分离含气溶胶冰颗粒与气流,并且通过提高气溶胶与喷雾雾汽的混合效率、控制雾汽浓度减少水分对于气溶胶的稀释效果,形成浓缩气溶胶,便于收集、分析与检测。(The invention discloses a low-temperature solidification concentration and collection aerosol device and an operation method thereof, wherein the low-temperature solidification concentration and collection aerosol device comprises a gas deceleration cabin, a gas retention cabin, an aerosol acceleration cabin, a gas damp and hot flow atomization cabin, a gas freezing cabin and a collection cabin; folding channel collision plates which are mutually staggered are arranged in the gas deceleration cabin; the gas detention cabin is provided with a vibratable filter membrane covering the vent; the aerosol acceleration cabin is of a sandwich structure, hot water flow circulation is arranged in a sandwich layer, and a blower is arranged in a cavity; needle tube type atomizing nozzles are arranged at the upper side and the inlet of the gas damp and hot flow atomizing cabin; the gas freezing chamber performs circulating refrigeration to enable the concentrated aerosol-containing solution drops to be solidified into ice particles. The aerosol-containing ice particles and the air flow are thoroughly separated through low-temperature solidification, and the dilution effect of water on the aerosol is reduced by improving the mixing efficiency of the aerosol and the mist of the spray and controlling the concentration of the mist, so that the concentrated aerosol is formed, and the collection, analysis and detection are facilitated.)
技术领域
本发明涉及气溶胶收集领域，具体涉及一种低温凝固浓缩收集气溶胶装置及其运行方法。
背景技术
空气污染物按其存在状态可分为气态污染物和气溶胶状态污染物。气溶胶状态污染物是指固态粒子、液态粒子或其结合粒子分散并悬浮在气体介质中，形成的空气动力学当量直径约在0.001~100μm的污染物粒子。该粒子本身是一种污染物，也是重金属、多环芳烃等有毒物质的载体，存在潜在的危害，需要对其进行收集、检测、分析。
现有的气溶胶收集方法包括膜采集法、撞击式分级采样法、蒸汽喷射收集技术等。CN101315314A公开了一种大气气溶胶捕集方法及装置，利用蒸汽与气溶胶混合使气溶胶吸湿长大，进入蛇形冷却器冷却形成溶液，气流与气溶胶冷凝形成的溶液在气溶胶撞击收集器中实现气液的分离以及气溶胶的收集，实现气溶胶的快速捕集及其化学成分的在线分析。但过量蒸汽与气溶胶混合会稀释气溶胶内物质含量，不利于分析检测；且气溶胶冷凝形成的溶液与气流分离通常不够彻底，还需借助撞击分离技术。因此，可进一步改进构造，开发一种快速高效收集浓缩气溶胶的装置和方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低温凝固浓缩收集气溶胶装置及其运行方法，将气溶胶与喷雾雾汽混合、降温凝固形成含气溶胶冰颗粒，与气流彻底分离且便于后续收集、分析检测；并且通过提高气溶胶与喷雾雾汽的混合效率、控制雾汽浓度减少水分对于气溶胶的稀释效果，形成浓缩气溶胶，减小分析检测误差。
本发明的目的通过以下技术方案实现：一种低温凝固浓缩收集气溶胶装置，包括气体减速舱、气体滞留舱、气溶胶加速舱、气体湿热流雾化舱、气体冷冻舱和收集舱；气体滞留舱位于气体减速舱上方，气溶胶加速舱与气体减速舱水平相邻，气体湿热流雾化舱、气体冷冻舱和收集舱依次位于气溶胶加速舱下方；所述气体减速舱中设置互相交错的折叠通道碰撞板；所述气体滞留舱设置覆盖通气口的可震动滤膜；所述气溶胶加速舱为夹层结构，夹层内设置热水流循环，内腔设置鼓风机；所述气体湿热流雾化舱上侧和入口处设置针管式雾化喷头；所述气体冷冻舱循环制冷，使浓缩的含气溶胶液滴凝固成冰颗粒。
优选的，所述气体湿热流雾化舱内控制雾汽浓度为45%RH以下。
优选的，所述针管式雾化喷头为分段式喷孔，两侧交错分段设置喷雾孔。
优选的，所述气体冷冻舱内控制温度-45~-40℃。
优选的，所述气体冷冻舱舱壁为与水平60°、90°、60°、30°夹角的连续多段倾斜。
优选的，所述气体减速舱和气体滞留舱内为憎水材料；所述气体湿热流雾化舱和收集舱内为亲水材料。
一种低温凝固浓缩收集气溶胶装置的运行方法，包括以下步骤：含气溶胶的气流从进气口进入，经气体减速舱减速作用后滞留于气体滞留舱内；可震动滤膜截留气溶胶、排出气体，使气溶胶浓缩；进入气溶胶加速舱的浓缩气溶胶在热水流循环和加速舱鼓风机作用下升温加速并进入气体湿热流雾化舱；升温加速浓缩气溶胶与喷雾雾汽充分混合、吸湿长大形成含气溶胶液滴；开启可抽取挡板使含气溶胶液滴进入气体冷冻舱，低温条件下凝固形成浓缩的含气溶胶冰颗粒。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1）本发明通过气体冷冻舱将气溶胶与喷雾雾汽混合形成的液滴低温凝固，形成含气溶胶冰颗粒，气固分离简易、彻底且便于后续收集、分析检测。
2）本发明通过气溶胶加速舱热水流循环和鼓风机增加浓缩气溶胶的内能和动能，并通过气体湿热流雾化舱分段式喷孔的针管式雾化喷头提高喷雾雾汽覆盖面积，以提高升温加速浓缩气溶胶与喷雾雾汽的混合效率，在低雾汽浓度条件下形成含气溶胶液滴，减少水分对于浓缩气溶胶的稀释效果，减小分析检测误差。
附图说明
图1为低温凝固浓缩收集气溶胶装置的结构示意图；
图2为气溶胶加速舱舱内结构示意图；
图3 为针管式雾化喷头结构示意图；
图4为气溶胶加速舱与气体湿热流雾化舱过渡夹层结构示意图。
其中，1-进气口，2-气体减速舱，3-折叠通道碰撞板，4-气体减速舱可闭和通道口，5-气体滞留舱，6-气体滞留舱外可闭合通气口，7-可震动滤膜，8-气溶胶加速舱可闭合通道口，9-气溶胶加速舱，10-热水流进出口，11-针管式雾化喷头，12-气体湿热流雾化舱，13-可抽取挡板，14-湿度传感器，15-气体冷冻舱，16-收集导管，17-隔热层，18-收集舱，19-复叠式制冷压缩机，20-针管式雾化机底座，21-针管式雾化机喷雾孔，22-气溶胶加速舱鼓风机，23-循环热水流进口，24-热水流循环导出管道，25-气溶胶加速舱与气体湿热流雾化舱过渡夹层，26-升温加速浓缩气溶胶传输导管。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
实施例1
如图1所示，一种低温凝固浓缩收集气溶胶装置，包括气体减速舱2、气体滞留舱5、气溶胶加速舱9、气体湿热流雾化舱12、气体冷冻舱15和收集舱18。气体滞留舱5位于气体减速舱2上方，气溶胶加速舱9与气体减速舱5水平相邻，气体湿热流雾化舱12、气体冷冻舱15和收集舱18依次位于气溶胶加速舱9下方。气体减速舱2用于降低进入的含气溶胶气流的动能，使之缓慢进入气体滞留舱5并在其中滞留，气体滞留舱5对滞留气溶胶进行浓缩后进入气溶胶加速舱9，通过升温加速提高气溶胶内能和动能，使之与气体湿热流雾化舱12内雾汽充分混合凝结形成含气溶胶液滴，在低温气体冷冻舱15内凝固成含气溶胶冰颗粒分离收集。
气体减速舱2包括进气口1、折叠通道碰撞板3和气体减速舱可闭和通道口4。进气口1为60°向下弯折的导管，由憎水材料制成，初步降低气溶胶动能。气体减速舱2内由互相交错的折叠通道碰撞板3构成，第一碰撞板为水平30°夹角，用于初步降低气溶胶动能，其余为水平碰撞板，用于通过碰撞进一步降低气溶胶动能，碰撞板表层为憎水材料。气体减速舱可闭和通道口4控制含气溶胶气流进入气体滞留舱5。
气体滞留舱5包括气体滞留舱外可闭合通气口6和覆盖通气口的可震动滤膜7。气体滞留舱5除可震动滤膜7外的其余舱壁表面均为憎水纳米材料，有效减少气溶胶在舱壁的附着损失。开启气体滞留舱外可闭合通气口6和可震动滤膜7震动状态，截留气溶胶、排出气体，使气溶胶浓缩；减少滤膜上气溶胶附着，提高气溶胶收集效率。
气溶胶加速舱9包括气溶胶加速舱可闭合通道口8、热水流进出口10和气溶胶加速舱鼓风机22。气溶胶加速舱可闭合通道口8控制浓缩气溶胶进入气溶胶加速舱9。气溶胶加速舱9采取夹层结构，夹层中分布螺旋密集缠绕的热水流进出导管，通过热水流进出口10与外部热水源连接实现热水流循环，舱内壁为导热材料，传导热水流热量，提高舱内气溶胶温度和压强。舱内设置气溶胶加速舱鼓风机22（如图2所示），加速浓缩气溶胶按图示箭头方向通过升温加速浓缩气溶胶传输导管26进入气体湿热流雾化舱12。
气体湿热流雾化舱12包括气溶胶加速舱与气体湿热流雾化舱夹层25、针管式雾化喷头11、湿度传感器14和可抽取挡板13。气溶胶加速舱与气体湿热流雾化舱过渡夹层25（如图4所示）右上面的循环热水流进口23与气溶胶加速舱9夹层结构中的热水流循环联通，将热水流引入过渡夹层中作为针管式雾化喷头11的喷雾水源，并由热水流循环导出管道24将过量热水流从顶部引出返回气溶胶加速舱9夹层结构中的热水流循环。针管式雾化喷头11部分倾斜分布于升温加速浓缩气溶胶传输导管26下方，部分竖直分布于气溶胶加速舱与气体湿热流雾化舱过渡夹层25下表面，使进入气体湿热流雾化舱12的升温加速浓缩气溶胶与喷雾雾汽充分混合、吸湿长大形成含气溶胶液滴；且针管式雾化喷头11为分段式喷孔（如图3所示），底部与针管式雾化机底座20连接，主体两侧交错分段设置针管式雾化机喷雾孔21，利用密布式特点提高覆盖面与空间覆盖效率，提高喷雾效率和升温加速浓缩气溶胶与雾汽的混合效率。湿度传感器14检测舱内雾汽浓度达到45%RH后，控制针管式雾化喷头11停止工作，避免过量水汽对气溶胶的稀释。可抽取挡板13分隔气体湿热流雾化舱12与气体冷冻舱15，起隔热作用并阻隔雾汽进入气体冷冻舱15；其位于气体湿热流雾化舱12的内表面为亲水涂层，吸收过量雾汽，避免舱内水汽附着；打开可抽取挡板13控制含气溶胶液滴进入气体冷冻舱15。
气体冷冻舱15包括复叠式制冷压缩机19和隔热层17。复叠式制冷压缩机19将舱内温度控制在-45~-40℃使含气溶胶液滴凝固成冰颗粒。气体冷冻舱15舱壁为连续多段倾斜设置，如本实施例中自上而下分别为与水平60°、90°、60°、30°夹角倾斜段，有效汇聚含气溶胶液滴及其冰颗粒，并增大制冷室容积、制冷面积，提高凝固效率。隔热层17填充隔热材料，有效减少外界热量进入舱内及舱内冷气逸散，保证制冷效果。
收集舱18包括收集导管16，内表面均为高吸水性树脂材料，可有效吸收冰颗粒所携带的雾汽，减少因水溶解所带来的损耗。
一种低温凝固浓缩收集气溶胶装置的运行方法，包括以下步骤：
闭合气溶胶加速舱可闭合通道口8，开启气体减速舱可闭和通道口4，含气溶胶的气流从进气口1进入低温凝固浓缩收集气溶胶装置，经气体减速舱2在折叠通道碰撞板的减速作用后滞留于气体滞留舱5内。
开启气体滞留舱外可闭合通气口6并保持可震动滤膜7的震动状态，截留气溶胶、排出气体，使气体滞留舱5内气溶胶浓缩。
10min后闭合气体滞留舱外可闭合通气口6和气体减速舱可闭和通道口4，开启气溶胶加速舱可闭合通道口8和气溶胶加速舱鼓风机22，在热水流循环传热条件下，为进入气溶胶加速舱9的浓缩气溶胶升温加速，并沿指定方向进入气体湿热流雾化舱12。
开启针管式雾化喷头11，并控制气体湿热流雾化舱12内雾气浓度低于45%RH，以升温加速浓缩气溶胶作为凝结核，与喷雾雾汽充分混合、吸湿长大形成含气溶胶液滴。
25min后，含气溶胶液滴温度已下降至室温，开启可抽取挡板13，使含气溶胶液滴进入气体冷冻舱15，在-45~-40℃制冷条件下将含气溶胶液滴汇聚、凝固成冰颗粒，经收集导管16进行收集，最终完成气溶胶的浓缩收集。
以上所述仅为本发明的优选实施例，本发明的保护范围并不限于此，本领域的技术人员根据本发明的精神和原则所作的任何修改、等同替换﹑改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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