一種基于溫差調(diào)控的鈮酸鋰制備的大氣顆粒物采樣方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于溫差調(diào)控的鈮酸鋰制備的大氣顆粒物采樣方法，其特征在于，所述采樣方法步驟如下，1)采用鈮酸鋰作為吸附材料，2）先將鈮酸鋰熱釋電材料進行處理，然后將處理后的鈮酸鋰置于大氣環(huán)境中對大氣顆粒物進行吸附，使其在溫差刺激作用下釋放電荷，從而實現(xiàn)對大氣顆粒物的吸附和采樣。本發(fā)明中用鈮酸鋰制成大氣采樣器，具有吸附效率高，價格低廉，操作簡單易行，不受各種自然和人為因素的影響，可隨時隨地的應用于各種緊急情況下的大氣采樣。與此同時，采樣原理為靜電作用下依靠庫倫作用力的自然吸附，對顆粒物的形貌和性質(zhì)幾乎沒有破壞，加上對樣品的收集較為簡單，便于對其成分進行分析，具有良好的應用前景。
【專利說明】一種基于溫差調(diào)控的鈮酸鋰制備的大氣顆粒物采樣方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種采樣方法，具體地說是一種基于溫差調(diào)控的鈮酸鋰制備的大氣顆 粒物采樣方法，屬于空氣凈化【技術領域】。

【背景技術】
[0002] 近年來，隨著社會的發(fā)展和人類的進步，環(huán)境問題顯得日益突出，嚴重的威脅著人 類的健康和生命安全。在一系列的環(huán)境問題中，霧霾天氣的持續(xù)和出現(xiàn)，引起了社會的廣泛 關注。在氣象學上，霧和霾是2個氣象概念。霧的氣象學定義為：大量微小水滴浮游空中， 常呈乳白色，使水平能見度小于1. 〇km，霧的存在使能見度惡化，降低空氣透明度。水平能見 度小于10. 0km的空氣普遍混池現(xiàn)象稱為霾或灰霾，其是由大量極細微的干塵粒等均勻的 浮游在空中造成的。這種非水性形成物組成的氣溶膠系統(tǒng)造成的視程障礙在水平能見度小 于10. 0 km時稱為霾或灰霾。霧霾現(xiàn)象不僅會對空氣質(zhì)量造成不利影響，同時還會影響人 們的身體健康。從身體健康上說，霧霾天氣容易引起鼻炎、支氣管炎等病癥，長期處于這種 環(huán)境還會誘發(fā)肺癌。除了癌癥，霧霾天還容易引發(fā)心血管疾病，如心肌梗死、心肌缺血或損 傷。此外霧霾籠罩時氣壓較低，空氣中的含氧量有所下降，這時易感到胸悶。潮濕寒冷的霧 和霾，還會造成冷刺激，導致血管痙攣、血壓波動、心臟負荷加重等。因此，對于霧霾天氣時 空氣顆粒物的采集顯得尤為重要，因為它直接關系到實驗結(jié)果的可靠性和真實性?？茖W家 們開始對霧霾天氣進行了實時觀測，并針對其成分和來源做了一系列研究。早在上個世紀 五六十年代，歐美等國為了監(jiān)測空氣中的顆粒物，相繼制定了可吸入塵衛(wèi)生標準，并設計出 許多類型的二段可吸入塵采樣器。為更詳細地研究可吸入塵的顆粒大小分布，多段可吸入 塵采樣器陸續(xù)出現(xiàn)，能夠?qū)Υ髿庵胁煌降念w粒進行選擇采樣。
[0003] 目前環(huán)境中較常使用的采樣方法，為將帶有懸浮顆粒的空氣經(jīng)過粒徑篩選設備后 加以過濾收集，如旋風分離器、分流采樣器等，或?qū)⒖諝饨?jīng)過慣性沖擊設備，直接將粒狀物 截留于沖擊面上，即使用離心力與慣性力來收集粒狀物。一般常用于測定大氣中懸浮顆粒 的采樣設備有：微孔慣性沖擊器、分流采樣器、旋風分離器等。這些采樣設備對于霧霾顆粒 的研究起到了重要作用。例如，TH-150型大氣顆粒物中流量采樣器被用來收集北京某地區(qū) PM2.5，并對其做了元素特征研究。使用中流量PM1(I、PM 2.5大氣顆粒物采樣器收集了北京大氣 顆粒物PM1(I和PM 2.5，并對其中水溶性陰離子的組成及特征做了分析。TEOM 1400A大氣粒子 監(jiān)測儀收集了某地區(qū)PM2.5，并確定了其來源為土壤塵、煤燃燒、交通運輸、海洋氣溶膠以及 鋼鐵工業(yè)。
[0004] 然而，這些采樣器主要都是依靠不同粒徑顆粒物的慣性沖擊作用來實現(xiàn)對不同粒 徑的分離，存在一系列的弊端。首先，這種采樣方法通過使用不同孔徑的濾網(wǎng)來實現(xiàn)對顆 粒物的過濾，對濾網(wǎng)的孔徑要求較高，制備收集PM 2.5顆粒物的孔徑細小，制備復雜且成本較 高。在采樣過程中，濾網(wǎng)上收集到的顆粒物會堵塞濾網(wǎng)或使濾網(wǎng)的孔徑變小，阻擋了部分更 小的顆粒物進入下一級采樣裝置，缺乏采樣的準確性。而且，需要將顆粒物從濾網(wǎng)剝離出來 進行成分、粒徑等分析，不僅加大了實驗難度，而且容易使一些信號損失。其次，由于氣流的 強作用力，顆粒在撞擊擋板的過程中，容易反生發(fā)彈而重回氣流中，同時，這種強的撞擊作 用會使部分顆粒分解為更小的顆粒而隨氣流進入下一級分離裝置中，造成了采樣的誤差。 加上氣流的作用力和撞擊的作用力會使收集到的顆粒物形貌和性質(zhì)在一定程度上發(fā)生變 化，不能反應顆粒物的真實信息。與此同時，這些設備存在價格昂貴、體積龐大、不易攜帶、 操作復雜等缺點，不利于在緊急情況和經(jīng)濟能力相對較差的鄉(xiāng)鎮(zhèn)或無電源區(qū)使用。因此，迫 切的需要一種新的技術方案解決上述技術問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明正是針對現(xiàn)有技術中存在的技術問題，提供一種基于溫差調(diào)控的鈮酸鋰制 備的大氣顆粒物采樣方法，本發(fā)明中用鈮酸鋰制成大氣采樣器，具有吸附效率高，價格低 廉，操作簡單易行，清洗方便，可反復使用等優(yōu)點。
[0006] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案為，一種基于溫差調(diào)控的鈮酸鋰制備 的大氣顆粒物采樣方法，其特征在于，所述采樣方法步驟如下，1)采用鈮酸鋰作為吸附材 料，2)先將鈮酸鋰熱釋電材料進行處理，然后將處理后的鈮酸鋰置于大氣環(huán)境中對大氣顆 粒物進行吸附，使其在溫差刺激作用下釋放電荷，從而實現(xiàn)對大氣顆粒物的吸附和采樣。
[0007] 由于鈮酸鋰具有穩(wěn)定的化學性質(zhì)，熱釋電條件簡單等優(yōu)點，加上鈮酸鋰自身的特 殊結(jié)構(gòu)，可以通過摻雜來對其性質(zhì)進行調(diào)控，所謂熱釋電性是指，當晶體溫度發(fā)生變化，受 熱或冷卻，正負電荷的中心會發(fā)生位移，從而極化強度隨著溫度的改變而發(fā)生變化，導致晶 體表面的束縛電荷隨之發(fā)生變化。熱釋電效應的強弱可以用熱釋電系數(shù)表示。極化的改變 和熱釋電溫度的改變公式如下：ΛΡ = ΡΛΤ (p是熱釋電系數(shù)，ΛΤ是晶體溫度的改變，ΛΡ 為極化的改變量)。從原理上來講，只要存在溫度差就可以使鈮酸鋰材料表面產(chǎn)生電荷。
[0008] 作為本發(fā)明的一種改進，所述步驟2中的溫差刺激為加熱。該技術方案為，在溫差 的作用下產(chǎn)生表面電荷的靜電力制備的大氣顆粒物采樣器的技術方法，由于該熱釋電材料 能夠在溫差刺激下快速產(chǎn)生大量的表面自由電荷，生成較強的庫侖作用力，以吸附空氣中 的極性顆粒物或者使中性顆粒物極化后被捕獲。這種方法對空氣中的各種顆粒，包括粉塵， PM1Q，ΡΜ2.5，及亞微米顆粒均有高效的吸附效果。
[0009] 作為本發(fā)明的一種改進，所述鈮酸鋰為單疇生長的Ζ軸方向的晶片，并進行了雙 面拋光。
[0010] 作為本發(fā)明的一種改進，所述加熱方法為利用自發(fā)熱材料進行的加熱。
[0011] 作為本發(fā)明的一種改進，所述自發(fā)熱材料為利用鐵氧化反應放熱來加熱。根據(jù)鐵 在潮濕空氣中發(fā)生吸氧腐蝕的原理。同時利用活性炭的強吸附性，在活性炭的疏松結(jié)構(gòu)中 儲有水蒸氣，水蒸氣液化成水滴，流出與空氣和鐵粉接觸，在氯化鈉的催化作用下較為迅速 的發(fā)生反應生成氫氧化鐵，放出熱量。
[0012] 作為本發(fā)明的一種改進，所述加熱方法為熱臺加熱。該方法中，通過加熱產(chǎn)生溫 差，使得鈮酸鋰表面產(chǎn)生大量自由電荷，再利用所述自由電荷捕獲空氣中的極性顆粒，或使 中性顆粒極化后將其捕獲，從而實現(xiàn)對大氣顆粒物的吸附。加熱時，鈮酸鋰表面呈現(xiàn)正電 荷，可吸附空氣中的負電性微粒，大氣中污染物顆粒絕大多數(shù)呈現(xiàn)負電性。
[0013] 作為本發(fā)明的一種改進，所述加熱后的鈮酸鋰的溫度為30-150°C。
[0014] 作為本發(fā)明的一種改進，所述所述加熱后的鈮酸鋰的溫度為80-150°C，優(yōu)選為 100。。。
[0015] 作為本發(fā)明的一種改進，所述自發(fā)熱材料為可控高分子聚合物材料，即鐵粉或炭 黑填充的PTC材料。
[0016] 一種基于溫差調(diào)控的鈮酸鋰對大氣顆粒物采樣中的應用，所述應用中，鈮酸鋰通 過加熱產(chǎn)生溫差，使得鈮酸鋰表面產(chǎn)生表面自由電荷，再利用所述自由電荷對大氣顆粒物 進行采樣。所述大氣顆粒物包括：PM 2.5、粉塵、PM1(I以及亞微米顆粒。
[0017] 作為本發(fā)明的一種改進，在鈮酸鋰熱釋電進行采樣后，將樣品直接進行X射線能 譜（EDS)或X射線光電子能譜（XPS)放入稀ΗΝ0 3溶液中，非常方便，并且操作簡單。
[0018] 相對于現(xiàn)有技術，本發(fā)明的優(yōu)點如下，1)與通常利用慣性沖擊作用制成的大氣采 樣器不同，基于鈮酸鋰的大氣顆粒物采樣方法，主要為電荷作用下的靜電力吸附，對于小粒 徑的PM2. 5及以下尺度的顆粒物具有極高的吸附效率，避免了傳統(tǒng)采樣器對濾網(wǎng)孔徑的要 求，克服了慣性沖擊作用時高速碰撞引起的顆粒物形貌和性質(zhì)的變化，以及沖擊作用下顆 粒物反彈回流引起的采樣誤差。因此，該采樣方法對于樣品的收集簡單易行，展現(xiàn)了其用作 大氣采樣器的可行性和優(yōu)點；2)本發(fā)明利用無機熱釋電駐極體材料鈮酸鋰，在溫差刺激作 用下產(chǎn)生大量表面自由電荷，通過靜電力實現(xiàn)對大氣顆粒的吸附采樣。實驗表明，鈮酸鋰用 于大氣采樣，能夠有效的吸附空氣中不同粒徑，包括粉塵，PM 1(I，PM2.5及亞微米顆粒等顆粒， 具有高效性。同時，便于直接觀察吸附顆粒的形貌結(jié)構(gòu)和對其進行成分分析。用水清洗吸 附顆粒后的鈮酸鋰發(fā)現(xiàn)，吸附的顆粒很容易去除掉，用鈮酸鋰做大氣采樣，便于對樣品的收 集，且清洗過程簡便，可反復利用；3)本發(fā)明中用鈮酸鋰制成大氣采樣器，具有吸附效率高， 價格低廉，操作簡單易行，不受各種自然和人為因素的影響，可隨時隨地的應用于各種緊急 情況下的大氣采樣。與此同時，采樣原理為靜電作用下依靠庫倫作用力的自然吸附，對顆粒 物的形貌和性質(zhì)幾乎沒有破壞，加上對樣品的收集較為簡單，便于對其成分進行分析，具有 良好的應用前景。
[0019]

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020] 圖1為鈮酸鋰吸附大氣顆粒的SEM圖，（a) -（d)的放大倍數(shù)分別為250, 700， 5000 和 10000 倍； 圖2為鈮酸鋰吸附空氣顆粒的EDS分析圖； 圖3鈮酸鋰吸附大氣顆粒在清洗前后的SEM圖。

【具體實施方式】
[0021] 為了加深對本發(fā)明的理解和認識，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步描述和介紹。
[0022] 實施例1 : 一種基于溫差調(diào)控的鈮酸鋰制備的大氣顆粒物采樣方法，所述采樣方 法步驟如下，1)采用鈮酸鋰作為吸附材料，2)先將鈮酸鋰熱釋電材料進行處理，然后將處 理后的鈮酸鋰置于大氣環(huán)境中對大氣顆粒物進行吸附，使其在溫差刺激作用下釋放電荷， 從而實現(xiàn)對大氣顆粒物的吸附和采樣。由于鈮酸鋰具有穩(wěn)定的化學性質(zhì)，熱釋電條件簡單 等優(yōu)點，加上鈮酸鋰自身的特殊結(jié)構(gòu)，可以通過摻雜來對其性質(zhì)進行調(diào)控，所謂熱釋電性是 指，當晶體溫度發(fā)生變化，受熱或冷卻，正負電荷的中心會發(fā)生位移，從而極化強度隨著溫 度的改變而發(fā)生變化，導致晶體表面的束縛電荷隨之發(fā)生變化。熱釋電效應的強弱可以用 熱釋電系數(shù)表示。極化的改變和熱釋電溫度的改變公式如下：ΛΡ = ρΛΤ (p是熱釋電系 數(shù)，ΛΤ是晶體溫度的改變，ΛΡ為極化的改變量)。從原理上來講，只要存在溫度差就可以 使鈮酸鋰材料表面產(chǎn)生電荷；其中步驟2中的溫差刺激為加熱，該技術方案為，在溫差的作 用下產(chǎn)生表面電荷的靜電力制備的大氣顆粒物采樣器的技術方法，由于該熱釋電材料能夠 在溫差刺激下快速產(chǎn)生大量的表面自由電荷，生成較強的庫侖作用力，以吸附空氣中的極 性顆粒物或者使中性顆粒物極化后被捕獲，這種方法對空氣中的各種顆粒，包括粉塵，ΡΜ 1(Ι， ΡΜ2.5，及亞微米顆粒均有高效的吸附效果；所述鈮酸鋰為單疇生長的Ζ軸方向的晶片，并進 行了雙面拋光；所述加熱方法為利用自發(fā)熱材料進行的加熱；所述自發(fā)熱材料為利用鐵氧 化反應放熱來加熱；根據(jù)鐵在潮濕空氣中發(fā)生吸氧腐蝕的原理；同時利用活性炭的強吸附 性，在活性炭的疏松結(jié)構(gòu)中儲有水蒸氣，水蒸氣液化成水滴，流出與空氣和鐵粉接觸，在氯 化鈉的催化作用下較為迅速的發(fā)生反應生成氫氧化鐵，放出熱量；所述加熱方法為熱臺加 熱。該方法中，通過加熱產(chǎn)生溫差，使得鈮酸鋰表面產(chǎn)生大量自由電荷，再利用所述自由電 荷捕獲空氣中的極性顆粒，或使中性顆粒極化后將其捕獲，從而實現(xiàn)對大氣顆粒物的吸附。 加熱時，鈮酸鋰表面呈現(xiàn)正電荷，可吸附空氣中的負電性微粒，大氣中污染物顆粒絕大多數(shù) 呈現(xiàn)負電性；所述加熱后的鈮酸鋰的溫度為30-150°C ;所述所述加熱后的鈮酸鋰的溫度為 80-150°C，優(yōu)選為100°C ;所述自發(fā)熱材料為可控高分子聚合物材料，即鐵粉或炭黑填充的 PTC材料。
[0023] 實施例2 :鈮酸鋰對大氣顆粒物采樣后的形貌和粒徑表征 實驗裁取一片2cmX2cm鈮酸鋰晶片，清洗干凈后，置于熱臺上，在霧霾天氣時，整個裝 置放于室外，l〇〇°C下持續(xù)加熱以吸附空氣顆粒，吸附時間為8h。用掃描電子顯微鏡簡稱 SEM，對鈮酸鋰所吸附的空氣顆粒進行形貌和粒徑表征，結(jié)果如圖1所示，圖1鈮酸鋰吸附 大氣顆粒的SEM圖，（a) -（d)的放大倍數(shù)分別為250,700,5000和10000倍結(jié)果表明，力口 熱后的鈮酸鋰表面產(chǎn)生大量的自由電荷，具有較強的庫倫作用力，能夠大量吸附空氣中的 霧霾顆粒。通過對所吸附顆粒的粒徑表征發(fā)現(xiàn)，鈮酸鋰對不同粒徑的空氣顆粒，包括粉塵， PM1(I，PM2.5及亞微米顆粒，都有較好的吸附，體現(xiàn)了用鈮酸鋰做大氣顆粒采樣的可行性。該 實驗說明，利用溫差調(diào)控的鈮酸鋰做大氣顆粒采樣，具有高效性，且對吸附顆粒的直接觀察 簡單易行。
[0024] 實施例3 :鈮酸鋰對大氣顆粒物采樣的元素分析 采用X射線能譜簡稱EDS，對鈮酸鋰所吸附的大氣顆粒進行元素分析，如圖2所 示，圖2鈮酸鋰吸附空氣顆粒的EDS分析圖，結(jié)果見表1。結(jié)果表明C，0, Na，C1等元 素具有明顯的峰值，可確定為樣品顆粒所含元素，該結(jié)果與普遍報道的霧霾顆粒元素成分 相符合，說明加熱后的鈮酸鋰確實可以吸附空氣中的霧霾顆粒。同時可以看到，采用鈮酸鋰 做大氣顆粒采樣，可以方便的對樣品進行分析，進一步證實了鈮酸鋰用作大氣顆粒采樣的 可行性和便于分析等優(yōu)點。
[0025] 表1鈮酸鋰吸附空氣顆粒的EDS分析結(jié)果

【權利要求】
1. 一種基于溫差調(diào)控的鈮酸鋰制備的大氣顆粒物采樣方法，其特征在于，所述采樣方 法步驟如下，1)采用鈮酸鋰作為吸附材料，2)先將鈮酸鋰熱釋電材料進行處理，然后將處理 后的鈮酸鋰置于大氣環(huán)境中對大氣顆粒物進行吸附，使其在溫差刺激作用下釋放電荷，從 而實現(xiàn)對大氣顆粒物的吸附和采樣。
2. 如權利要求1所述的基于溫差調(diào)控的鈮酸鋰制備的大氣顆粒物采樣方法，其特征在 于，所述步驟2中的溫差刺激為加熱。
3. 如權利要求2所述的基于溫差調(diào)控的鈮酸鋰制備的大氣顆粒物采樣方法，其特征在 于，所述鈮酸鋰為單疇生長的Z軸方向的晶片，并進行了雙面拋光。
4. 如權利要求2所述的基于溫差調(diào)控的鈮酸鋰制備的大氣顆粒物采樣方法，其特征在 于，所述加熱方法為利用自發(fā)熱材料進行的加熱。
5. 如權利要求4所述的基于溫差調(diào)控的鈮酸鋰制備的大氣顆粒物采樣方法，其特征在 于，所述自發(fā)熱材料為利用鐵氧化反應放熱來加熱。
6. 如權利要求2所述的基于溫差調(diào)控的鈮酸鋰制備的大氣顆粒物采樣方法，其特征在 于，所述加熱方法為熱臺加熱；該方法中，通過加熱產(chǎn)生溫差，使得鈮酸鋰表面產(chǎn)生大量自 由電荷，再利用所述自由電荷捕獲空氣中的極性顆粒，或使中性顆粒極化后將其捕獲，從而 實現(xiàn)對大氣顆粒物的吸附。
7. 如權利要求4所述的基于溫差調(diào)控的鈮酸鋰制備的大氣顆粒物采樣方法，其特征在 于，所述加熱后的鈮酸鋰的溫度為30-150°C。
8. 如權利要求4或7所述的基于溫差調(diào)控的鈮酸鋰制備的大氣顆粒物采樣方法，其特 征在于，所述所述加熱后的鈮酸鋰的溫度為80-150°C。
9. 如權利要求5所述的基于溫差調(diào)控的鈮酸鋰制備的大氣顆粒物采樣方法，其特征在 于，所述自發(fā)熱材料為可控高分子聚合物材料，即鐵粉或炭黑填充的PTC材料。
10. -種基于溫差調(diào)控的鈮酸鋰對大氣顆粒物采樣中的應用，所述應用中，鈮酸鋰通過 加熱產(chǎn)生溫差，使得鈮酸鋰表面產(chǎn)生表面自由電荷，再利用所述自由電荷對大氣顆粒物進 行采樣。
【文檔編號】G01N1/22GK104280271SQ201410493023
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年9月24日 優(yōu)先權日:2014年9月24日
【發(fā)明者】岳仁亮, 關麗, 高迪 申請人:江蘇中科睿賽污染控制工程有限公司, 中國人民大學