本發(fā)明涉及一種篩選空氣中顆粒物的方法，具體為根據(jù)顆粒物尺寸的大小對(duì)顆粒物進(jìn)行分級(jí)分離，使顆粒物的分離與分析更精確，特別適用于對(duì)空氣中顆粒物需要按粒徑分級(jí)采樣方面。

背景技術(shù)：

空氣中的顆粒物(Particulate Matter，PM)是指空氣中的固體或者液體顆粒狀物質(zhì)。PM的直徑范圍為0.1um～200um。根據(jù)PM的直徑大小，一般而言PM可分為總懸浮顆粒(Total Suspended Particles，TSP)，粗顆粒(Coarse Particulate Matter，PM10)和細(xì)顆粒(Fine Particulate Matter，PM2.5)?？倯腋☆w粒為粒徑小于100um的顆粒物；粗顆粒為粒徑小于10um的顆粒物。細(xì)顆粒為粒徑小于2.5um的顆粒物。各國(guó)之間對(duì)顆粒物的劃分稍有區(qū)別。中國(guó)的顆粒物主要來源為地面揚(yáng)塵、煤燃燒、機(jī)車排放和其他工業(yè)活動(dòng)以及上述來源排放的原始?xì)怏w污染物在大氣中經(jīng)化學(xué)物理反應(yīng)生成的二次污染物。近年來，因大氣顆粒物濃度的劇增導(dǎo)致的灰霾現(xiàn)象在中國(guó)幾大城市頻發(fā)，高顆粒物濃度給人們生活造成的不良影響屢見報(bào)端。高濃度的顆粒物帶來的危害主要在2個(gè)方面：生態(tài)環(huán)境破壞和人體健康損害。在生態(tài)環(huán)境方面，大量的顆粒物落在植物的葉子上影響植物的生長(zhǎng)，直接使農(nóng)作物減產(chǎn)減收；顆粒作為凝結(jié)核隨雨降落，改變降水的酸堿度，改變生物的多樣性和地貌。有研究表明高濃度顆粒物的大氣甚至影響動(dòng)物的生殖系統(tǒng)，降低動(dòng)物的生育率。大量顆粒和顆粒沉降使建筑物被腐蝕的速度加快，減短建筑物的生命周期。由于可見光的波長(zhǎng)為0.36um～0.78um，因此粒徑為0.1um～1um的顆粒對(duì)可見光的散射作用強(qiáng)烈，高濃度的顆粒物使大氣的能見度大幅度降低。因此，顆粒物濃度高的城市存在巨大的交通安全隱患。粒徑在1um以下的顆粒物沉降速度慢，可長(zhǎng)久存留在大氣中，在氣流運(yùn)動(dòng)中可被輸送到很遠(yuǎn)之處。因此，顆粒物污染不僅程度深、時(shí)間久，而且范圍廣。在人體健康方面，研究表明即使顆粒物濃度低于標(biāo)準(zhǔn)限值，顆粒物對(duì)人體的健康也有損害作用，高濃度的顆粒物無疑將嚴(yán)重?fù)p害人體健康。已有調(diào)查表明顆粒物損害人體的呼吸系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)和生殖系統(tǒng)等。因此，基于粒徑篩選空氣中的顆粒物對(duì)詳細(xì)具體分析顆粒物對(duì)人體健康和環(huán)境的影響大有裨益。

目前，基于粒徑篩分空氣中的顆粒物的主要方法有：(1)濾膜稱重法；(2)光散射法；(3)β射線法；(4)微量震蕩天平法，等。上述篩分結(jié)果較為粗糙，基于粒徑同時(shí)對(duì)空氣中的顆粒物進(jìn)行多次分級(jí)篩選的方法暫無。

(1)濾膜稱重法(重量法或者手工法)通過采樣器以恒定速率抽取一定量體積空氣，空氣中的顆粒物被節(jié)流在濾膜上，結(jié)合濾膜重量在采樣前后的變化和采樣空氣體積，計(jì)算出濃度。該方法為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)分析方法，它對(duì)顆粒物的截留效率高，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確，是最直接、可靠的方法。濾膜稱重法為驗(yàn)證其他測(cè)量方法的結(jié)果是否準(zhǔn)確的參比。但是當(dāng)氣流長(zhǎng)時(shí)間不斷通過采樣濾膜時(shí)，濾膜上采集到的物質(zhì)隨著氣流和溫度的變化會(huì)造成揮發(fā)性和半揮發(fā)性物質(zhì)的損失，同時(shí)一些極細(xì)小的顆粒還是能穿過濾膜造成結(jié)果偏低；相反，其他物質(zhì)也可能被濾膜吸附，造成結(jié)果偏高；(2)光散射法由于在在實(shí)際過程中光的散射和顆粒物濃度之間的關(guān)系受到顆粒物的化學(xué)成分、形態(tài)、比重等因素的影響，因此光散射和顆粒物濃度之間的換算公式隨時(shí)隨地都在變，對(duì)于采用光散射原理的儀器需不斷用標(biāo)準(zhǔn)方法校正，因此該技術(shù)確定性不高；(3)β射線法的基本原理是利用堆積在適應(yīng)濾膜上的顆粒物對(duì)碳-14釋放的β射線衰減量的變化測(cè)量大氣顆粒物質(zhì)量的變化。環(huán)境空氣由采樣泵經(jīng)切割器吸入采樣管，進(jìn)過濾膜后排出，而顆粒物沉淀在條狀石英濾膜上，當(dāng)β射線通過沉積著顆粒物的濾膜時(shí)，β射線的強(qiáng)度發(fā)生衰減，通過對(duì)衰減量的測(cè)定計(jì)算出顆粒物的濃度。這一方法是基于2個(gè)假設(shè)，其一是儀器的石英采樣濾膜條帶均一，其二是采集下來的PM2.5粒子物理特性均一(即顆粒大小一致，顆粒成分一致，顆粒在過濾膜上的分布均勻等)，對(duì)β射線強(qiáng)度衰減率相同。而上述2點(diǎn)在現(xiàn)實(shí)條件下往往并不成立，因此測(cè)定數(shù)據(jù)一般被認(rèn)為也存在偏差，且這種檢測(cè)方法在潮濕高溫區(qū)域故障率也很高；(4)微量震蕩天平法主要是利用錐形元件微量振蕩天平原理。設(shè)備中的空心錐形管保持往復(fù)振蕩的狀態(tài)，其振蕩頻率將隨著濾膜所收集的顆粒物的質(zhì)量變化而變化。通過測(cè)量頻率的變化得到顆粒物的質(zhì)量，結(jié)合樣品體積得到樣品的濃度。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是關(guān)系明確，缺點(diǎn)是目前的技術(shù)無法解決樣品加熱后揮發(fā)性和半揮發(fā)性物質(zhì)的損失，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果被認(rèn)為偏低，從而出現(xiàn)失真。

上述4種方法除了上述所說的優(yōu)缺點(diǎn)外，還有他們都不能同時(shí)對(duì)空氣中的顆粒物根據(jù)其粒徑進(jìn)行精確的多級(jí)篩分，這對(duì)顆粒物的檢測(cè)和后續(xù)分析造成影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)皆有的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提出一種基于粒徑的柵格分級(jí)篩分空氣中的顆粒物的方法，從而使顆粒物的檢測(cè)和分析更準(zhǔn)確可靠。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案：一種基于粒徑的柵格分級(jí)篩選空氣中顆粒物的方法，包括如下步驟：

S1:打開單向閥，通過清潔空氣進(jìn)氣管向篩選系統(tǒng)通入清潔空氣對(duì)篩選系統(tǒng)進(jìn)行清潔處理；

S2:對(duì)待檢測(cè)空氣進(jìn)行干燥；

S3:打開單向閥，通過待測(cè)空氣進(jìn)氣管從篩選系統(tǒng)的進(jìn)口端通入一定量的所述待檢測(cè)空氣，所述待檢測(cè)空氣中不同尺寸的顆粒物在不同間距的微柱前被阻截并滑落；

S4:停止通入所述待檢測(cè)空氣，并從所述篩選系統(tǒng)的所述進(jìn)口端通入清潔空氣，以驅(qū)動(dòng)所述待檢測(cè)氣體向前流動(dòng)；

S5:通過收集裝置從所述篩選系統(tǒng)下端出口收集目標(biāo)顆粒。

步驟S4中，持續(xù)通入清潔空氣的時(shí)間為3min-5min，所述清潔空氣的壓強(qiáng)為1倍-1.5倍標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

一種基于粒徑的柵格分級(jí)篩選空氣中顆粒物的裝置，包括篩選系統(tǒng)，所述篩選系統(tǒng)的一端連接有進(jìn)氣管，所述進(jìn)氣管分支有清潔空氣進(jìn)氣管和待測(cè)空氣進(jìn)氣管，所述篩選系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置有若干級(jí)微柱，每級(jí)所述微柱包括若干列微柱，每列所述微柱整體呈梯形狀，每級(jí)所述微柱之間下端設(shè)置有出口。

所述出口下方設(shè)置有收集裝置。

每相鄰兩級(jí)所述微柱下端設(shè)置有幾字形阻隔結(jié)構(gòu)。。

所述微柱的橫截面為直角梯形，所述微柱靠近所述進(jìn)氣口端為傾斜面。

每列微柱的所述傾斜面整體在同一平面上。

每?jī)闪兴鑫⒅g以間距可調(diào)的方式設(shè)置。

所述每級(jí)微柱之間的間距以從所述進(jìn)氣口端至篩選系統(tǒng)末端依次遞減的方式設(shè)置。

同列所述兩微柱之間以間距均勻的方式設(shè)置。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：(1)本發(fā)明篩選系統(tǒng)的材料可以采用多種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。加工方式可采用微納加工技術(shù)，如激光加工、反應(yīng)離子深刻蝕、納米壓印等；(2)本發(fā)明的微柱橫截面采用直角梯形，利用沿斜面的分力改變被阻截的顆粒的運(yùn)動(dòng)方向來完成分離過程；(3)本發(fā)明依靠成熟的微納加工技術(shù)，微柱的截面形狀、尺寸及相鄰間距有多種可選，微柱陣列也易于一次性大面積加工，省時(shí)節(jié)能節(jié)材；(4)本發(fā)明每級(jí)采用多排微柱，提高了分級(jí)的可靠性，篩分級(jí)數(shù)和每級(jí)的微柱排數(shù)可根據(jù)具體情況調(diào)整；(5)本發(fā)明待測(cè)空氣和清潔空氣通過進(jìn)氣管道進(jìn)入篩選系統(tǒng)，并通過出氣管道進(jìn)入收集裝置，其中進(jìn)氣管道和出氣管道上均安裝單向閥，避免了氣體的倒流。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種基于粒徑的柵格分級(jí)篩選空氣中顆粒物的裝置的俯視圖。

圖2為圖1的I局部圖。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例一一種基于粒徑的柵格分級(jí)篩選空氣中顆粒物的裝置的示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。

如圖1-2所示，一種基于粒徑的柵格分級(jí)篩選空氣中顆粒物的方法，包括如下步驟：

S1:打開單向閥1，通過清潔空氣進(jìn)氣管2向篩選系統(tǒng)3通入清潔空氣對(duì)篩選系統(tǒng)3進(jìn)行清潔處理；

S2:對(duì)待檢測(cè)空氣進(jìn)行干燥；

S3:打開單向閥1，通過待測(cè)空氣進(jìn)氣管4從篩選系統(tǒng)3的進(jìn)口端通入一定量的所述待檢測(cè)空氣，所述待檢測(cè)空氣中不同尺寸的顆粒物在不同間距的微柱前被阻截并滑落；

S4:停止通入所述待檢測(cè)空氣，并從所述篩選系統(tǒng)3的所述進(jìn)口端通入清潔空氣，以驅(qū)動(dòng)所述待檢測(cè)氣體向前流動(dòng)；

S5:通過收集裝置從所述篩選系統(tǒng)3下端出口收集目標(biāo)顆粒。

步驟S4中，持續(xù)通入清潔空氣的時(shí)間為3min-5min，所述清潔空氣的壓強(qiáng)為1倍-1.5倍標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

一種基于粒徑的柵格分級(jí)篩選空氣中顆粒物的裝置，包括篩選系統(tǒng)3，所述篩選系統(tǒng)3的一端連接有進(jìn)氣管7，所述進(jìn)氣管分支有清潔空氣進(jìn)氣管2和待測(cè)空氣進(jìn)氣管4，所述篩選系統(tǒng)3內(nèi)部設(shè)置有若干級(jí)微柱，每級(jí)所述微柱包括若干列微柱6，每列所述微柱6整體呈梯形狀，每級(jí)所述微柱6之間下端設(shè)置有出口。

所述出口下方設(shè)置有收集裝置，每相鄰兩級(jí)所述微柱6下端設(shè)置有幾字形阻隔結(jié)構(gòu)，所述微柱6的橫截面為直角梯形，所述微柱靠近所述進(jìn)氣口端為傾斜面9。

每列微柱6的所述傾斜面9整體在同一平面上，每?jī)闪兴鑫⒅?之間以間距可調(diào)的方式設(shè)置，所述每級(jí)微柱之間的間距以從所述進(jìn)氣口端至篩選系統(tǒng)3末端依次遞減的方式設(shè)置，同列所述兩微柱6之間以間距均勻的方式設(shè)置。

實(shí)施例一

如圖1-3所示，一種基于粒徑的柵格分級(jí)篩選空氣中顆粒物的方法，包括如下步驟：

S1:打開單向閥1，通過清潔空氣進(jìn)氣管2向篩選系統(tǒng)3通入清潔空氣對(duì)篩選系統(tǒng)3進(jìn)行清潔處理；

S2:對(duì)待檢測(cè)空氣進(jìn)行干燥；

S3:打開單向閥1，通過待測(cè)空氣進(jìn)氣管4從篩選系統(tǒng)3的進(jìn)口端通入一定量的所述待檢測(cè)空氣，所述待檢測(cè)空氣中不同尺寸的顆粒物在不同間距的微柱6前被阻截并滑落；

S4:停止通入所述待檢測(cè)空氣，并從所述篩選系統(tǒng)3的所述進(jìn)口端通入清潔空氣，以驅(qū)動(dòng)所述待檢測(cè)氣體向前流動(dòng)；

S5:通過收集裝置8從所述篩選系統(tǒng)3下端出口收集目標(biāo)顆粒。

步驟S4中，持續(xù)通入清潔空氣的時(shí)間為3min，所述清潔空氣的壓強(qiáng)為1倍標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，在干燥待測(cè)空氣時(shí)主要是采用動(dòng)態(tài)加熱系統(tǒng)完成。

一種基于粒徑的柵格分級(jí)篩選空氣中顆粒物的裝置，包括篩選系統(tǒng)3，所述篩選系統(tǒng)3的一端連接有進(jìn)氣管7，所述進(jìn)氣管7分支有清潔空氣進(jìn)氣管2和待測(cè)空氣進(jìn)氣管4，所述篩選系統(tǒng)3內(nèi)部設(shè)置有三級(jí)微柱，每級(jí)所述微柱6包括三列微柱6，每列所述微柱6整體呈梯形狀，每級(jí)所述微柱之間下端設(shè)置有出口。

所述出口下方設(shè)置有收集裝置8，每相鄰兩級(jí)所述微柱6下端設(shè)置有幾字形阻隔結(jié)構(gòu)7，所述微柱6的橫截面為直角梯形，所述微柱6靠近所述進(jìn)氣口端為傾斜面9。

每列微柱6的所述傾斜面整體在同一平面上，每?jī)闪兴鑫⒅?之間以間距可調(diào)的方式設(shè)置，所述每級(jí)微柱6之間的間距以從所述進(jìn)氣口端至篩選系統(tǒng)3末端依次遞減的方式設(shè)置，同列所述兩微柱6之間以間距均勻的方式設(shè)置。

在本具體實(shí)施方式的技術(shù)方案中，篩選系統(tǒng)3中，1-3排微柱6的間距d₁＝10um，粒徑＞10um的顆粒被阻截。每個(gè)微柱6近空氣進(jìn)口端為傾斜面，每排微柱6的傾斜面9在同一平面上，且傾斜角為10°-45°。因此被阻截的顆粒與傾斜面碰觸后，在沿傾斜面9的分力的作用下沿傾斜面滑落而被篩分出來；粒徑≤10um的顆粒在清潔空氣流和慣性的作用下穿過1-3排微柱6。同理，因4-6排的微柱6間距d₂＝2.5um和7-9排的微柱6間距d₃＝1um，粒徑2.5um-10um的顆粒物和粒徑1um-2.5um依次被阻截，滑落而收集。最后，能穿過微柱6陣列的僅為粒徑≤1um的顆粒物，因此，粒徑≤1um的顆粒物也被自然分離出來；一定時(shí)長(zhǎng)后，取下收集裝置1-4，提取不同粒徑范圍的顆粒群，然后對(duì)獲得顆粒物進(jìn)行檢測(cè)分析。收集裝置1-4中所收集的顆粒群的粒徑范圍依次為＞10um，2.5um-10um，1um-2.5um和≤1um，另外，每相鄰兩級(jí)所述微柱下端設(shè)置有幾字形阻隔結(jié)構(gòu)7，以防止不同粒徑的顆粒群發(fā)生混淆，更利于收集。

本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)制備出具有不同間距d的微柱6結(jié)構(gòu)，不同的間距分離不同尺寸的顆粒。間距種類越多，分離級(jí)數(shù)越多，顆粒物被分離得越精細(xì)。例如實(shí)施例子一所示對(duì)顆粒物進(jìn)行3級(jí)分離。1-3排、4-6排、7-9排微柱6的間距d依次為10um、2.5um、1.0um，微柱6的前后間距統(tǒng)一為20um。微柱6高5um-20um，橫截面為直角梯形，梯形高5um-20um，第一列微柱6的直角梯形橫截面的長(zhǎng)底邊長(zhǎng)20um。每個(gè)微柱6近空氣進(jìn)口端為傾斜面，每列微柱6的傾斜面9在同一平面上，傾斜角為10°-45°；(2)將一定量的經(jīng)干燥后的待處理空氣通入篩選系統(tǒng)3中，氣流速度依空氣的情況定。停止通入待檢空氣后，接著通入清潔空氣并持續(xù)3min-5min，潔凈空氣的壓強(qiáng)為1倍-1.5倍標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，通入清潔空氣的是使分離過程中篩選系統(tǒng)3內(nèi)部氣體保持向前流動(dòng)。理論上，待處理空氣中的不同尺寸的顆粒物被阻截后全部在沿斜面的分力的作用下沿傾斜面滑落而篩選分集于相應(yīng)的收集裝置中。顆粒物視為球形，忽略顆粒物之間的粘性阻力、附加質(zhì)量力等。此外，微柱6可以采用不同的截面形狀和尺寸，相鄰兩排微柱6的間距和同一分離級(jí)別的微柱6排數(shù)也可根據(jù)具體情況調(diào)整。設(shè)置不同微柱6間距d和選擇不同分級(jí)種類，可獲得不同尺寸的顆粒群。

目前，基于粒徑篩分空氣中的顆粒物的主要方法有：(1)濾膜稱重法；(2)光散射法；(3)β射線法；(4)微量震蕩天平法，等。上述篩分結(jié)果較為粗糙，基于粒徑同時(shí)對(duì)空氣中的顆粒物進(jìn)行多級(jí)分離的方法暫無。

對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，可根據(jù)以上描述的技術(shù)方案以及構(gòu)思，做出其它各種相應(yīng)的改變以及變形，而所有的這些改變以及變形都應(yīng)該屬于本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。