本發(fā)明涉及化學實驗裝置技術領域，更具體地說，涉及一種氣溶膠成核反應器。

背景技術：

目前，灰霾已經成為我國面臨的嚴重環(huán)境問題?；姻脖旧硎且环N氣溶膠，其中PM2.5(分散于空氣中的直徑小于或等于2.5微米的液體或固體氣溶膠顆粒)已經成為大氣環(huán)境的主要污染物，這些顆粒物對人的身體健康和全球氣候效應有著直接或者間接的影響。

氣溶膠主要來源有一次粒子和二次粒子，且最近的研究表明，新粒子生成可能作為二次粒子的重要來源，參與灰霾的形成過程中。新粒子生成是大氣中顆粒物和云凝結核的重要來源，新粒子生成的最初過程就是成核階段。因此氣溶膠成核過程是目前環(huán)境科學家和化學家們的研究熱點，這對理解氣溶膠及霧霾的形成機制和解決霧霾問題至關重要，并能更好的認識理解氣溶膠在氣候變化和環(huán)境中的重要作用。但是由于氣溶膠凝結核的顆粒很小(小于3nm)，難以捕捉，因此對于氣溶膠的成核機制仍然存在很多爭議和研究空白。

綜上所述，如何提供一種氣溶膠成核反應器，以便于深入研究氣溶膠成核的動力學機理，是目前本領域技術人員急需解決的問題。

技術實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種氣溶膠成核反應器，該氣溶膠成核反應器可以模擬氣溶膠成核過程，便于深入研究氣溶膠成核的動力學機理。

為了達到上述目的，本發(fā)明提供如下技術方案：

一種氣溶膠成核反應器，包括：

管狀反應器，其內部中空形成反應腔，且其兩端分別設置有進口和出口；

能夠向所述反應腔內定量輸送氣體的第一定量進氣裝置和第二定量進氣裝置；

能夠調節(jié)所述反應腔內的濕度調節(jié)裝置。

優(yōu)選地，上述氣溶膠成核反應器中，所述第一定量進氣裝置包括第一導管以及依次串接于所述第一導管上的第一質量流量計和飽和器，所述第一導管的出口與所述管狀反應器的進口連通。

優(yōu)選地，上述氣溶膠成核反應器中，所述飽和器包括多個串聯(lián)的內管和套設在所述內管外側的外管，且所述內管的進口和出口連接在所述第一導管上。

優(yōu)選地，上述氣溶膠成核反應器中，所述內管中裝有硫酸，所述外管中裝有水以通過水浴控制所述內管中的硫酸溫度，所述第一導管的進口接入零空氣。

優(yōu)選地，上述氣溶膠成核反應器中，所述第二定量進氣裝置包括第二導管和連接于所述第二導管上的第二質量流量計，所述第二導管的出口與所述管狀反應器的進口連通。

優(yōu)選地，上述氣溶膠成核反應器中，所述濕度調節(jié)裝置包括第三導管以及依次串接在所述第三導管上的第三質量流量計、儲液罐和鼓泡器，所述第三導管的出口與所述管狀反應器的進口連通，所述第三導管的進口接入零空氣。

優(yōu)選地，上述氣溶膠成核反應器中，所述管狀反應器由其進口至出口依次分為混合段、過渡段和成核生長段，所述混合段和成核生長段的外側還套設有水浴管。

優(yōu)選地，上述氣溶膠成核反應器中，所述過渡段的外壁上還開設有進氣口，所述進氣口可開啟或封堵。

優(yōu)選地，上述氣溶膠成核反應器中，所述成核生長段開設有多個沿著其長度分布的且連通所述反應腔內部的采樣口。

優(yōu)選地，上述氣溶膠成核反應器中，還包括掃描電遷移率粒徑譜儀，且其與多個所述采樣口連通以得到反應腔內的粒子總數(shù)和粒徑。

本發(fā)明提供的氣溶膠成核反應器包括管狀反應器、第一定量進氣裝置、第二定量進氣裝置以及濕度調節(jié)裝置。其中，管狀反應器的內部中空形成反應腔，并且管狀反應器的兩端分別設置有進口和出口。第一定量進氣裝置和第二定量進氣裝置能夠向反應腔內定量輸送氣體，即第一定量進氣裝置和第二定量進氣裝置的出口與管狀反應器的進口連通。濕度調節(jié)裝置能夠調節(jié)反應腔內的濕度。

應用本發(fā)明提供的氣溶膠成核反應器時，可以通過第一定量進氣裝置向反應腔內部輸入定量的硫酸蒸汽、二氧化硫和/或其它氣體，即需要模擬哪種氣體對零空氣的影響則通過第一定量進氣裝置向反應腔內部輸入哪種氣體。通過第二定量進氣裝置向反應腔內部輸入定量的零空氣，然后通過濕度調節(jié)裝置調節(jié)反應腔內部的濕度，如此實現(xiàn)模擬硫酸蒸汽、二氧化硫和/或其它氣體對零空氣的影響，硫酸蒸汽、二氧化硫和/或其它氣體在零空氣中生成氣溶膠，實現(xiàn)了氣溶膠成核過程的模擬，便于深入研究氣溶膠成核的動力學機理。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實施例提供的氣溶膠成核反應器的剖視圖；

圖2為本發(fā)明實施例提供的管狀反應器的剖視圖；

圖3為本發(fā)明實施例提供的氣溶膠成核反應器的結構示意圖；

圖4為本發(fā)明實施例提供的飽和器的結構示意圖。

在圖1-4中：

1-第一質量流量計、2-飽和器、2a-外管、2b-內管、3-第三質量流量計、4-水浴管、5-溫濕度計、6-管狀反應器、7-掃描電遷移率粒徑譜儀、8-采樣口、9-進氣口、10-鼓泡器、11-儲液罐、12-第二質量流量計；

A-混合段、B-過渡段、C-成核生長段。

具體實施方式

本發(fā)明的目的在于提供一種氣溶膠成核反應器，該氣溶膠成核反應器可以模擬氣溶膠成核過程，便于深入研究氣溶膠成核的動力學機理。

下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

請參閱圖1-圖4，本發(fā)明提供的氣溶膠成核反應器包括管狀反應器6、第一定量進氣裝置、第二定量進氣裝置以及濕度調節(jié)裝置。其中，管狀反應器6的內部中空形成反應腔，并且管狀反應器6的兩端分別設置有進口和出口。第一定量進氣裝置和第二定量進氣裝置能夠向反應腔內定量輸送氣體，即第一定量進氣裝置和第二定量進氣裝置的出口與管狀反應器6的進口連通。濕度調節(jié)裝置能夠調節(jié)反應腔內的濕度。

應用本發(fā)明提供的氣溶膠成核反應器時，可以通過第一定量進氣裝置向反應腔內部輸入定量的硫酸蒸汽、二氧化硫和/或其它氣體，即需要模擬哪種氣體對零空氣的影響則通過第一定量進氣裝置向反應腔內部輸入哪種氣體。通過第二定量進氣裝置向反應腔內部輸入定量的零空氣，然后通過濕度調節(jié)裝置調節(jié)反應腔內部的濕度，如此實現(xiàn)模擬硫酸蒸汽、二氧化硫和/或其它氣體對零空氣的影響，硫酸蒸汽、二氧化硫和/或其它氣體在零空氣中生成氣溶膠，實現(xiàn)了氣溶膠成核過程的模擬，便于深入研究氣溶膠成核的動力學機理。

其中，第一定量進氣裝置包括第一導管以及依次串接于第一導管上的第一質量流量計1和飽和器2，第一導管的出口與管狀反應器6的進口連通。即第一質量流量計1和飽和器2串接且通過第一導管連通，第一導管的出口即為第一定量進氣裝置的出口。如此可以將硫酸或者其它液體置于飽和器2中，此處以飽和器2中裝有硫酸為例，硫酸不充滿飽和器2，硫酸液面上側充滿硫酸蒸汽，如此硫酸蒸汽能夠經第一導管進入反應腔內，第一質量流量計1可以控制進入反應腔內的硫酸蒸汽流量，以控制反應腔中的硫酸蒸汽濃度。

具體地，飽和器2包括多個串聯(lián)的內管2b和套設在內管2b外側的外管2a，且內管2b的進口和出口連接在第一導管上。進一步地，內管2b中裝有硫酸，外管2a中裝有水以通過水浴控制內管2b中的硫酸溫度。如此，內管2b中可以裝有濃度為97％的濃硫酸，且濃硫酸的液面高度為內管2b的一半，濃硫酸的液面上側充滿硫酸蒸汽。內管2b可以為球形，內管2b的數(shù)量可以為三個，當然內管2b也可以為其它形狀比如橢圓形，內管2b的數(shù)量也可以為四個或兩個，在此不作限定。

進一步地，第一導管的進口接入零空氣，零空氣經第一質量流量計1和飽和器2進入反應腔，如此將硫酸蒸汽通過表面吹掃零空氣帶入反應腔，硫酸蒸汽的濃度通過控制零空氣吹掃的第一質量流量計1進行調節(jié)，反應腔內的硫酸的濃度由飽和器2內管2b的溫度、吹掃零空氣流量和反應腔內總流量決定。可以通過調節(jié)第一質量流量計1調節(jié)零空氣帶出的硫酸蒸汽量，進而調節(jié)反應腔內的硫酸蒸汽的濃度。

當然，也可以使反應腔中的氣壓小于飽和器2中的氣壓，以使硫酸蒸汽進入反應腔中。

為了避免硫酸蒸汽腐蝕第一質量流量計1，可以將飽和器2連接于第一質量流量計1和管狀反應器6的進口之間，如此零空氣首先經過第一質量流量計1，然后經過飽和器2。此時第一質量流量計1控制的是零空氣的質量，可以通過計算得出進入反應腔的硫酸蒸汽的質量。當然，第一質量流量計1也可以在飽和器2和管狀反應器6之間，在此不作限定。

另外，第二定量進氣裝置包括第二導管和連接于第二導管上的第二質量流量計12，第二導管的出口與管狀反應器6的進口連通。即第二導管的出口為第二定量進氣裝置的出口。進一步地，第二導管的進口接入零空氣，如此可以通過第二定量進氣裝置向反應腔內輸入設定流量的零空氣，以使反應腔內的總流量保持不變。當然，第二導管的進口也可以接入其它氣體，在此不作限定。

優(yōu)選地，濕度調節(jié)裝置包括第三導管以及依次串接在第三導管上的第三質量流量計3、儲液罐11和鼓泡器10，第三導管的出口與管狀反應器6的進口連通。如此鼓泡器10產生的水蒸氣沿著第三導管進入反應腔中，以實現(xiàn)對反應腔中濕度的調節(jié)。具體地，第三導管的進口可以接入零空氣，零空氣依次經過第三質量流量計3、儲液罐11和鼓泡器10最終進入反應腔，零空氣在儲液罐11液面吹掃后進入鼓泡器10，帶動部分水蒸氣進入反應腔。本實施例中，在鼓泡器10之前設置儲液罐11，具有防倒吸功能，避免了水進入第三質量流量計3而損壞的情況。

當然，還可以設置溫濕度計5以隨時了解反應腔內的溫濕度。

第一導管、第二導管和第三導管可以為特氟龍管，其內徑為6mm。管狀反應器6可以采用石英玻璃材質的圓管。

管狀反應器6由其進口至出口依次分為混合段A、過渡段B和成核生長段C。管狀反應器6總長為1480mm，其中混合段A長度為200mm，過渡段B的長度為180mm，成核生長段C的長度為1100mm。管狀反應器6為圓管，其內徑可以為5mm。

其中，混合段A和成核生長段C的外側還套設有水浴管4，可以通過水浴管4控制混合段A和成核生長段C的溫度，且溫度可根據(jù)實驗調節(jié)。經第一定量進氣裝置、第二定量進氣裝置和濕度調節(jié)裝置進入反應腔的氣體在高溫的混合段A內混合均勻后，經過過渡段B，逐漸趨于層流，勻速前進。進入成核生長段C后溫度驟降發(fā)生成核，繼續(xù)向前不斷長大直至到可檢測的量級。

為了便于引入揮發(fā)性有機物如胺類研究它們對氣溶膠成核的影響，還可以在過渡段B的外壁上開設有進氣口9，并且進氣口9可開啟或封堵。如此，當不需要引入有機物時可以封堵進氣口9。具體地，進氣口9可以為兩個，但不限于兩個。

成核生長段C可以開設有多個連通反應腔內部的采樣口8，并且多個采樣口8沿著成核生長段C的長度分布，可以經采樣口8得出反應腔內部的反應情況。具體地，也可以在成核生長段C后側設置采樣段，成核生長段C和采樣段均開設采樣口8，進一步地，采樣口8的數(shù)量為9個。成核生長段C可以每隔200mm有一內徑采樣口8，最后采樣段可以每隔8cm左右設置一個采樣口8，采樣段共分布4個采樣口8，采樣口8的口徑可以為3mm。

該氣溶膠成核反應器還可以包括掃描電遷移率粒徑譜儀7，且掃描電遷移率粒徑譜儀7與多個采樣口8連通以得到反應腔內的粒子總數(shù)和粒徑，如此掃描電遷移率粒徑譜儀7可以通過多根導氣管分別與多個采樣口8相連，得出多個采樣口8的位置的粒子總數(shù)及對應的粒徑大小，結合流動速度得到時間，判定氣溶膠成核速率和生長速率。采用本發(fā)明提供的氣溶膠成核反應器可以通過控制不同濃度的進入反應腔的氣體和溫濕度，得到不同的成核率和生長率，便于研究成核動力學過程。

下表為進入反應腔的硫酸蒸汽、水蒸氣和零空氣的溫度和流量對反應腔內的濕度影響結果：

使用本發(fā)明提供的氣溶膠成核反應器后，停止第一定量進氣裝置、第二定量進氣裝置和濕度調節(jié)裝置向反應腔內輸送氣體，拆卸進行清洗。具體用熱水震蕩清洗管狀反應器6內部兩三遍后，再用熱的實驗超純水潤洗，最后用干燥的零空氣吹干。若連續(xù)一個月實驗后，管狀反應器6內壁會粘有簡單清洗難于去除而殘留的硫酸和有機物等，此時可采取高溫熱空氣吹掃法去除。即簡單清洗后，將管狀反應器6用40℃、70℃和90℃水浴逐步加熱，同時反應腔內通入高流量干燥零空氣吹掃。

本說明書中各個實施例采用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。

對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業(yè)技術人員能夠實現(xiàn)或使用本發(fā)明。對這些實施例的多種修改對本領域的專業(yè)技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。