本發(fā)明涉及納米顆粒物性質(zhì)測(cè)量技術(shù)，具體涉及一種大氣納米顆粒物熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的實(shí)時(shí)追蹤測(cè)量裝置和方法。

背景技術(shù)：

大氣納米顆粒物是指環(huán)境大氣中納米數(shù)量級(jí)的能夠穩(wěn)定懸浮于氣體介質(zhì)中的顆粒物。京津冀地區(qū)大氣中存在高濃度的氣態(tài)前體物，從而為大氣成核以及初始和后續(xù)增長提供優(yōu)越條件，即新粒子生成及增長過程。新粒子生成是城市大氣細(xì)顆粒物數(shù)濃度的主要來源，其高頻率生成與快速增長是大氣重污染的重要環(huán)節(jié)。因此，實(shí)時(shí)跟蹤研究新粒子生成過程及初始和后續(xù)增長中大氣納米顆粒物的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)是揭示重污染形成機(jī)制的關(guān)鍵。

目前，對(duì)納米顆粒物化學(xué)成分測(cè)定主要依賴于質(zhì)譜技術(shù)，一方面質(zhì)譜造價(jià)昂貴，另外由于納米顆粒物質(zhì)量極小，其化學(xué)成分極難檢測(cè)，所以質(zhì)譜技術(shù)不能用于測(cè)定小粒子。基于測(cè)定納米顆粒物熱動(dòng)力學(xué)性質(zhì)間接推斷顆粒物化學(xué)成分的方法也被用于研究納米顆粒物，但是，現(xiàn)有技術(shù)只能對(duì)固定顆粒物粒徑進(jìn)行測(cè)量，而無法追蹤納米顆粒物在大氣中連續(xù)增長的過程；此外，現(xiàn)有技術(shù)針對(duì)顆粒物熱動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的測(cè)量參數(shù)只包括揮發(fā)性和吸濕性，無法追蹤測(cè)定顆粒物密度?，F(xiàn)有測(cè)量技術(shù)手段必然會(huì)造成粒徑分辨率低、信息損失的問題，而且，現(xiàn)有技術(shù)對(duì)這些物理化學(xué)特性只能分別測(cè)量，在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)，存在因分辨率不同而進(jìn)一步造成信息損失和不完整的問題，難以滿足納米顆粒物的研究的需要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種大氣納米顆粒物熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的實(shí)時(shí)追蹤測(cè)量裝置(系統(tǒng))和方法，通過實(shí)時(shí)追蹤測(cè)量系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)定顆粒物粒徑數(shù)濃度譜分布并在線確定數(shù)濃度最高值，再通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)置，追蹤測(cè)定顆粒物增長過程中不同粒徑顆粒物的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。

本發(fā)明的原理是：新粒子生成過程是指大氣中的氣態(tài)污染物長成顆粒物的過程，因此，我們通過在新粒子生成過程中測(cè)定其最大濃度對(duì)應(yīng)的粒徑，即可獲得新粒子成長后粒徑，通過測(cè)定最大濃度對(duì)應(yīng)的粒徑的顆粒物的吸濕性、揮發(fā)性和密度，同時(shí)進(jìn)行高分辨的在線追蹤測(cè)量，就能得到新粒子生成和后續(xù)增長過程中熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的變化，從而為研究顆粒物成霾等機(jī)理研究提供數(shù)據(jù)和技術(shù)手段。本發(fā)明將需要由三個(gè)獨(dú)立測(cè)量裝置實(shí)現(xiàn)測(cè)量獲得數(shù)據(jù)結(jié)果的工作設(shè)計(jì)成為一個(gè)實(shí)時(shí)追蹤測(cè)量裝置，可實(shí)現(xiàn)用數(shù)濃度譜分布得到的最高值所對(duì)應(yīng)的粒徑，并實(shí)時(shí)測(cè)定該粒徑下顆粒物的熱動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，由此實(shí)現(xiàn)追蹤整個(gè)新粒子增長過程中的熱動(dòng)力學(xué)性質(zhì)變化。

本發(fā)明提供的技術(shù)方案是：

一種大氣納米顆粒物熱動(dòng)力學(xué)性質(zhì)實(shí)時(shí)追蹤測(cè)量裝置(系統(tǒng))，包括硬件部分和軟件控制系統(tǒng)；硬件部分包括顆粒物帶電部分、顆粒物譜分布掃描部分、吸濕性測(cè)量部分、揮發(fā)性測(cè)量部分和密度測(cè)定部分；軟件控制系統(tǒng)為Labview系統(tǒng)軟件。labview軟件控制系統(tǒng)可通過編程程序控制所有硬件部分(包括顆粒物帶電部分、顆粒物譜分布掃描部分、吸濕性測(cè)量部分以及揮發(fā)性測(cè)量部分和密度測(cè)定部分)的正常運(yùn)行的順序及過程。顆粒物帶電部分和顆粒物譜分布掃描部分相連接；顆粒物譜分布掃描部分分別與吸濕性測(cè)量部分、揮發(fā)性測(cè)量部分和密度測(cè)定部分相連接；不銹鋼管連接。軟件控制系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)線連著各硬件，再用程序通過數(shù)據(jù)線輸入信號(hào)以及讀取各硬件返回的數(shù)據(jù)信號(hào)。環(huán)境大氣顆粒物進(jìn)入實(shí)時(shí)追蹤測(cè)量系統(tǒng)，首先經(jīng)過顆粒物帶電部分使環(huán)境大氣顆粒物帶電，之后進(jìn)入顆粒物譜分布掃描部分進(jìn)行掃描得到數(shù)濃度粒徑譜分布峰值粒徑，將篩選出的峰值粒徑的顆粒物同時(shí)分為3個(gè)并列的部分，分別通過吸濕性測(cè)量部分、揮發(fā)性測(cè)量部分和密度測(cè)定部分進(jìn)行吸濕性、揮發(fā)性和密度的測(cè)定。

所述顆粒物帶電部分包括1個(gè)K85中和器。

顆粒物帶電部分用電離源將顆粒物帶電荷，呈玻爾茲曼分布。常用的電離源有K85和x射線軟電離源。

所述譜分布掃描部分包括1個(gè)DMA(Differential Mobility Analyzer，電遷移率粒徑分析儀)及第一鞘氣循環(huán)系統(tǒng)和1個(gè)CPC(Condensation Particle Counter，凝結(jié)式顆粒物計(jì)數(shù)儀)。所述第一鞘氣循環(huán)系統(tǒng)包括Nafion管、鼓風(fēng)機(jī)、熱交換機(jī)、流量計(jì)、高效過濾膜。

所述吸濕性測(cè)量部分包括加濕模塊、1個(gè)DMA及第二鞘氣循環(huán)系統(tǒng)和1個(gè)CPC。所述加濕模塊包括質(zhì)量流量計(jì)、Core-tex加濕管和加熱器，且均由水泵供水。所述第二鞘氣循環(huán)系統(tǒng)包括Nafion管、鼓風(fēng)機(jī)、熱交換機(jī)、流量計(jì)、高效過濾膜和鞘氣加濕模塊。

所述揮發(fā)性測(cè)量部分包括加熱模塊、1個(gè)DMA及第一鞘氣循環(huán)系統(tǒng)和1個(gè)CPC。所述加熱模塊包括加熱部分、冷卻部分及溫度傳感器，所述鞘氣循環(huán)系統(tǒng)與譜分布掃描部分所用的鞘氣循環(huán)系統(tǒng)相同。

所述密度測(cè)定部分包括1個(gè)CPMA(Centrifugal Particle Mass Analyzer，離心粒子質(zhì)量分析儀)和1個(gè)CPC。

所述Labview系統(tǒng)軟件控制部分是指計(jì)算機(jī)中Labview可視化控制程序軟件，用于控制各儀器硬件的運(yùn)行，包括獲取數(shù)濃度粒徑譜分布峰值粒徑并篩選出單一粒徑的顆粒物，控制吸濕性測(cè)量部分、揮發(fā)性測(cè)量部分及密度測(cè)定部分測(cè)定時(shí)間、PID(Proportion Integration Differentiation,比例積分微分)調(diào)節(jié)法調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)各氣路流量、溫度、濕度處于設(shè)定值等。

本發(fā)明還提供一種大氣納米顆粒物熱動(dòng)力學(xué)性質(zhì)實(shí)時(shí)追蹤測(cè)量方法，利用上述大氣納米顆粒物熱動(dòng)力學(xué)性質(zhì)追蹤測(cè)量裝置，對(duì)大氣納米顆粒物的熱動(dòng)力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行追蹤測(cè)量，包括如下步驟：

1)環(huán)境大氣顆粒物先進(jìn)入顆粒物帶電部分，即含K85的中和器，使顆粒物帶電且呈玻爾茲曼分布；

2)顆粒物帶電后，以恒定流量(1L/min)進(jìn)入顆粒物譜分布掃描部分，5分鐘后掃描出環(huán)境大氣顆粒物數(shù)濃度粒徑譜分布。系統(tǒng)程序通過高斯擬合方法獲取最大數(shù)濃度所對(duì)應(yīng)的粒徑Dp_max，將掃描粒徑設(shè)定為Dp_max,從而篩選出該粒徑的顆粒物；

3)將篩選出的該單一粒徑顆粒物分為3路，同時(shí)通入吸濕性測(cè)量部分、揮發(fā)性測(cè)量部分及密度測(cè)定部分，進(jìn)行顆粒物的吸濕性、揮發(fā)性及密度的測(cè)定，測(cè)定時(shí)間為8-10分鐘(或以上)；從而得到最大數(shù)濃度所對(duì)應(yīng)的粒徑的大氣顆粒物的吸濕性、揮發(fā)性及密度，由此獲得大氣顆粒物的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)；

4)重復(fù)步驟1)～3)，從而實(shí)時(shí)跟蹤新粒子生成及增長過程中顆粒物吸濕性、揮發(fā)性及密度變化。

上述方法能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)新生成的粒子，測(cè)量得到大氣中新生成的粒子長到哪個(gè)粒徑，并同時(shí)測(cè)定該粒徑下的熱動(dòng)力學(xué)性質(zhì)；如此循環(huán)監(jiān)測(cè)，最終能夠測(cè)定獲得新生成粒子的增長過程中熱動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的變化。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明將由多個(gè)獨(dú)立測(cè)量裝置實(shí)現(xiàn)測(cè)量獲得數(shù)據(jù)結(jié)果的工作，設(shè)計(jì)成為一個(gè)實(shí)時(shí)追蹤測(cè)量裝置，能夠通過數(shù)濃度譜分布來獲得到最高值所對(duì)應(yīng)的粒徑，并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)定該粒徑下顆粒物的熱動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，由此實(shí)現(xiàn)追蹤整個(gè)新粒子增長過程中的熱動(dòng)力學(xué)性質(zhì)變化。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

一、本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)追蹤測(cè)量大氣納米顆粒物的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)；

二、測(cè)量系統(tǒng)工作時(shí)，由譜分布掃描部分提供大氣中數(shù)濃度最高的顆粒物粒徑并篩選出該粒徑的顆粒物，吸濕部分、揮發(fā)部分及密度測(cè)定部分實(shí)現(xiàn)吸濕、揮發(fā)特性以及密度的針對(duì)性測(cè)量，時(shí)間分辨率為13分鐘，具有高效的實(shí)時(shí)追蹤的特點(diǎn)；

三、與傳統(tǒng)獨(dú)立測(cè)量方式相比，本發(fā)明相當(dāng)于將三種測(cè)量需求一體化，不僅操作上更加集成化、簡單明了，而且時(shí)間分辨率高、揭示機(jī)理的效用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單個(gè)儀器分別測(cè)定，完全實(shí)現(xiàn)了對(duì)大氣納米顆粒物的熱動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的高效在線實(shí)時(shí)追蹤測(cè)量。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提供的測(cè)量方法的流程框圖。

圖2為譜分布掃描部分測(cè)量的顆粒物數(shù)濃度粒徑譜分布示意圖；

其中，橫坐標(biāo)表示顆粒物粒徑；縱坐標(biāo)表示每個(gè)粒徑對(duì)應(yīng)的顆粒物數(shù)濃度的對(duì)數(shù)值；豎線表示的是數(shù)濃度譜分布中最高值對(duì)應(yīng)的顆粒物粒徑。

圖3為大氣納米顆粒物熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)追蹤測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

其中，虛線框出五個(gè)硬件組成部分，包括：1顆粒物帶電部分、3—顆粒物譜分布掃描部分、6—吸濕性測(cè)量部分、10—揮發(fā)性測(cè)量部分、14—密度測(cè)定部分；顆粒物帶電部分1包括：2—K85中和器；顆粒物譜分布掃描部分3包括：4—DMA及鞘氣循環(huán)系統(tǒng)和5—CPC；吸濕性測(cè)量部分6包括：7—加濕模塊、8—DMA及鞘氣循環(huán)系統(tǒng)、9—CPC；揮發(fā)性測(cè)量部分10包括：11—加濕模塊、12—DMA及鞘氣循環(huán)系統(tǒng)、13—CPC；密度測(cè)定部分14包括：15—CPMA和16—CPC；17—軟件控制系統(tǒng)；軟件控制系統(tǒng)17通過數(shù)據(jù)傳輸線分別與顆粒物譜分布掃描部分3、吸濕性測(cè)量部分6、揮發(fā)性測(cè)量部分10及密度測(cè)定部分14相連接，用來傳輸控制命令與接收硬件部分讀取的數(shù)據(jù)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，通過實(shí)施例進(jìn)一步描述本發(fā)明，但不以任何方式限制本發(fā)明的范圍。

本發(fā)明提供一種大氣納米顆粒物熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的實(shí)時(shí)追蹤測(cè)量裝置(系統(tǒng))和方法，通過實(shí)時(shí)追蹤測(cè)量系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)定顆粒物粒徑數(shù)濃度譜分布并在線確定數(shù)濃度最高值，再通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)置，追蹤測(cè)定顆粒物增長過程中不同粒徑顆粒物的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。圖1為本發(fā)明提供的測(cè)量方法的流程框圖，對(duì)大氣納米顆粒物的熱動(dòng)力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行追蹤測(cè)量，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)新生成的粒子，測(cè)量得到大氣中新生成的粒子長到哪個(gè)粒徑，并同時(shí)測(cè)定該粒徑下的熱動(dòng)力學(xué)性質(zhì)；如此循環(huán)監(jiān)測(cè)，最終能夠測(cè)定獲得新生成粒子的增長過程中熱動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的變化。對(duì)大氣納米顆粒物熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的實(shí)時(shí)追蹤測(cè)量具體包括如下步驟：

1)環(huán)境大氣顆粒物先進(jìn)入顆粒物帶電部分，即含K85的中和器，使顆粒物帶電且呈玻爾茲曼分布；

2)顆粒物帶電后，以恒定流量(1L/min)進(jìn)入顆粒物譜分布掃描部分，5分鐘后掃描出環(huán)境大氣顆粒物數(shù)濃度粒徑譜分布。系統(tǒng)程序通過高斯擬合方法獲取最大數(shù)濃度所對(duì)應(yīng)的粒徑Dp_max，將掃描粒徑設(shè)定為Dp_max,從而篩選出該粒徑的顆粒物；

3)將篩選出的該單一粒徑顆粒物分為3路，同時(shí)通入吸濕性測(cè)量部分、揮發(fā)性測(cè)量部分及密度測(cè)定部分，進(jìn)行顆粒物的吸濕性、揮發(fā)性及密度的測(cè)定，測(cè)定時(shí)間為8-10分鐘(或以上)；從而得到最大數(shù)濃度所對(duì)應(yīng)的粒徑的大氣顆粒物的吸濕性、揮發(fā)性及密度，由此獲得大氣顆粒物的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)；

4)重復(fù)步驟1)～3)，從而實(shí)時(shí)跟蹤新粒子生成及增長過程中顆粒物吸濕性、揮發(fā)性及密度變化。

圖3為大氣納米顆粒物熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)追蹤測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，其中序號(hào)1代表顆粒物帶電部分，包括序號(hào)為2的K85中和器。本實(shí)施例中，環(huán)境大氣顆粒物經(jīng)顆粒物帶電部分后，進(jìn)入序號(hào)為3的譜分布掃描部分，該部分包括序號(hào)為4和5的DMA及鞘氣循環(huán)系統(tǒng)和CPC。5分鐘后可獲取顆粒物數(shù)濃度粒徑譜分布，如圖2所示，系統(tǒng)程序通過高斯擬合方法獲取最大數(shù)濃度所對(duì)應(yīng)的粒徑Dp_max＝20nm，因此可得知，此時(shí)新粒子增長至20nm。將掃描粒徑設(shè)定為20nm,篩選出該粒徑的顆粒物。將篩選出的20nm大氣環(huán)境顆粒物分為三路，同時(shí)通入序號(hào)為6、10和14的吸濕性測(cè)量部分、揮發(fā)性測(cè)量部分及密度測(cè)定部分進(jìn)行吸濕性、揮發(fā)性及密度的測(cè)定，測(cè)定時(shí)間為8-10分鐘。其中，吸濕性測(cè)量部分6包括加濕模塊7、DMA及鞘氣循環(huán)系統(tǒng)8、CPC9。由譜分布掃描部分3篩選出的單一粒徑顆粒物經(jīng)加濕模塊7進(jìn)行加濕處理后，調(diào)節(jié)DMA給定電壓區(qū)間配合對(duì)應(yīng)的CPC9計(jì)數(shù)從而獲得實(shí)時(shí)的吸濕性信息。其中揮發(fā)性測(cè)量部分10包括加濕模塊11、DMA及鞘氣循環(huán)系統(tǒng)12、CPC13。由譜分布掃描部分3篩選出的單一粒徑顆粒物經(jīng)加濕模塊7進(jìn)行加熱處理后，調(diào)節(jié)DMA給定電壓區(qū)間配合對(duì)應(yīng)的CPC計(jì)數(shù)從而獲得實(shí)時(shí)的揮發(fā)性信息。密度測(cè)定部分14包括CPMA15和CPC16。CPMA(Centrifugal Particle Mass Analyzer)配合CPC計(jì)數(shù)，從而獲得實(shí)時(shí)的顆粒物密度信息。最終能夠獲得的數(shù)據(jù)為：吸濕性(吸濕增長因子：即顆粒物在給定的相對(duì)濕度下，吸濕增長后的粒徑與干粒徑20nm的比值)、揮發(fā)性(塌縮因子：即顆粒物在給定的加熱溫度下，顆粒物中易揮發(fā)組分揮發(fā)后的粒徑與干粒徑20nm的比值)及顆粒物的密度(即顆粒物質(zhì)量濃度與其體積的比值)，由此實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)追蹤測(cè)定顆粒物增長過程中不同粒徑顆粒物的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。

需要注意的是，公布實(shí)施例的目的在于幫助進(jìn)一步理解本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解：在不脫離本發(fā)明及所附權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換和修改都是可能的。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于實(shí)施例所公開的內(nèi)容，本發(fā)明要求保護(hù)的范圍以權(quán)利要求書界定的范圍為準(zhǔn)。