[发明专利]一种串联差分电迁移率测量仪及其测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种分析仪器及其测量方法，特别涉及一种串联差分电迁移率测量仪及其测量方法。

背景技术

随着社会经济的快速发展，人口数量和能源消耗显著增长，导致排放到大气中的污染物大量增加，形成了比较严重的大气污染问题。大气中细颗粒物的浓度居高不下，严重影响居民生活，威胁身体健康。对于大气细颗粒物的理化性质及其形成机制的研究已成为目前环保领域中一个令人关注的重要课题。颗粒物组分中的一些无机盐类（如氯化钠、硫酸铵等）以及部分有机组分（如有机酸）能表现出明显的吸湿性，使得颗粒物在高湿度条件下的粒径高于其在低湿度条件下的粒径。大气细颗粒物的吸湿性直接影响其粒径、光学性质，被认为是灰霾形成的重要影响因素。气溶胶的化学组分和混合状态不同，在不同的相对湿度下的吸湿增长也各不相同。通过测量颗粒物在不同湿度条件下的粒径，可以计算其吸湿增长因子表征颗粒物的吸湿性。气溶胶的吸湿特性可反映其化学组分和混合状态，预测其大气行为，是大气气溶胶非常重要理化参数。挥发性是反应颗粒物的化学组分和混合状态的另一个重要参数，在研究颗粒物有机物组分特征方面具有非常重要的意义。挥发性一般通过测量气溶胶在不同的温度下的粒径变化来表征。

目前，市场上有比较成熟的测量颗粒物粒径分布的仪器，如美国TSI公司的扫描电迁移率颗粒物粒径谱仪（Scanning Mobility Particle Sizer，SMPS），在我国和世界范围内都得到了广泛的利用。该仪器利用不同粒径的颗粒物带电之后在电场中的运动轨迹（由电迁移率决定）的不同，通过差分电迁移率分级器（Differential Mobility Analyzer，DMA）将不同电迁移率的颗粒物进行分离，再通过冷凝颗粒物计数器（Condensation Particle Counter，CPC）分别计量不同粒径段的颗粒数，进而得到颗粒物的粒径分布。

串联差分电迁移率技术（Tandem Differential Mobility Analyzer,TDMA）将两个DMA串联使用，由于能够方便快捷的测量颗粒物经历快速物理化学变化（如吸湿）前后的粒径变化,是目前测量颗粒物吸湿性的主流技术。TDMA技术的关键是快速稳定的控制气溶胶的吸湿以及维持其测量时的湿度。目前国际上采用的TDMA都在快速稳定的控制湿度，尤其是接近饱和的高湿度方面，有一定的局限性。气溶胶的加湿一般通过通过全氟磺酸管(Nafion Tube)实现，利用全氟磺酸膜只允许水分子通过的特点，通过全氟磺酸管周围的湿空气（壳气）加湿通过全氟磺酸管内腔的气溶胶。但是由于全氟磺酸膜有一定的储藏水的能力，实际操作中，气溶胶湿度的变化不如全氟磺酸管壳气湿度变化迅速，存在一定的滞后时间。另一方面，为保证在特定湿度条件下测量吸湿后的气溶胶的粒径分布，需要准确控制DMA的壳气湿度和气溶胶湿度一致。控制DMA壳气湿度一般有两类方案，即循环方式和开放方式。循环方式的壳气系统将DMA的壳气循环使用，通过气溶胶样品气流的湿度调节整个DMA系统的湿度。循环方式的壳气系统结构比较简单，流量控制比较容易，但是要求比较大的密封性，同时由于壳气流量往往是气溶胶样品气流流量的10倍左右，壳气湿度的调节速度很慢。开放方式的壳气系统使用配比的干湿空气混合后作为壳气，调整湿度的效率高，密封性的要求不高，但是流量控制比较复杂。TDMA技术还可以用来测量细颗粒物的挥发性。测量挥发性的装置和测量吸湿性的装置类似，只需用一段加热的管路以及扩散吸附管代替全氟磺酸管即可。

目前市场上没有成熟的商业化V/H-TDMA系统可供选择，仅有极个别商业化H-TDMA，而且价格极其昂贵，因此一般都是科研单位自行搭建，但是，TDMA涉及到电工、气溶胶力学、流体力学、光谱学等学科，仪器构成复杂，对精密度有很高的要求，完全自行搭建费时费力，难度较大。相比完全自行搭建，将已有商业化SMPS仪器扩展为TDMA，只需保证串联后的第二级DMA能在恒定的条件（如恒定的温度）下进行测量，是一种比较简单和可行性更高的方法。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种串联差分电迁移率测量仪及其测量方法，能够快速准确地测量大气中微细颗粒物的吸湿增长因子以及挥发比例，能够满足了解各类环境中纳米级颗粒物的吸湿特性和挥发特性的目的。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：