根据颗粒尺寸实现选择性气溶胶颗粒收集的方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及用于收集气溶胶中可能存在的颗粒的方法和装置。本发明专利技术在于静电收集气溶胶中的所有颗粒，但是将用于通过单极离子扩散使颗粒带电而使最细颗粒带电然后收集最细颗粒的机制与用于通过电晕效应电场使颗粒带电而使最大颗粒带电然后在与用于最细颗粒的收集区不同的收集区收集最大颗粒的机制分开。本发明专利技术还涉及该装置作为电离室的用途或用于评价工人或消费者对纳米颗粒的暴露程度的用途。

Methods and devices for the collection of selective aerosol particles based on particle size

The present invention relates to a method and device for collecting particles that may exist in aerosols. The present invention is that all particles in the aerosol collection, but will be used by monopolar ion diffusion make the charged particles and the fine particles and then charged fine particles and the collection mechanism used to separate mechanism by corona effect electric field to charged particles and make the largest collection of charged particles and the largest particles in different and in the fine particle collection the collecting area. The invention also relates to the use of the device as an ionization chamber or to evaluate the use of workers or consumers to the degree of exposure to nanoparticles.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】根据颗粒尺寸实现选择性气溶胶颗粒收集的方法和装置
本专利技术涉及收集和分析气溶胶中可能悬浮存在的颗粒的领域。更具体而言，本专利技术涉及一种静电装置的制造，该静电装置用于通过静电沉淀来收集颗粒，包括气溶胶中含有的纳米颗粒。本专利技术的目的是允许同时但根据它们的尺寸而选择性地收集气溶胶中的悬浮颗粒，选择性优选地旨在收集、同时分离微米尺寸的颗粒或亚微米尺寸的颗粒(即大于或等于300nm)与纳米颗粒。“纳米颗粒”可根据标准ISOTS/27687的标准定义来理解：三维尺寸为纳米尺度的纳米对象，即具有小于约100nm的标称直径的颗粒。
技术介绍
自20世纪70年代以来，对由气溶胶引起的环境影响和健康影响的认识已成为新技术开发的来源，从而更好地评估相关风险。该领域在20世纪80年代迅速扩展，包括在高科技生产方法中使用气溶胶和在超洁净气氛中控制气溶胶污染。从20世纪90年代开始，对超细颗粒(即小于100纳米的那些颗粒)的性质以及气溶胶对气候的影响的研究更加热烈。因此，该领域非常广泛，因为它同时涵盖工业卫生、空气污染控制、吸入毒理学、大气物理学和化学以及装置或环境中的放射性气溶胶污染各领域。最近，纳米技术在诸如健康、微电子、能源技术或日常消费品(例如涂料和化妆品)等多个领域中迅速发展，意味着为了确保最佳的安全条件，致力于继续研究这些新材料对健康和环境的影响至关重要。因此，需要开发方法和工具来评估工人、消费者以及环境对于颗粒的暴露程度，特别是对于纳米颗粒的暴露程度。因此，对用于在大范围颗粒尺寸(至多为纳米颗粒尺寸)范围内取样和分析气溶胶的方法和装置的开发在公共卫生和预防相关风险方面成为关键问题。具体而言，对适于便携式并且固定为处于用于制造纳米对象或处理纳米材料或使用纳米材料的工作站的工人的工作服的单元取样装置的开发可能证明是必不可少的。存在许多用于取样和收集气溶胶中的悬浮颗粒的装置，从而在现场或在实验室中分析它们。它们可以通过在纤维或多孔膜上过滤实现收集，通过扩散收集最细颗粒，在惯性力场(冲击器、旋风器、离心机)或重力场(沉降室、洗脱器)的作用下收集最大颗粒，或甚至在电场、热场或辐射场的作用下实现收集。在这些装置当中，通常使用静电装置，即其工作原理是基于实现电场，特别是用于产生电晕放电效应的强电场。当在存在气溶胶颗粒的体积中产生强电场时，所述颗粒可以通过两个不同的带电机制而带电，并且这可以同时发生。出版物[1]，特别是该出版物的第330页图15.4，示出了：与场带电机制相关的单极离子扩散带电机制适用于大范围的粒径，至少对于尺寸在0.01μm和10μm之间的颗粒是适用的。同样清楚的是，单极离子扩散带电机制对于最细颗粒(通常是纳米颗粒，即小于100nm的那些)尤其占优势。相比之下，场带电机制对于大颗粒(即微米尺寸的颗粒和亚微米尺寸的颗粒(≥300纳米))更有效。作为实例，如果颗粒的电迁移率(用Z表示)在CGS(厘米-克-秒单位制)静电单位中被认为是大约1cm2/st.V.s，即以SI(国际标准)单位为3.3×10-7m2/V.s，则被置于产生105V/m的电场E的两个平面且平行的板之间的该颗粒达到等于乘积Z*E的速度W，即W约为0.033m/s。可以明显看出，与颗粒经受的其它力场，即重力场、惯性场、热场和辐射场相比，静电力产生的速度要高得多。这种优势在可市售的静电净化器的操作中得以利用，其中扩散带电过程和场带电过程可以一起作用。使气溶胶颗粒带电需要具有高浓度的单极离子。到目前为止，在大气中产生这些离子最有效的方法是电晕放电法。为了产生电晕放电，必须建立具有使静电场变得不均匀的几何结构的静电场。更具体而言，这种高电场(在放电电极附近为每厘米几千到几万伏特)由两个彼此靠近的电极感应：第一偏压电极或放电电极，其通常以线或点的形式被布置成朝向第二电极；所述第二电极为对电极的形式，通常具有平面或圆柱形几何结构。存在于两个电极之间的电场使位于电极间空间中的气体体积、特别是位于放电电极周围的电离气体的鞘或环电离。所产生的电荷通过向对电极迁移而使气体中所含的待分离颗粒带电。这样产生的带电颗粒然后朝向对电极迁移，它们可以在对电极上被收集。该对电极通常被称为收集电极。由于所需的电场水平，需要使用具有(非常)低曲率半径的放电电极。因此，所遇到的放电电极通常是细点或小直径线。因此，通过基于由自然照射产生的电子和离子的过程，电子在具有非常低的曲率半径的电极附近产生的强电场中被加速。由于施加的电压高，如果该场超过临界值，则雪崩效应导致该空间中的空气电离。这种现象被称为电晕放电。作为实例，图1A至图1E示出了最适于获得电晕放电的电极的一些结构，即分别为点-平面布置(图1A)、叶片-平面布置(图1B)、线-平面布置(图1C)、线-线布置(图1D)、线-筒布置(图1E)。例如，在点-平面结构中，如果点相对于平面是正的，则电子快速地移向该点，而正离子朝向平面移动，然后产生正的单极空间。此外，还建立了离子风，也称为离子型风，其特征在于由正离子与周围的中性分子的碰撞产生的从点指向平面的气流。相反，如果该点相对于平面是负的，则正离子向该点移动，并且电子通过附着到空气分子而向平面移动从而形成负离子。在任何情况下，即使产生正离子或负离子的过程不是完全对称的，单极离子也以大约106-109/cm3的高浓度从点向平面迁移，并且不管极性如何，都产生从点指向平面的电风。因此，将气溶胶颗粒引入点-平面空间使得使用场带电过程以与点相同的极性使它们带电。此外，用于产生电晕效应和电风的场也参与场带电过程。对于图1B到图1E中所示的其它结构，用于产生离子和用于颗粒的场带电过程在所有方面是相似的。在使分析能够基于该原则运行的支持下，某些销售的静电除尘器用于采样和收集颗粒。例如，已经引用的出版物[1]的第341页图15.9示出了允许气溶胶颗粒沉积在电子显微镜网格上的装置，其中以点-平面结构使颗粒带电和沉淀。另一实例示于同一出版物[1]的第223页图10.10中，并且以点-平面几何结构实施带电和沉淀技术来收集压电晶体上的气溶胶颗粒。如已经提到的，单极离子扩散带电机制主要适用于最细颗粒。这种机制在纳米颗粒计量学中越来越多地被实行，特别是用于确定它们的粒度。事实上，许多作者已经研究并继续研究能够提供具有高电迁移率的最细颗粒的器件，从而能够在适于该新领域的仪器中选择它们。特别地，可以为此引用文章[2]，其综述了迄今为止所开发的大多数技术，甚或出版物[3]的作者所开发的原理，其使用线筒结构，该线筒结构最近已经被广泛研究，如出版物[4]以及先前的(出版物[5])中所示出的那样。图2是单极离子扩散带电装置(也称为充电器、带电器)的示意图，其几何结构为线-筒型，如出版物[4]中所示。带电器10包括以两部分旋转对称的主体1，该两部分支撑形成与交流电源连接的外部电极的中空金属圆筒11，和沿着主体的轴线布置并连接到未示出的高压电源的中心金属线12。形成内部电极的圆柱形栅极14也围绕中心线12呈环形布置。含有待带电的颗粒的气溶胶在带电器10中通过穿过空间15从入口孔17到出口孔18循环，所述空间15限定在由栅极形成的内部电极14和由圆筒形成的外部电极11之间。该带电器10如下操作：离子通过中心线12上的电晕效本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于收集气溶胶中可能存在的颗粒的方法，包括以下步骤：‑通过导管(11)从导管的入口孔(17)吸入(18、42)气溶胶至导管的出口孔(18)；‑通过在围绕产生电晕效应的线(12)形式的电极的栅极(14)形式的电极与所述导管的内壁的第一导电部分之间的空间(15)中的单极离子扩散(10)，使所述入口孔下游的最细颗粒带电；‑在电极(22)和所述导管的内壁的第二导电部分(24)之间的空间(21)中产生没有电晕效应的电场，从而通过沉积到第一收集区(Zn)上而收集被扩散带电器带电的最细颗粒；‑在电极(32)的线或点与所述导管的内壁的第三导电部分(34、6)之间的空间(31)中产生具有电晕效应的电场，从而通过沉积到与所述第一收集区不同的第二收集区(Zm)上而收集未被所述扩散带电器带电的最大颗粒。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.07.28 FR 15572211.一种用于收集气溶胶中可能存在的颗粒的方法，包括以下步骤：-通过导管(11)从导管的入口孔(17)吸入(18、42)气溶胶至导管的出口孔(18)；-通过在围绕产生电晕效应的线(12)形式的电极的栅极(14)形式的电极与所述导管的内壁的第一导电部分之间的空间(15)中的单极离子扩散(10)，使所述入口孔下游的最细颗粒带电；-在电极(22)和所述导管的内壁的第二导电部分(24)之间的空间(21)中产生没有电晕效应的电场，从而通过沉积到第一收集区(Zn)上而收集被扩散带电器带电的最细颗粒；-在电极(32)的线或点与所述导管的内壁的第三导电部分(34、6)之间的空间(31)中产生具有电晕效应的电场，从而通过沉积到与所述第一收集区不同的第二收集区(Zm)上而收集未被所述扩散带电器带电的最大颗粒。2.根据权利要求1所述的用于收集放射性颗粒的方法，还包括以下步骤：a、在时间段t1期间在所述第一收集区和/或所述第二收集区上收集放射性颗粒；b、在时间段t2期间对由所述空间(21、31)中空气的电离电流产生的脉冲进行计数。3.根据权利要求2所述的用于收集放射性颗粒的方法，包括在超过步骤b中计数的脉冲的预定阈值的情况下发出警报的步骤。4.一种用于收集气溶胶中可能存在的颗粒的装置(1)，包括：-包括入口孔(17)和出口孔(18)的导管(11)，所述气溶胶可在入口孔(17)和出口孔(18)之间循环；-用于使所述气溶胶从所述入口孔循环到所述出口孔的抽吸装置(18、42)；-在所述入口孔下游的单极离子扩散带电器(10)，所述单极离子扩散带电器(10)包括由栅极(14)形式的电极围绕的线(12)形式的电极，所述带电器适于通过所述栅极使单极离子扩散以在将所述栅极与所述导管的内壁的第一导电部分隔开的空间(15)中使最细颗粒带电；-在所述扩散带电器下游的电极(22)，所述电极(22)适于在将所述电极(22)与所述导管的内壁的第二导电部分(24)隔开的空间(21)中产生无电晕效应的电场，并因此通过沉积到第一收集区(Zn)上而收集预先被所述扩散带电器带电的最细颗粒；-在所述离子扩散带电器和纳米颗粒收集区下游的电场带电器(30)，所述电场带电器(30)包括线或点形式的电极(32)，所述电极(32)适于在将所述线或点与所述导管的内壁的第三导电部分(34、6)隔开的空间(31)中产生具有电晕效应的电场并因此使最大颗粒带电，然后通过沉积在不同于所述第一收集区的第二收集区(Zm)上而收集所述最大颗粒。5.根据权利要求4所述的收集装置，其中：-所述导管(11)是围绕纵向轴线(X)...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·可拉瓦古拉，A·吉奥特，M·豪尔普利克斯，N·丹尼尔，
申请(专利权)人：原子能和替代能源委员会，
类型：发明
国别省市：法国,FR