一种颗粒物表面光催化自由基定量探测装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种颗粒物表面光催化自由基定量探测装置及方法，涉及大气光化学领域，装置中，光源模块将光解光束或模拟自然光束照射至反应模块内；配气系统将自由基前体物合成气通入反应模块中；反应模块是自由基的产生场所，利用光解光束对自由基前体物合成气进行光解产生自由基，或者利用模拟自然光束/太阳光对反应模块中放置的颗粒物样本进行光催化产生自由基；反应模块中的自由基进入自由基检测模块中，自由基检测模块利用激光激发自由基产生荧光，并采集荧光光子信号和出射激光能量。方法为先通过已知浓度的自由基前体物合成气的光解产生自由基对装置进行标定，标定完成后，再对颗粒物表面在光催化下所产生的自由基浓度进行定量测量。浓度进行定量测量。浓度进行定量测量。

【技术实现步骤摘要】
一种颗粒物表面光催化自由基定量探测装置及方法


[0001]本专利技术涉及大气光化学
，尤其是一种颗粒物表面光催化自由基定量探测装置及方法。

技术介绍

[0002]近年来，大气细颗粒物(PM2.5)污染已成为严重影响人类健康的重大环境问题。如今，由大气氧化剂驱动的气态污染物，如SO2、NOx和挥发性有机化合物(VOCs)，快速转化为PM，如硫酸盐、硝酸盐和二次有机气溶胶(SOAs)，被认为是细颗粒快速成核和生长的主要驱动力，这通常会导致严重的雾霾事件。然而，目前确定的氧化途径似乎是不完整的，因为它们不能完全解释在严重霾事件期间观察到的极高水平PM，这表明可能存在其他不明来源的大气氧化剂。快速的经济发展和工业化导致烟尘颗粒物的排放迅速增加，导致越来越多的高PM2.5雾霾事件。
[0003]自由基是大气中最重要的氧化剂，在理论研究的基础上，我们提出大气颗粒物表面的在光催化下会产生自由基，因此，测量出颗粒物表面在光催化下产生的自由基种类及浓度对于进一步完善大气氧化过程至关重要。
[0004]由于自由基具有高活性与低寿命的特点，加上颗粒物表面在光照下产生的自由基浓度较低，自由基很容易在采样及测量的过程中损失甚至淬灭，自由基的低寿命特点也决定了其本身没有标准气源，因此，尚未有准确测量出颗粒物表面在光催化下产生的自由基种类及具体浓度的合适方案。

技术实现思路

[0005]为了克服上述现有技术中的缺陷，本专利技术提供一种颗粒物表面光催化自由基定量探测装置及方法，旨在保证在指定光照波段及光照强度下，尽可能地减少的自由基的碰撞损失及寿命损失，并采用高灵敏度可定量的探测方法，从而准确测量出颗粒物表面在光催化下产生的自由基种类及具体浓度。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案，包括：
[0007]一种颗粒物表面光催化自由基定量探测装置，装置包括：光源模块、反应模块、配气系统、自由基检测模块、控制系统；
[0008]所述光源模块用于产生光解光束或模拟自然光束，并将光解光束或模拟自然光束照射至反应模块内；所述光解光束用于光解自由基前体物产生自由基；所述模拟自然光束用于照射颗粒物表面，对颗粒物表面进行光催化产生自由基；
[0009]所述配气系统与反应模块相连通，用于将自由基前体物合成气通入反应模块中；
[0010]所述反应模块是自由基的产生场所，利用光源模块照射的光解光束对自由基前体物合成气进行光解产生自由基；或者利用光源模块照射的模拟自然光束对反应模块中放置的颗粒物样本进行光催化产生自由基；或者直接利用太阳光照射至反应模块内，对反应模块中放置的颗粒物样本进行光催化产生自由基；
[0011]所述反应模块与自由基检测模块相连通，反应模块中所产生的自由基进入自由基检测模块中；所述自由基检测模块用于向自由基发射激光并激发自由基产生荧光，以及用于采集荧光光子信号和出射激光能量；
[0012]所述控制系统用于接收装置中所采集的各个数据，控制装置中的各个可控器件，执行相关的计算任务。
[0013]优选的，所述光源模块包括：用于产生光解光的汞灯，用于产生自然光的氙灯，沿光传播方向依次设置的凹透镜、凸透镜、滤光片、反射镜，以及用于向汞灯和氙灯进行供电的直流稳压电源，用于采集光强的光敏传感器，用于对各个光学器件进行可拆卸式固定的笼式固定架；
[0014]所述光解光或自然光先经凹透镜和凸透镜的扩束并准直得到一束平行光，再经滤光片滤除该平行光束的多余波段；所述反射镜设置于平行光束的中心，平行光束的中心光束照射至反射镜后反射到光敏传感器的感光面上，平行光束的外环光束照射至反应模块内；
[0015]所述滤光片为带通滤光片，通过更换滤光片产生不同波段的光束；所述凹透镜和凸透镜之间的距离可调节，以调节光解光或自然光的平行扩束。
[0016]优选的，所述配气系统包括：标定气瓶、湿润气体流量计、干燥气体流量计、过水瓶、防倒吸瓶、探测管和湿度传感器；
[0017]所述标定气瓶用于存储自由基前体物合成气；所述标定气瓶的输出管分别连接湿润气体管道和干燥气体管道的输入端；所述湿润气体管道上设有湿润气体流量计，所述干燥气体管道上设有干燥气体流量计；所述干燥气体管道的输出端与探测管相连接；所述湿润气体管道依次经过防倒吸瓶和过水瓶后，湿润气体管道的输出端也与探测管相连接；所述探测管与反应模块相连通，用于将自由基前体物合成气通入反应模块中；
[0018]将自由基前体物合成气通入反应模块中，一方面用于被光解产生自由基，另一方面用于带动反应模块中由自由基前体物合成气被光解所产生的自由基进入自由基检测模块中；
[0019]所述探测管中设有湿度传感器，用于采集探测管中的气体湿度；
[0020]若通入反应模块中的气体不需要含水蒸气，则仅打开干燥气体流量计，关闭湿润气体流量计，气瓶中的干燥气体经干燥气体管道和探测管通入到反应模块内；
[0021]若通入反应模块中的气体需要含水蒸气，则同时打开湿润气体流量计和干燥气体流量计，气瓶中的干燥气体分为两路，其中一路经湿润气体管道上的防倒吸瓶和过水瓶后变为湿润气体进入探测管，另一路直接经干燥气体管道进入探测管，探测管中的干燥气体与湿润气体混合后，再通入到反应模块内；
[0022]通过控制干燥气体流量计和湿润气体流量计的通过流量，控制气体中的水蒸气浓度，使得湿度传感器所采集的探测管中的气体湿度达到设定值。
[0023]优选的，所述配气系统还包括：用于存储氮气的氮气瓶；所述氮气瓶的输出管与标定气瓶的输出管通过一个四通相连接，且该四通的另外两个端口分别连接湿润气体管道和干燥气体管道的输入端；将氮气通入反应模块中，用于带动反应模块中由颗粒物光样本被光催化所产生的自由基进入自由基检测模块中。
[0024]优选的，所述反应模块包括：反应器主体、用于密封反应器主体并透射光线的石英
窗片、用于放置颗粒物样本的反应面板；
[0025]所述反应器主体中沿光照射方向开设有第一通孔，且第一通孔分为上下两段，即上段通孔和下段通孔，上段通孔的孔直径大于下段通孔的孔直径，形成用于安装反应面板的安装台阶；
[0026]所述反应面板放置于安装台阶上，所述反应面板的中间开设有与第一通孔相对齐的第二通孔，所述第二通孔的孔直径小于第一通孔的上表面且在第二通孔的外环开设有环形凹槽，环形凹槽用于放置颗粒物样本；
[0027]所述反应器主体中且沿上段通孔的外环开设有截面为圆形的圆环形间隙，所述圆环形间隙的圆周外侧与进气口相连通，进气口与配气系统相连通；所述圆环形间隙的圆周内侧开设有均匀分布的若干个出气孔，通过此若干个出气孔与上段通孔相连通，出气孔中吹出的气流从四周平推到反应面板上方；
[0028]所述上段通孔的内壁沿圆周方向开设有一个梯环形凹槽，梯环形凹槽截面为下底边开口且朝向上段通孔的梯形；所述圆环形间隙即位于梯环形凹槽的外环，若干个出气孔沿圆环形间隙的圆心方向通向梯环形凹槽；
[0029]所述石英窗片本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种颗粒物表面光催化自由基定量探测装置，其特征在于，装置包括：光源模块、反应模块(7)、配气系统、自由基检测模块、控制系统；所述光源模块用于产生光解光束或模拟自然光束，并将光解光束或模拟自然光束照射至反应模块(7)内；所述光解光束用于光解自由基前体物产生自由基；所述模拟自然光束用于照射颗粒物表面，对颗粒物表面进行光催化产生自由基；所述配气系统与反应模块(7)相连通，用于将自由基前体物合成气通入反应模块(7)中；所述反应模块(7)是自由基的产生场所，利用光源模块照射的光解光束对自由基前体物合成气进行光解产生自由基；或者利用光源模块照射的模拟自然光束对反应模块(7)中放置的颗粒物样本进行光催化产生自由基；或者直接利用太阳光照射至反应模块(7)内，对反应模块(7)中放置的颗粒物样本进行光催化产生自由基；所述反应模块(7)与自由基检测模块相连通，反应模块(7)中所产生的自由基进入自由基检测模块中；所述自由基检测模块用于向自由基发射激光并激发自由基产生荧光，以及用于采集荧光光子信号和出射激光能量；所述控制系统用于接收装置中所采集的各个数据，控制装置中的各个可控器件，执行相关的计算任务。2.根据权利要求1所述的一种颗粒物表面光催化自由基定量探测装置，其特征在于，所述光源模块包括：用于产生光解光的汞灯(101)，用于产生自然光的氙灯(102)，沿光传播方向依次设置的凹透镜(2)、凸透镜(4)、滤光片(5)、反射镜(6)，以及用于向汞灯(101)和氙灯(102)进行供电的直流稳压电源(29)，用于采集光强的光敏传感器(28)，用于对各个光学器件进行可拆卸式固定的笼式固定架(3)；所述光解光或自然光先经凹透镜(2)和凸透镜(4)的扩束并准直得到一束平行光，再经滤光片(5)滤除该平行光束的多余波段；所述反射镜(6)设置于平行光束的中心，平行光束的中心光束照射至反射镜(6)后反射到光敏传感器(28)的感光面上，平行光束的外环光束照射至反应模块(7)内；所述滤光片(5)为带通滤光片，通过更换滤光片(5)产生不同波段的光束；所述凹透镜(2)和凸透镜(4)之间的距离可调节，以调节光解光或自然光的平行扩束。3.根据权利要求1所述的一种颗粒物表面光催化自由基定量探测装置，其特征在于，所述配气系统包括：标定气瓶(19)、湿润气体流量计(21)、干燥气体流量计(22)、过水瓶(24)、防倒吸瓶(23)、探测管(27)和湿度传感器(26)；所述标定气瓶(19)用于存储自由基前体物合成气；所述标定气瓶(19)的输出管分别连接湿润气体管道和干燥气体管道的输入端；所述湿润气体管道上设有湿润气体流量计(21)，所述干燥气体管道上设有干燥气体流量计(22)；所述干燥气体管道的输出端与探测管(27)相连接；所述湿润气体管道依次经过防倒吸瓶(23)和过水瓶(24)后，湿润气体管道的输出端也与探测管(27)相连接；所述探测管(27)与反应模块(7)相连通，用于将自由基前体物合成气通入反应模块(7)中；将自由基前体物合成气通入反应模块(7)中，一方面用于被光解产生自由基，另一方面用于带动反应模块(7)中由自由基前体物合成气被光解所产生的自由基进入自由基检测模块中；
所述探测管(27)中设有湿度传感器(26)，用于采集探测管(27)中的气体湿度；若通入反应模块(7)中的气体不需要含水蒸气，则仅打开干燥气体流量计(22)，关闭湿润气体流量计(21)，气瓶中的干燥气体经干燥气体管道和探测管(27)通入到反应模块(7)内；若通入反应模块(7)中的气体需要含水蒸气，则同时打开湿润气体流量计(21)和干燥气体流量计(22)，气瓶中的干燥气体分为两路，其中一路经湿润气体管道上的防倒吸瓶(23)和过水瓶(24)后变为湿润气体进入探测管(27)，另一路直接经干燥气体管道进入探测管(27)，探测管(27)中的干燥气体与湿润气体混合后，再通入到反应模块(7)内；通过控制干燥气体流量计(22)和湿润气体流量计(21)的通过流量，控制气体中的水蒸气浓度，使得湿度传感器(26)所采集的探测管(27)中的气体湿度达到设定值。4.根据权利要求3所述的一种颗粒物表面光催化自由基定量探测装置，其特征在于，所述配气系统还包括：用于存储氮气的氮气瓶(20)；所述氮气瓶(20)的输出管与标定气瓶(19)的输出管通过一个四通相连接，且该四通的另外两个端口分别连接湿润气体管道和干燥气体管道的输入端；将氮气通入反应模块(7)中，用于带动反应模块(7)中由颗粒物光样本被光催化所产生的自由基进入自由基检测模块中。5.根据权利要求1所述的一种颗粒物表面光催化自由基定量探测装置，其特征在于，所述反应模块(7)包括：反应器主体(703)、用于密封反应器主体(703)并透射光线的石英窗片(701)、用于放置颗粒物样本(707)的反应面板(706)；所述反应器主体(703)中沿光照射方向开设有第一通孔(703
‑
5)，且第一通孔(703
‑
5)分为上下两段，即上段通孔和下段通孔，上段通孔的孔直径大于下段通孔的孔直径，形成用于安装反应面板(706)的安装台阶(703
‑
2)；所述反应面板(706)放置于安装台阶(703
‑
2)上，所述反应面板(706)的中间开设有与第一通孔(703
‑
5)相对齐的第二通孔(706
‑
2)，所述第二通孔(706
‑
2)的孔直径小于第一通孔(703
‑
5的下段通孔孔直径；所述反应面板(706)的上表面且在第二通孔(706
‑
2)的外环开设有环形凹槽(706
‑
1)，环形凹槽(706
‑
1)用于放置颗粒物样本(707)；所述反应器主体(703)中且沿上段通孔的外环开设有截面为圆形的圆环形间隙(703
‑
3)，所述圆环形间隙(703
‑
3)的圆周外侧与进气口(703
‑
6)相连通，进气口(703
‑
6)与配气系统相连通；所述圆环形间隙(703
‑
3)的圆周内侧开设有均匀分布的若干个出气孔(703
‑
1)，通过此若干个出气孔(703
‑
1)与上段通孔相连通，出气孔(703
‑
1)中吹...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡仁志，蔡浩天，张国贤，汪悦，谢品华，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：