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雾霾研究神器——烟雾箱

当前国内关于环保话题最多的还是那两个字:“雾霾”。雾霾成因多种多样,研究治理解决雾霾的方式方法还是任重而道远的。结合国内外多年经验,以及各大科研院所共同研究的科研成果,现已逐渐形成了一个研究雾霾成因最合适的科学高端实验装置——烟雾箱。 那么烟雾箱究竟是什么样的科学装备呢?它又有哪些特别之处呢,下面就让我给大家慢慢讲述下关于烟雾箱的知识。 烟雾箱是研究大气光化学反应的主要工具。30年来国内外有多个研究机构建立了烟雾箱,并对各种光化学反应进行了研究,以收集数据来发展和检验大气光化学反应机理。 简介 烟雾箱是用惰性材料制成的容器(材料可以是塑料薄膜、玻璃、不锈钢等)模拟大气层;采用一定的光源(黑光灯、氙灯、氩灯等)模拟不同波长范围内的太阳光辐射;配备零空气发生装置发生洁净空气作为箱的清洗气和稀释气;在一定的反应条件下向箱中注射模拟反应气体,通过各种有效的检测分析仪器了解其中的反应物和产物随时间变化情况,由此得出大气中化学转化的动态规律。环境烟雾箱在不同的实验室有不同的名称,如环境舱、光化学烟雾舱、环境烟雾箱、烟雾箱和环境模拟箱等,但其系统构成相差不大,即通常由箱体、光源、零空气发生系统、温湿控制系统、进样系统和采样分析系统和数据采集与控制系统构成。 分类 烟雾箱根据使用的地点可分为室内烟雾箱和室外烟雾箱,室外烟雾箱的优点是可利用自然阳光,使模拟试验较为真实:缺点是光强度、温度和相对湿度的可控性不强,难以进行重复性试验;室内烟雾箱的优点是能够提供准确试验条件控制,试验能够重复进行,但是人工光源不能很好的模拟太阳光谱,某些模拟反应与实际大气中的反应不一致。 根据体积大小可以把烟雾箱分为微型烟雾箱(体积从几升到几十升),小型烟雾箱(100升到5m³)和大型烟雾箱(5m³到几百立方米);大型烟雾箱的优点是壁效应小,能较好的仿真大气化学反应。 根据烟雾箱能否移动,又可分为固定烟雾箱和可移动烟雾箱。固定型烟雾箱大多放置在专门的实验室中,拥有专门配套的仪器和设备,可以快速及时分析样品。可移动烟雾箱可以根据试验目的,把烟雾箱运送到试验地点,现场采集大气样品或来自污染源的样品进行具有区域和大气污染源的针对性研究。 组成 烟雾箱(或室)由主体部分、配气系统、照射系统和测试系统等部分组成。主体部分包括化学反应和真空系统部分;是烟雾箱的核心部分。 配气系统包括反应气体的配制和空气的净化;箱或室的形状不一,有圆筒形、长方形、圆形等,其体积小的只有2L,大约可达600m3;所用材料有硬质玻璃,碳钢和抛光铝等金属或聚四氟乙烯薄膜等。照射系统有自然光源和人工模拟光源;前者用太阳光,后者有紫外荧光灯、汞弧灯和高压氙弧灯等。 测试系统是由各种高灵敏度、响应时间快的测试仪器和设备组成,可瞬时测定各种反应物、中间产物和最终产物的浓度。应用光化学烟雾箱与化学反应模式研究相结合,并与现场实测对照,可深入了解光化学烟雾形成的机制和污染的规律。 壁效应 由于实际大气是没有边界的,尽管烟雾箱大多是用惰性材料制成,但应用烟雾箱进行模拟试验却会不可避免地受到壁效应的影响,烟雾箱的壁面可能吸收、吸附或释放化学物质,而且有些反应也可能发生在壁面上,这些都会影响试验结果。由于体积越大,比表面积越小,壁效应就相应变小,模拟实验就更加接近实际大气的情况,因此近10年来建设的环境烟雾箱体积在不断增加,最大为370m³。 特性表征  特性表征是建设过程中的重要步骤,几乎所有的模拟试验和实验数据都应该考虑其特性数据,尤其烟雾箱的壁效应。具体讲,特性表征主要包括以下几个方面: (1)光强度表征,即确定光源在环境烟雾箱内各点的光照强度大小和分布情况,以及光源发光强度的衰减; (2)密闭性和分子渗漏表征,确定环境烟雾箱的密闭性能和典型反应物分子渗漏率; (3)温/湿度表征,确定环境烟雾箱的温/湿度变化范围和控制能力; (4)零空气表征,确定零空气中反应物浓度及其光化学反应产物浓度; (5)背景辐射表征,即确定没有光源照射条件下环境烟雾箱周围环境的辐射能力,这种辐射可能会引发某些大气化学反应; (6)壁效应表征,确定在各种光照、温度和相对湿度条件下不同粒径的颗粒物和各种典型的气相污染物的器壁损失率。 各国烟雾箱 室内环境烟雾箱 国外室内环境烟雾箱很多,如日本国立环境研究所的6m³的环境烟雾箱、福特汽车研究中心的140L环境烟雾箱、德国卡尔斯鲁厄80m³环境烟雾箱以及美国环境保护局与加利福尼亚大学联合建成的大型环境烟雾箱即EPA环境烟雾箱等等。需要特别指出的是,德国卡尔斯鲁厄研究中心的84.3m³环境烟雾箱代表了能够同时适合对流层和同温层条件的室内烟雾箱。 室外环境烟雾箱 由于室外环境烟雾箱几乎不受空间限制,因此通常体积较大(几十立方米到几百立方米),壁效应相对较小,材料多采用FEPTEFLON,光源多采用太阳光,但是光强度、温度和相对湿度的可控制性较差,不可以移动,通常都有保护外罩和大流量零空气发生系统。并配备先进的检测分析仪器;由于系统复杂,所以通常的操作费用较高。目前很多大气环境化学研究机构都建立了自己的室外环境烟雾箱,如德国地质化学和动力学研究所(ICG)的370m³环境烟雾箱、欧洲光化学实验室204m³平行双环境烟雾箱(EUPHORE),美国北卡罗来纳州立大学300m³环境烟雾箱等等。 中国烟雾箱计划 2014年2月,中央政府已批准修建一个制造人工雾霾的设施,以让科学家发明减少空气污染的新方法。竣工后怀柔的“烟雾箱”将成为世界上最大的雾霾实验室。中国的这个实验室将利用600立方米的污染空气进行实验,比欧洲光反应实验室的容量扩大了50%。
发表于: 2018-01-12 13:30 | 全文(查看: 116) | 评论(0) | 本文地址 | 收藏 
标签: 环境  科研  实验  

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