АСПИРАЦИОННЫЙ ПРОБООТБОРНИК НАНОАЭРОЗОЛЯ

Заявляемое техническое решение относится к устройствам для контроля загрязнения окружающей среды. Данное устройство позволяет осуществлять контроль содержания наночастиц и способствует безопасному обращению с наноматериалами на объектах наноиндустрии.
Аспирационный пробоотборник наноаэрозоля используют для:
- исследований свойств наноаэрозолей в стендовых условиях;
- мониторинга состояния воздушной среды на предприятиях наноиндустрии;
- изучения распространения наноаэрозолей в пространстве (замкнутом, открытом);
- исследований по оценке влияния наночастиц различных материалов на окружающий животный и растительный мир;
- исследований, связанных с использованием наноаэрозолей в медицинских целях.
В патенте США на изобретение №7544938, (51) МПК G01N 23/05; G01N 23/02 описаны метод и устройство для статистического определения количества наночастиц в исследуемой пробе воздуха. Устройство включает в себя подложку, имеющую электростатический заряд одного знака, и средство воздействия на последовательно образуемые заряженные противоположно капли жидкости, для перемещения их к выше указанной подложке.
Общие признаки данного технического решения и заявляемого решения - сбор наночастиц с целью последующего анализа этих наночастиц.
Недостаток данного решения заключается в том, что данное устройство предназначено для исследований наноаэрозолей с помощью микроскопического метода, а использование других методов контроля связано с необходимостью доработки аппаратуры.
В заявке на патент РФ 2007140231 (51) МПК G01J 3/00 (2006.01) Конвенционный приоритет: 19.07.2007 US 11/780,055 «СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ В УСЛОВИЯХ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ С ПОМОЩЬЮ МАСС-СПЕКТРОМЕТРИИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ИОНИЗАЦИИ ЛАЗЕРНОЙ ДЕСОРБЦИЕЙ ПРИ СОДЕЙСТВИИ ЭЛЕКТРОРАСПЫЛЕНИЯ».
Масс-спектрометрическая система, позволяющая получать визуальный профиль и включающая в себя масс-спектрометр для анализа ионизированных определяемых веществ, содержащая:
приемный блок масс-спектрометра;
средство воздействия на последовательно образуемые заряженные капли жидкости, для перемещения их к приемному блоку масс-спектрометра по траектории перемещения;
средство для сканирования образца лазерным лучом, имеющим энергию излучения, достаточную для того, чтобы привести к десорбции определяемых веществ, содержащихся в указанном образце, и полету их по множеству траекторий полета соответственно; и средство для позиционирования указанного лазерного луча таким образом, чтобы указанное множество траекторий полета пересекало указанную траекторию перемещения с тем, чтобы множество указанных определяемых веществ, двигающихся по указанному множеству траекторий полета, соответственно захватывалось множеством указанных заряженных капель жидкости, в результате чего образовывалось бы множество соответствующих ионизированных определяемых веществ.
Недостаток данного устройства - его сложность.
Известен аэрозольный измерительный пробоотборник, запатентованный в качестве изобретения РФ - №2212026, МПК G01N 1/22. Данный аэрозольный измерительный пробоотборник содержит корпус воронкообразной формы, в широкой части которого закреплена перфорированная перемычка с установленным на ее поверхности фильтром, и насадку, герметично соединенную с корпусом. При этом перемычка выполнена в виде мембраны из упругого газонепроницаемого материала с перфорацией в центральной части, а насадка снабжена детектором, чувствительная поверхность которого соприкасается с фильтром и перекрывает зону перфорации мембраны.
Достоинство данного технического решения заключается в том, что при выполнении измерений с использованием этого пробоотборника выполняется прямое измерение концентрации наноаэрозоля, а недостаток - аэрозольный измерительный пробоотборник задерживает все частицы, проходящие через него, как наночастицы, так и частицы большего размера, не разделяя их. Применение данного прибора - для работы с радиоактивными материалами.
Наиболее близким по своему функциональному назначению является техническое решение, запатентованное в качестве изобретения РФ под №2357222 МПК G01N 1/22, B82B 1/00 «Способ контроля загрязнения воздуха наноразмерными частицами и устройство для его осуществления».
Данное устройство аспирационного типа обеспечивает достоверное измерение концентраций наноаэрозоля в районах предприятий, используемых нанотехнологии путем химического анализа.
Недостатком данного устройства является сложность конструкции, а также то, что в нем используются только химические методы анализа.
Технический результат, возникающий вследствие использования патентуемого решения.
В заявляемом устройстве проба аэрозоля разделяется по фракциям в различных блоках устройства.
Анализ проб этих фракций позволяет рассчитать дисперсный состав аэрозоля, а также долю наноаэрозоля в полидисперсном аэрозоле и решить задачу количественного определения параметров наноаэрозоля на модельной системе, а также в воздухе рабочей зоны.
Аспирационный пробоотборник наноаэрозоля представляет собой устройство в составе испытательного оборудования - испытательного стенда, служащего для контроля содержания наночастиц в воздухе рабочей зоны для объектов наноиндустрии и позволяет проводить изучение свойств наноаэрозолей (определение концентраций - счетной, массовой, биологической) в стендовых условиях.
Аспирационный пробоотборник наноаэрозоля состоит из следующих блоков и связей межу ними:
- фракционирующей (или, что то же самое, фракционной) насадки, задерживающей частицы диаметром более 10 мкм - первый блок;
- трубки соединительной между микроциклоном, например микроциклоном МЦ-2 и фильтр-патроном;
- микроциклона, отбирающий пробу аэрозоля по фракции (1÷10) мкм - второй блок;
- фильтр-патрона с фильтром Петрянова, отбирающим пробу аэрозоля по фракции (0,1÷1,0) мкм - третий блок;
- разъемной вакуумной емкости с вставленным в нее герметичным пластиковым пакетом, в который отбирают наноаэрозоль (диаметр частиц менее 0,1 мкм) - четвертый блок,
- запорного устройства на пластиковом пакете в виде крана;
- трубки соединительной между фильтр-патроном и краном;
- штуцера для подключения к вакуумному насосу.
На Фиг.1 представлено изображение аспирационного пробоотборника наноаэрозоля, где:
1 - фракционная насадка;
2 - микроциклон;
3 - собирающая жидкость;
4 - трубка соединительная между микроциклоном и фильтр-патроном;
5 - фильтр-патрон с фильтром Петрянова;
6 - емкость вакуумная разборная;
7 - крепежные элементы;
8 - герметичный пластиковый пакет, в который отбирают наноаэрозоль;
9 - кран на герметичном пластиковом пакете;
10 - трубка соединительная между фильтр-патроном и краном на герметичном пластиковом пакете;
11 - штуцер для подключения к вакуумному насосу, который на изображении не показан;
Описание работы аспирационного пробоотборника наноаэрозоля.
Аспирационный пробоотборник наноаэрозоля представляет устройство в составе испытательного оборудования (испытательного стенда), служащего для контроля содержания наночастиц в воздухе рабочей зоны для объектов наноиндустрии (изучения свойств наноаэрозолей в стендовых условиях).
Принцип действия основан на четырехстадийном последовательном выделении из полидисперсного аэрозоля его наиболее мелкой фракции - нанофракции, или наноаэрозоля. Аспирационный пробоотборник наноаэрозоля начинает работать после подачи вакуума в вакуумную емкость 6 через штуцер 11.
На фракционирующей насадке 1 задерживаются все частицы более 10 мкм.
Далее оставшаяся часть полидисперсного аэрозоля проходит через микроциклон 2, в котором в объеме собирающей жидкости 3 задерживаются частицы размером (1÷10) мкм.
Далее оставшаяся часть аэрозоля через трубку соединительную 4 между микроциклоном 2 и фильтр-патроном 5 поступает в этот фильтр-патрон 5. В состав этого фильтр-патрона 5 может входить фильтр Петрянова, или другой фильтр, задерживающий частицы (0,1÷1,0)мкм.
Через трубку соединительную 10 между фильтр-патроном 5 и краном 9 на герметичном пластиковом пакете 8 проба, состоящая из наноаэрозоля, в течение фиксированного времени собирается в герметичном пластиковом пакете 8. После этого кран 9 перекрывают - отбор пробы завершен.
После завершения отбора пробы аспирацнонный пробоотборник наноаэрозоля разбирают, а пробы, собранные в нем передают на лабораторный анализ. Отдельно анализируют пробу аэрозоля, отобранную в собирающую жидкость 3 микроциклона 2, пробу, отобранную на фильтре-патроне Петрянова 5 и пробу наночастиц в герметичном пластиковом пакете 8.
Наноаэрозоль, отобранный в герметичный пластиковый пакет 8, с помощью метода ускоренной коагуляции наночастиц в насыщенном паре или других методов, переводят в жидкую фазу. Полученную таким образом пробу подвергают далее микроскопическому, флуориметрическому, спектральному и др. видам анализа.
Заявляемое техническое решение реализовано в виде устройства со следующими метрологическими характеристиками, приведенными в таблицах 1 и 2.
Таблица 1
Основные метрологические характеристики
Наименование характеристики
Диапазон, значение
Диапазон измеряемых значений счетной концентрации наноаэрозоля, частиц·л<sup>-1</sup>
2·10<sup>2</sup>÷2·10<sup>4</sup>
Диапазон измеряемых значений массовой концентрации наноаэрозоля, пг·л<sup>-1</sup>
2·10<sup>2</sup>÷2·10<sup>4</sup>
Диапазон измеряемых значений биологической концентрации, у.е.л<sup>-1</sup>
5·10<sup>3</sup>÷5·10<sup>5</sup>
Относительная погрешность измерения счетной концентрации наноаэрозоля,%
30
Относительная погрешность измерения массовой концентрации наноаэрозоля,%
50
Относительная погрешность измерения биологической концентрации наноаэрозоля, %
50
Основные технические характеристики
Таблица 2
Габаритные размеры, мм (длина×ширина×высота)
200×300×300
Количество пробоотбирающих каскадов
4
Объемная скорость отбора проб, л·мин<sup>-1</sup>
7,0
Объем пробы наноаэрозоля, л
3,5
Объем сорбнрующей жидкости для создания высокодисперсного аэрозоля в пакете, см<sup>3</sup>
1÷5