一种气溶胶发生及采集装置的制作方法

阅读：评论：0

1.本发明涉及一种卷烟烟气气溶胶发生及采集装置。

背景技术：

2.通常情况下，普通卷烟在350℃至600℃的高温会产生众多有害物质，加热不燃烧卷烟(heat-not-burn cigarette，hnb)，又称低温烟，其主要特征是通过外部热源对烟草物质进行加热，烟草物质中的雾化介质、香味成分和外加香通过加热产生类似于传统卷烟燃吸的烟雾，使消费者得到生理满足感。由于卷烟中的烟草物质只加热而不燃烧，且加热温度(250℃-350℃)远低于传统卷烟的燃烧温度(800℃-900℃)，因此，烟气有害成分和生物毒性大幅降低，同时，与传统卷烟阴燃不同，它在抽吸间歇时烟草物质处于非加热状态，因此侧流烟气和环境烟气也大幅度降低。
3.传统测量烟气气溶胶颗粒物的方法是采用剑桥滤片称重法，虽然可以得到颗粒物的总质量，却无法得到粒径的分布。重力法、光学法等则存在检测时间较长，无法实时监测烟气中的气溶胶颗粒粒径分布的问题。电子低压惯性冲击法可以连续在线监测一定浓度范围内的颗粒物粒径分布特征，但是要求必须连续稳定进样，并且对于高浓度气溶胶样品无法直接测量。
4.目前，烟草企业主要的烟草制品气溶胶捕集方法为采用吸烟机通过捕集器对新型烟草制品进行抽吸，由置于捕集器内的剑桥滤片对烟气溶胶进行捕集，使用有机溶剂(dmso或乙醇等)振荡提取剑桥滤片上的捕集物，供后继分析。这种分析模式在烟草企业内广泛使用，但因为需要使用体积较大、价格较贵的吸烟机-剑桥滤片捕集器，很难在烟草企业以外的其他研究机构开展、实施。
5.对于更多的加热不燃烧卷烟气溶胶的基础研究，通常采用类似管式炉方式加热烟丝发生气溶胶，然后经气路传送到后继的捕集、吸附、进样等器件供分析。此种模式的不足包括：管式炉加热构造固然保温性能较好，能够稳定地实现100℃-350℃的加热要求；但自身热惯性很大，升温、降温速度较慢，导致供测的加热不燃烧经历的升温过程与其在烟具中经历的快速升温过程并不一致；如果采用管式炉预升温，然后放入待测烟丝，则操作人员面对高温伤害风险，操作较为不便，样品安放时间通常耗时10-30秒，也超过了加热不燃烧卷烟实际设定的加热时间。管式炉加热模式通常使用加热管盛装待测烟丝，采用金属管传热良好，但后继的橡胶管路难以承受200℃以上的高温；如果采用石英玻璃，固然对橡胶管路的传热显著降低，但石英玻璃的导热系数较低，需要较长的温度平衡时间；如果采用石英毛细管装样以加速传热，则需要繁琐的石英毛细管手工装样操作。
6.为避免加热单元对测试仪器的热干扰，烟丝加热单元通常距离测试仪器较远，中间的连接管路较长，卷烟烟气气溶胶的颗粒物在较长管路中容易凝并，碰撞，冷凝，烟气气溶胶的这些特性容易使得通过测试得到的气溶胶颗粒物粒径和粒径分布等结果可能与实际抽吸的气溶胶有差异，影响测试结果的准确性。
7.目前的类似测试未考虑到传统卷烟、加热不燃烧卷烟在进入人体前的实际温度不
超过40℃且经过过滤嘴的使用特点，常常是烟气直接进入测试单元。
8.较高温度的气溶胶经过较长管路时，部分组分、颗粒物容易沉积在管路、控制阀开闭处和烟气稀释器的喷射口，需要经常清洗，非常麻烦。较长的管路会带来少量的烟气泄露，在烟草企业以外的研究机构进行烟草气溶胶测试时，因缺少专用的烟气密闭测试环境，形成的气溶胶常常会对周围人员带来不利影响，甚至可能导致室内的烟雾报警器误动作。
9.为了达到吸烟机的抽吸规范和检测仪器系统和稀释系统压力的要求，需要对卷烟烟气气溶胶取样系统进性改进。
10.为此提出本发明。

技术实现要素：

11.本发明的目的是针对上述现有技术中存在的问题，提供一种可靠的卷烟烟气气溶胶发生及采集装置。
12.本发明的目的是通过以下技术方案实现：
13.一种气溶胶发生及采集装置，包括气溶胶发生装置1和气溶胶采集装置2；所述气溶胶发生装置1包括金属坩埚11及气溶胶导流环12，所述气溶胶导流环12与金属坩埚11密封连接；所述气溶胶采集装置2与所述气溶胶导流环12的出口连接。
14.优选地，所述气溶胶导流环12为有上盖的筒状，筒状上端两侧分别开口、为进气口121和出气口122；其中进气口121与气源3连接，出气口122与气溶胶采集装置2连接。
15.优选地，所述气溶胶导流环12内部空间为下小上大，进气口121和出气口122开在内部空间较大的上部两侧；所述气溶胶导流环12的下部筒口与所述金属坩埚11口通过导流管1211密封连接。
16.优选地，所述气溶胶采集装置2包括采样袋21和下游的真空泵22；所述出气口122与采样箱21之间设置过滤单元4。
17.优选地，所述金属坩埚11为不锈钢、铝或铜材质制成，其内径3-10mm、高3-10mm；所述金属坩埚11放置在加热台5上，金属坩埚11外围设置隔热围护板13。
18.优选地，在所述出气口122设置有热电偶探头6。
19.优选地，在进气口121与气源3之间设置有第一流量计71；在采样箱21与真空泵22之间设置有第二流量计72。
20.其中气溶胶过滤单元，的孔径在0.05微米-10微米之间可选，包括但不限于0.05微米、0.1微米、0.22微米、0.3微米、0.45微米、0.65微米、0.8微米、1微米、3微米、5微米；该过滤单元同时允许通过专用管段直接插入从市售卷烟上截取的过滤嘴作为过滤介质。
21.其中，烟气气溶胶可经由真空采样袋参照标准的抽吸方案采集，如每分钟抽吸一口，每口2秒，抽吸容量35m1，抽吸曲线为钟形曲线，符合烟草行业标准，能够相互比较测试结果。
22.在本发明中，采用外部混合气或者单一气体气源3通过进气口稀释烟气，以适应在线质谱仪等对进样粒子浓度的要求；
23.本发明中，取样单元后接过滤单元，一是通过引入卷烟过滤嘴以模拟实际抽吸的过滤、吸附效应；一是通过换用不同的微孔滤片，进行烟气气溶胶分级捕集，继而萃取微孔滤片上的气溶胶捕集物并进行气质、液质分析，以此实现简易的烟气气溶胶粒径-组成分
析。
24.本发明中，出气口122及其以后管路的气溶胶流动由真空采样袋21或者真空泵22产生的真空压差驱动。
25.本发明的有益效果：
26.1、卷烟烟气是一种复杂的动态变化气溶胶，卷烟烟气气溶胶的粒径分布和化学物质的分布直接影响到卷烟吸食品质和烟气在人体呼吸道的沉积。不同粒径的颗粒物在人体呼吸系统的沉积部位不同，气溶胶粒子越小，进人的部位就越深，对于人体健康的影响也不尽相同。同时烟气气溶胶的不同粒径的颗粒其化学组成也存在区别，将直接影响抽吸感受，因此研究卷烟气溶胶对于卷烟工业有着重要的作用。本发明针对烟气气溶胶实验室模拟测试，围绕加热装置在300℃以上升温较慢、散热较大，现有测试方案中管路较长且烟气成分沉积较为明显，测试过程中未考虑卷烟中过滤嘴效应，测试过程中烟气温度分布较卷烟实际抽吸过程有明显不同，测试管路未统一规格等不足进行了创新改造。
27.2、本发明的气溶胶发生及采集装置实现了烟丝加热单元的小型化，显著降低加热部位的热惯性，可实现烟丝的快速升温、降温。
28.3、气溶胶产生的抽吸动力来自于真空采样袋或者真空泵，通过控制真空泵的流量和工作时间，吸力曲线可为钟形曲线。
29.4、烟丝装样操作简化，安放到加热炉的操作也得到简化，显著降低热伤害风险，有利于在预热模式下的快速升温测试。
30.5、气溶胶流动、输送的动力来自真空采样袋间接产生的负压，烟气不会进入真空泵或泄露到环境中。
31.6、管路中设置了专门的卷烟过滤嘴固定构造，模拟实际抽吸时的过滤。
32.7、整套装置体积缩小，可以直接放在分析仪器的进样口附近，降低了气溶胶在较长管路中的沉积几率。
附图说明
33.图1为气溶胶发生及采集装置原理示意图。
34.图2为气溶胶发生及采集装置单元构造示意图。
35.图3为气溶胶发生装置上盖俯视图。
36.其中，箭头方向为气体(包括气溶胶)流动方向。
37.附图标记为：1、气溶胶发生装置；11、金属坩埚；12、气溶胶导流环；121、进气口；122、出气口；1211、导流管；2、气溶胶采集装置；21、采样袋；22、真空泵；3、气源；4、过滤单元；5、加热台；6、热电偶探头；71、第一流量计；72、第二流量计。
具体实施方式
38.以下结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但实施例并不是对本发明技术方案的限定，所有基于本发明教导所做出的变化或等同替换，均应属于本发明的保护范围。
39.如图1所示的本发明的气溶胶发生及采集装置原理示意图。如图2所示本发明的气溶胶发生及采集装置单元构造示意图，包括气溶胶发生装置1和气溶胶采集装置2；所述气溶胶发生装置1包括金属坩埚11及气溶胶导流环12，所述气溶胶导流环12与金属坩埚11密
封连接；所述气溶胶采集装置2与所述气溶胶导流环12的出口连接。如图3所示，所述气溶胶导流环12为有上盖的筒状，筒状上端两侧分别开口、为进气口121和出气口122；其中进气口121与气源3连接，出气口122与气溶胶采集装置2连接。其中，所述气溶胶导流环12内部空间为下小上大，进气口121和出气口122开在内部空间较大的上部两侧；所述气溶胶导流环12的下部筒口与所述金属坩埚11口通过导流管1211密封连接。其中，所述气溶胶采集装置2包括采样袋21和下游的真空泵22；所述出气口122与采样箱21之间设置过滤单元4。其中，所述金属坩埚11为不锈钢、铝或铜材质制成，其内径3-10mm、高3-10mm；所述金属坩埚11放置在加热台5上，金属坩埚11外围设置隔热围护板13。优选在所述出气口122设置有热电偶探头6。优选在进气口121与气源3之间设置有第一流量计71；在采样箱21与真空泵22之间设置有第二流量计72。
40.实施例1：本发明的气溶胶发生及采集装置，配合气溶胶单粒子质谱仪的气溶胶发生与输送。
41.加热台稳定在250℃，备用。
42.取内径9毫米、高5毫米的铝制坩埚，装入1-2毫克烟丝；将内径8毫米、外径9毫米、长度15毫米的不锈钢导流管插入装有烟丝的铝坩埚，稍加用力使导流管与铝坩埚壁面紧密接触。
43.将气溶胶导流环的进气口连接精密气体调节器，出气口连接装有卷烟过滤嘴的8毫米不锈钢管后再用硅胶管连接气溶胶单粒子质谱的采样头。
44.将连接导流管的铝坩埚垂直放入围护板中心圆孔，再将导流管的另一端垂直插入气溶胶导流中，由此完成取样单元的装配。
45.将放置在隔热围护板上的取样单元准确地放置在已经预热在250℃的加热台上，并确保铝坩埚平底与加热台紧密接触。
46.在进气(气源为n2)流速10升/分钟的设定下，可以满足气溶胶单粒子质谱仪的进气粒子浓度需要。
47.实验结束后，可以将气溶胶导流环旋转取出，对其内壁、不锈钢导流管进行充分清洗，干燥后重新组装，以此降低烟气沉积物对测试管路的污染。
48.实施例2：本发明的气溶胶发生及采集装置，配合加热不燃烧卷烟气溶胶颗粒分级组成测试。
49.取内径9毫米、高5毫米的铝制坩埚，装入12-15毫克烟丝；将内径8毫米、外径9毫米、长度15毫米的不锈钢导流管插入装有烟丝的铝坩埚，稍加用力使导流管与铝坩埚壁面紧密接触。
50.将气溶胶导流环的进气口连接精密气体调节器，出气口连接安装了0.1微米滤膜的微孔过滤单元后，用硅胶管连接真空采样单元的真空采样袋进气接头；采样袋经过精密气体流量调节器后连接微型隔膜真空泵。
51.将连接导流管的铝坩埚垂直放入围护板中心圆孔，再将导流管的另一端垂直插入气溶胶导流环中，由此完成取样单元的装配。
52.将放置在隔热围护板上的取样单元准确地放置在已经预热在250℃的加热台上，并确保铝坩埚平底与加热台紧密接触。
53.在取样单元进气流速不设定、真空采样袋进气流速15毫升/秒的条件下，持续抽气
采集10-20秒，停止真空泵抽气。
54.将隔热围护板连同铝坩埚、取样单元一起端离加热台。
55.将真空采样袋中的气体压入到二氯甲烷、甲醇等有机溶剂中，可以获得气溶胶粒径在0.1微米及其以下的颗粒溶液，然后经气质联用分析获得相应的化学组成信息。
56.仿此，更换过滤单元中的微孔滤膜，可以逐步获得粒径在0.05微米、0.1微米、0.22微米、0.3微米、0.45微米、0.65微米、0.8微米、1微米以下的颗粒的化学组成信息。
57.实验结束后，可以将气溶胶导流环旋转取出，对其内壁、不锈钢导流管进行充分清洗，干燥后重新组装，以此降低烟气沉积物对测试管路的污染。
58.实施例1、实施例2表明，本发明的气溶胶发生及采集装置，有效满足了气溶胶单粒子质谱、微孔滤膜分级等多种气溶胶粒径-化学组成分析的采样需要和在线稀释需要，适应面广。整套装置对烟气气溶胶测试中的环境泄漏进行了多方面的改进，包括铝坩埚与导流管、气溶胶导流环之间的密闭连接，采用真空采样单元等，实验过程中基本感受不到有烟气逸散；对加热单元、取样单元进行了有效的保温、隔热处理，从而显著降低了整套加热单元、取样单元的体积和环境热污染，便于直接放置在质谱仪旁在线使用。取样单元的设计兼顾了铝坩埚精密升温、烟气在线稀释、模仿抽吸时烟气降温冷却等多种需求，并可在必要时增加烟气温度传感器插孔以测量烟气温度；所有管路、部件均可拆卸，便于清洗，可有效减小烟气组分在管路中的沉积污染；小巧的烟气取样单元配合真空泵的流量控制，可以简易模拟标准的钟形抽吸工况。
59.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

技术特征：

1.一种气溶胶发生及采集装置，其特征在于，包括气溶胶发生装置(1)和气溶胶采集装置(2)；所述气溶胶发生装置(1)包括金属坩埚(11)及气溶胶导流环(12)，所述气溶胶导流环(12)与金属坩埚(11)密封连接；所述气溶胶采集装置(2)与所述气溶胶导流环(12)的出口连接。2.根据权利要求1所述的气溶胶发生及采集装置，其特征在于，所述气溶胶导流环(12)为有上盖的筒状，筒状上端两侧分别开口、为进气口(121)和出气口(122)；其中进气口(121)与气源(3)连接，出气口(122)与气溶胶采集装置(2)连接。3.根据权利要求1所述的气溶胶发生及采集装置，其特征在于，所述气溶胶导流环(12)内部空间为下小上大，进气口(121)和出气口(122)开在内部空间较大的上部两侧；所述气溶胶导流环(12)的下部筒口与所述金属坩埚(11)口通过导流管(1211)密封连接。4.根据权利要求1所述的气溶胶发生及采集装置，其特征在于，所述气溶胶采集装置(2)包括采样袋(21)和下游的真空泵(22)；所述出气口(122)与采样箱(21)之间设置过滤单元(4)。5.根据权利要求1所述的气溶胶发生及采集装置，其特征在于，所述金属坩埚(11)为不锈钢、铝或铜材质制成，其内径3-10mm、高3-10mm；所述金属坩埚(11)放置在加热台(5)上，金属坩埚(11)外围设置隔热围护板(13)。6.根据权利要求2所述的气溶胶发生及采集装置，其特征在于，在所述出气口(122)设置有热电偶探头(6)。7.根据权利要求4所述的气溶胶发生及采集装置，其特征在于，在进气口(121)与气源(3)之间设置有第一流量计(71)；在采样箱(21)与真空泵(22)之间设置有第二流量计(72)。

技术总结

本发明公开了一种气溶胶发生及采集装置，包括气溶胶发生装置(1)和气溶胶采集装置(2)；所述气溶胶发生装置(1)包括金属坩埚(11)及气溶胶导流环(12)，所述气溶胶导流环(12)与金属坩埚(11)密封连接；所述气溶胶采集装置(2)与所述气溶胶导流环(12)的出口连接。所述气溶胶导流环(12)的出口连接。所述气溶胶导流环(12)的出口连接。