一种基于量热法的可控辐射条件下吸光性气溶胶放热能力的测量装置及方法

本发明属于环境监测，涉及模拟太阳辐射下气溶胶放热能力的测量尤其涉及一种基于量热法的可控辐射条件下吸光性气溶胶放热能力的测量装置及方法。该方法旨在补充气溶胶放热能力在实验室测量方法的缺失以便于比较不同气溶胶吸光放热能力的差异。

背景技术：

1、更多的研究表明，除二氧化碳等温室气体外，吸光性气溶胶也具有显著的加热效应。其中，黑碳已被确认为仅次于二氧化碳的第二大大气加热组分。

2、目前，有机溶剂提取结合光谱分析的方法常被用于离线分析吸光性气溶胶的吸光能力。该技术通常利用特定溶剂将气溶胶样品中的吸光组分提取出来，并通过紫外-可见分光光度计等仪器测定其光学吸收特性，进而间接评估其大气加热效应。然而，气溶胶吸收辐射后的能量耗散机制极为复杂，并非所有被吸收的辐射能都会转化为热能并释放至周围环境。具体而言，气溶胶粒子吸收光能后，其激发态能量的释放包括内转换(产生热能)、荧光发射以及光化学反应等多种途径。这表明，吸收辐射的强弱并不能等直接同于其对大气的实际加热贡献。由于缺乏对气溶胶吸收辐射后热能释放量的直接测量手段，难以量化气溶胶在太阳辐射下的放热量，从而制约了大气加热组分的精准识别和管控。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于量热法的可控辐射条件下吸光性气溶胶放热能力的测量装置及方法，旨在量化不同气溶胶在光照下的放热能力差异，从而为大气加热组分识别提供可靠的依据。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种基于量热法的可控辐射条件下吸光性气溶胶放热能力的测量装置，该装置包括氙灯光源、真空泵、真空腔体、石英皿以及测温系统五部分；其中，氙灯光源，用于提供模拟太阳辐射；

3、真空腔体，其两侧壁上分别设置有石英窗口和抽气口；

4、真空泵，与所述真空腔体连接，用于对所述真空腔体抽真空；

5、石英皿，设置于所述真空腔体内部，用于盛放气溶胶提取液；

6、测温系统，测温系统包括温度传感器、信号处理电路、蓝牙传输模块和记录终端；所述测温系统通过蓝牙传输模块与外接设备连接后可实现对石英皿中溶液温度的实时监测，所述温度传感器伸入所述石英皿内部，用于实时监测所述提取液的温度变化。

7、使用时，将收集到的气溶胶样品的提取液加入石英皿中，开启氙灯并使用测温系统实时监测提取液的温度变化，从而实现对气溶胶放热能力的直接测量。

8、进一步的，上述氙灯光源的型号为镁瑞臣mc-pf-300c。

9、进一步的，上述真空泵的型号为2xz-4b型旋片式真空泵，功率为0.55kw，真空度可达4×10-2pa。

10、进一步的，上述真空腔高11cm，腔体外径6cm，内径5cm，真空腔两侧壁上分别设置有一个直径为3cm的石英窗口和外径为1cm的抽气口。

11、进一步的，上述石英皿长2.3em，宽2.3cm，高3.5cm，容积为10ml，用于盛放气溶胶提取液进行相关测试；皿盖为聚四氟乙烯材质，顶部设有一直径0.15cm的小口用于伸入温度传感器。

12、本发明还提供了一种基于量热法的可控辐射条件下吸光性气溶胶放热能力的测量方法，其特征在于，采用上述吸光性气溶胶放热能力的测量装置进行，将采集于滤膜上的气溶胶经溶剂提取后，置于所述装置中进行测试，具体步骤如下：

13、(1)取5cm2负载有气溶胶样品的滤膜，使用10ml甲醇作为提取液，对所述气溶胶样品进行超声提取30分钟，重复提取三次并将全部提取液混合得到气溶胶-甲醇提取液s；

14、(2)取10ml气溶胶-甲醇提取液s于石英皿中，按照附图1组装测试装置；

15、(3)开启真空泵将真空腔抽真空至真空腔内气压达到4×10-2pa；

16、(4)开启测温系统，待示数稳定后开启氙灯，调节氙灯功率至目标强度，开始计时并定时记录溶液温度；其中，第四分钟和第六分钟的溶液温度分别记作t1和t2；计算得到光照第五分钟时溶液的升温速度tr1，单位为℃/min，公式为：

17、tr1＝(t2-t1)/2

18、(5)取10ml甲醇于石英皿中，重复步骤(3)和(4)计算得到光照第五分钟时纯甲醇的升温速度tr2；

19、(6)计算气溶胶的放热能力hp，公式为：

20、

21、其中，hp为气溶胶的放热能力，单位为w/mg；

22、ρmethanol为甲醇常温下密度，单位为g/ml；

23、v为甲醇体积，单位为ml；

24、cp-methanol为甲醇常温下比热容，单位为kj/kg/℃；

25、m为10ml提取液s中的有机质质量，单位为mg；

26、60为单位转换系数，单位为秒/分；

27、(7)计算气溶胶引起的大气加热速率hr，公式为：

28、

29、其中，hr为气溶胶引起的大气加热速率，单位为k/d；

30、c为气溶胶浓度，单位为μg/m3；

31、86400为单位转化系数，单位为秒/天；

32、ρ为常温下大气密度，单位为kg/m3；

33、cp为常温下大气比热容，单位为kj/g/k；

34、106为单位转化系数，单位为(mg×kj)/(μg×j)。

35、本发明的积极效果如下：

36、相比于传统仅评估气溶胶吸光能力的方法，本发明利用自组装测试装置，实现了对气溶胶在光照条件下放热能力的直接测量，克服了传统方法仅通过吸光度间接推测加热效应的局限性。

37、本发明首次提出了量化气溶胶吸光放热能力的参数指标放热能力hp，该放热能力可以定量描述单位质量气溶胶在太阳辐射下的放热功率，从而为比较不同类型或来源气溶胶的放热差异提供了统一的定量依据。

38、本发明装置结构简洁，操作流程清晰，可适用于实验室离线分析场景，具有良好的可重复性和推广性。

1.一种基于量热法的可控辐射条件下吸光性气溶胶放热能力的测量装置，其特征在于，包括：氙灯光源，用于提供模拟太阳辐射；

2.根据权利要求1所述的一种基于量热法的可控辐射条件下吸光性气溶胶放热能力的测量装置，其特征在于，氙灯光源输出功率为1000～35000w/m2，光谱范围为300～2500nm，氙灯光源与石英窗口间设有可拆卸滤光片，实现光谱范围的调控。

3.根据权利要求1所述的一种基于量热法的可控辐射条件下吸光性气溶胶放热能力的测量装置，其特征在于，所述真空泵为2xz-4b型旋片式真空泵，功率为0.55kw，可抽真空至4×10-2pa。

4.根据权利要求1所述的一种基于量热法的可控辐射条件下吸光性气溶胶放热能力的测量装置，其特征在于，真空腔高11cm，腔体外径6cm，内径5cm，真空腔两侧壁上分别设置有一个直径为3cm的石英窗口和外径为1cm的抽气口。

5.根据权利要求1所述的一种基于量热法的可控辐射条件下吸光性气溶胶放热能力的测量装置，其特征在于，所述石英皿长2.3cm，宽2.3cm，高3.5cm，容积为10ml，所述石英皿用于盛放气溶胶提取液；

6.根据权利要求1所述的一种基于量热法的可控辐射条件下吸光性气溶胶放热能力的测量装置，其特征在于，所述测温系统通过蓝牙传输模块与外接设备连接后可实现对石英皿中溶液温度的实时监测。

7.一种基于量热法的可控辐射条件下吸光性气溶胶放热能力的测量方法，其特征在于，采用权利要求1-6任一项所述的吸光性气溶胶放热能力的测量装置进行；将收集到的气溶胶经提取液提取后置于搭建好的测温装置中测量其吸光放热能力，具体步骤如下：