半干式静电旋风采样器与气体及/或水样采样方法技术领域
本发明是关于一种采样器及其采样方法，特别是关于一种半干式静电
旋风采样器与气体及/或水样采样方法。
背景技术
人们日常呼吸的空气是由多种化学物质所组成，其中可能包含会危害
人体健康及外围环境的污染物，当这些物染物的浓度过高，便会对人体或
环境产生危害。
为了评估人体或环境暴露于空气污染的风险，有效的气体污染物采样
是必要的。由于气体污染物有可能是气体或悬浮物，因此还需进一步考虑
将气体及悬浮物分别收集采样，以便进行准确的污染物分析。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的之一是提供一种可将气体及固体样本分
别采样的装置及方法。
为了达成前述及其他目的，本发明提供一种半干式静电旋风采样器，
其包括一旋风器本体、一绝缘板、至少一放电电极、一导风管、一进气手
段、一放电手段及一冲洗手段，该旋风器本体具有一环形壁面、一连接于
环形壁面底端的底部、至少一进气口及至少一出水口；该绝缘板是设于该
环形壁面的顶端，该绝缘板、环形壁面及底部共同定义一旋风腔室，该进
气口及出水口均连通于该旋风腔室，放电电极设于绝缘板并延伸至旋风腔
室内，放电电极具有一自由端，该自由端低于进气口且高于出水口；导风
管设于旋风器本体底部，且导风管定义一通道，导风管的顶端定义一上开
口连通于旋风腔室及通道，上开口低于放电电极的自由端且高于出水口；
该进气手段是用以将含有微粒的气流自该进气口导入该旋风腔室，使该气
流于旋风腔室内沿该环形壁面螺旋流动，并经由导风管的通道离开旋风腔
室；该放电手段是用以施加一高压电于放电电极，使放电电极放电而让气
流中的至少部分微粒带电，进而使得带电的微粒附着于环形壁面；该冲洗
手段是用以将水导入旋风腔室并清洗该环形壁面，且带走至少一部份附着
于环形壁面的微粒，载有微粒的水自该出水口离开旋风腔室；其中，于放
电手段作用时，进气手段亦同时作用；于冲洗手段作用时，放电手段不作
用。
为了达成前述及其他目的，本发明还提供一种气体及水样采样方法，
是应用如前所述的半干式静电旋风采样器，包括下列步骤：
(1)使该进气手段及放电手段同时作用，收集或分析自该通道离开
的气体样本；
(2)使该进气手段及放电手段停止作用；以及
(3)使该冲洗手段作用，收集或分析自该出水口离开的水样。
为了达成前述及其他目的，本发明还提供一种水样采样方法，是应用
如前所述的半干式静电旋风采样器，包括下列步骤：
(1)使该进气手段及放电手段同时作用；
(2)使该进气手段及放电手段停止作用；
(3)使该冲洗手段作用，收集或分析自该出水口离开的水样。
通过前述设计，进气手段及放电手段作用时，可将空气中的固体或液
体悬浮物(两者简称微粒)在离心力或静电力的作用下收集于环形壁面，
自导风管通道离开的气体样本可被加以收集分析，而冲洗手段则可用水将
附着于环形壁面的微粒冲洗带走，自出水口离开的水样即载有所述微粒并
可用以后续分析所用，实现气体样本及/或水样分别收集采样的目的。
附图说明
为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如
后，其中：
图1是本发明第一实施例的纵剖面图；
图2是图1的2-2剖面图；
图3是本发明第一实施例的使用状态示意图，其中进气手段及放电手
段同时作用；
图4是本发明第一实施例的使用状态示意图，其中冲洗手段单独作用；
图5是本发明第二实施例的纵剖面图；
图6是图5的6-6剖面图；
图7是利用本发明第二实施例所作成的微粒收集效率对粒径关系图；
图8是本发明第三实施例的纵剖面图；
图9是图8的9-9剖面图；
图10是本发明第四实施例的纵剖面图，但其中放电电极及绝缘圆柱
体未以剖面表示。
具体实施方式
请参考图1至图2，所绘示者为本发明第一实施例的半干式静电旋风
采样器，其包括一旋风器本体10、一绝缘板20、一放电电极30、一导风
管40、一进气手段、一放电手段及一冲洗手段。
旋风器本体10具有一环形壁面11、一连接于环形壁面11底端的底部
12、一进气口13、一进水口14及一出水口15，环形壁面11的中心定义
一假想轴线，出水口15低于进水口14，且进气口13及进水口14紧邻于
环形壁面11的顶端，该出水口15紧邻该漏斗状底部12的底端。旋风器
本体10可由导电材质制成，例如不锈钢、铝等导电金属，或是混掺有碳
纤维、石墨烯或奈米碳管的导电塑料。使用导电塑料当作本体10的半干
式静电旋风采样器用于金属检测用途时，可免于金属的污染，得到更准确
的结果。在其他可能的实施例中，进气口、进水口及出水口可各为多个。
绝缘板20设于环形壁面11的顶端，且绝缘板20、环形壁面11及底
部12共同定义一旋风腔室16，进气口13、进水口14及出水口15均连通
于旋风腔室16。绝缘板20可由非导电的材质制成，例如聚四氟乙烯。
放电电极30设于绝缘板20并沿环形壁面11所定义的轴线延伸至旋
风腔室16内，放电电极30具有一自由端31，自由端31低于进气口13
且高于出水口15。放电电极30可由导电材质制成。
导风管40设于旋风器本体10的底部12，导风管40定义一通道41，
导风管40的顶端更定义一上开口42连通于旋风腔室16及该通道41，上
开口42的位置低于放电电极30的自由端31且高于出水口15。
进气手段是用以将含有微粒的气流自进气口13导入旋风腔室16，使
气流于旋风腔室16内沿环形壁面11螺旋流动，并经由导风管40的通道
41离开旋风腔室16；气流经由通道41离开前，可能会沿着导风管40的
外壁面螺旋流动。为了将气流导入旋风腔室16，可将一抽气泵浦或空气压
缩机接设于与进气口13或通道41连通的流道，而为了让气流容易沿着环
形壁面11螺旋流动，进气口13可在环形壁面11的切线方向(tangential
direction)或接近于切线的方向上将气流导入旋风腔室16，例如，进气
口13的喷气方向可与环形壁面11的切线方向具有小于30°的夹角。在可
能的实施例中，气流在进入旋风腔室16前，可先利用其他除尘或分径设
备而将气流中粒径较大的微粒先行去除，例如，导入旋风腔室16的气流
可仅含有气动直径10μm(PM10)或2.5μm(PM2.5)以下的微粒，所使用的除
尘设备可为但不限于旋风器、微粒冲击器及滤纸匣。
放电手段是用以施加一高压电于放电电极30，使放电电极30放电而
让气流中的至少部分微粒带电，进而使得带电的微粒附着于环形壁面11。
放电电极30可电连接于高压电产生器，高压电产生器所提供的电压应足
以供放电电极30高压放电。为了使放电电极30容易放电，放电电极30
可设有放电针或放电刃。为了使带电微粒更容易附着于环形壁面11，于放
电手段作用时，环形壁面11可以接地或带有与带电微粒电性相反的电荷。
冲洗手段是用以将水导入旋风腔室16并清洗环形壁面11，例如经由
该进水口14将水导入旋风腔室16，且带走至少一部份附着于环形壁面11
的微粒。为了将水导入旋风腔室16，可将一储水装置及一注水马达或其他
可供给水压的设备连接于与进水口14连通的流道，让水可经由进水口14
喷向环形壁面11，进水口14的喷水方向可为环形壁面11的切线方向或接
近切线方向，使单一进水口14所喷出的水流可螺旋流经环形壁面11较大
的区域。在可能的实施例中，环形壁面可设有多个进水口，使水流可充分
冲洗环形壁面的至少大部分区域。在其他可能的实施例中，水可以采用溢
流方式导入旋风腔室并清洗环形壁面。载有微粒的水会流至旋风器本体10
的底部12，并经由出水口15离开旋风腔室16。在其他可能的实施例中，
可将一汲水马达或其他汲水设备连通于与出水口连通的流道，当该汲水设
备作用时，可让旋风腔室产生负压而使进水口流道内的水被吸出进水口而
冲洗环形壁面，在这样的使用场合中，进水口流道也可不连接有注水马达
或其他可供给水压的设备。
以下说明半干式静电旋风采样器的工作方式：
首先，请参考图3，令进气手段及放电手段同时作用，此时载有微粒
的气流自进气口13进入旋风腔室16，至少一部份微粒因为离心力及静电
力的作用而附着于环形壁面11或掉落至底部12，脱除至少部分微粒的气
流随后经由通道41而离开旋风腔室16；在需要收集或分析气体样本的场
合，更进一步将自通道41离开的气体样本加以收集或分析。
自通道41离开的气体样本可为但不限于以多孔金属片固气分离采样
器(Porous Metal Denuder Sampler，PDS)收集，PDS具有收集气体的多孔
金属片，可采集的气体成分包含有NH3、HF、HCl、HNO2、HNO3、SO2等。分
析方式可为但不限将PDS收集气体的多孔金属片浸泡于纯水中，再将此水
样利用离子层析仪(Ion Chromatography，IC)量测水样中的离子浓度如
NH4+、F-、Cl-、NO2-、NO3-、SO42-等，再经换算得到气相浓度。其他的分析
方式例如利用气体侦测器量测欲分析的气体的浓度。
需说明的是，为了取得更准确的分析结果，可在进气手段及放电手段
作用之前，先将冲洗气体导入旋风腔室16，冲洗气体例如可使用干燥空气、
氮气或惰性气体，由此令旋风腔室16保持干燥。
接着，令进气手段及放电手段停止作用，亦即不再导入气流至旋风腔
室16，同时放电电极30停止放电。
再接着，请参考图4，令冲洗手段开始作用，使用去离子水或超纯水
等冲洗水将至少部分附着于环形壁面11的微粒带离环形壁面11，这些冲
洗水随后并由位于底部12的出水口15离开旋风腔室16；在需要收集或分
析水样的场合，更进一步将自出水口15离开的水样加以收集或分析。
自出水口15离开的水样可利用但不限于容器收集，水样的分析可为
但不限于离子浓度、重金属浓度分析，离子浓度例如可使用离子层析仪分
析，重金属浓度例如可使用感应耦合等离子体质谱分析仪(Inductively
Coupled Plasma-Mass Spectrometer，ICP-MS)分析。
请参考图5至图6，所绘示的为本发明第二实施例的半干式静电旋风
采样器，该第二实施例与该第一实施例的构造雷同，其主要差异在于该本
体10是由一下部17及一上部18组成。本体10具有多个进水口14，所述
进水口14分别位于环形壁面11的不同高度。该环形壁面11的径向外侧
设有一水槽50及多个对应于该进水口14的流道51，该流道51连通于水
槽50及其对应的进水口14。该旋风器本体10的底部12具有一斜面19，
该出水口15位于该斜面19的最低处。该导风管40与该底部12为一体成
形。该水槽50的径向外侧设有一与外界连通的引水口52，该引水口52
是与该水槽50连通，可供水注入该水槽50、该流道51，并从所述进水口
14流至该环形壁面11中。
以下利用若干实验验证该第二实施例的功效，实验前已先将干燥空气
导入旋风腔室16使之保持干燥。实验中所使用的待采集气体已预先做分
径处理，使气体中仅含有PM2.5以下的微粒。待采集气体以5L/min流速
导入旋风腔室16中，进气手段及放电手段同时作用24小时，之后关闭进
气手段及放电手段，使用25ml去离子水进行该冲洗手段，收集自出水口
15离开的水样，再以IC分析水样中的离子浓度。上述实验重复进行四次。
进行上述实验的同时，待采集气体另分流导入已知的多孔金属片固气
分离采样器(Porous Metal Denuder Sampler，PDS)。PDS可以同时进行气
体及微粒的采样，其包含有收集气体的多孔金属片及收集微粒的滤纸，于
本实验中仅取PDS中的滤纸放置于30ml的去离子水中，并以超音波震荡
将微粒萃取至水中，再将此水样分别以IC分析离子浓度。实验结果列于
表一中的对照组。需说明的是，无论实验组或是对照组，其离子浓度分析
中的阴阳離子平衡比(ion ratio)皆在0.8-1.2之间，显示该离子浓度分
析具有可信度及代表性。
表1离子浓度。单位：μg/m3
倘若旋风腔室16未保持干燥，则分析会有偏差，其实验结果可参考
表二，实验步骤与前述实验相似，惟未在该进气手段及该放电手段同时作
用之前将干燥空气导入该旋风腔室16中使之保持干燥。结果显示，使用
未干燥的旋风腔室16(实验组-wet)采样微粒，其水样中的NO3-浓度明
显高于以PDS采样的对照组。
表2潮湿环境及未涂敷超疏水剂下的离子分析结果。单位：μg/m3
为了进一步增加采样的准确度，可对环形壁面进行表面处理而使环形
壁面具有殊水性，亦即环形壁面与水几乎不具有亲合力(affinity)，例
如可在环形壁面表面涂布殊水剂，使得冲洗手段所导入的水滴更容易在环
形壁面螺旋滚动并带走微粒，且水滴不易在环形壁面残留。在其他可能的
实施方式中，环形壁面可以物理性表面处理而使其表面致密化，从而提高
其殊水性。
接下来测试静电收集微粒的效率。本实验利用喷雾器(atomizer)产生
癸二酸二辛酯(DOS)微粒，DOS微粒预先进入一混合槽使之浓度均匀，接着
以旋风器去除PM2.5以上的微粒后，导入该第二实施例的采样器的进气口
13。进行两组实验，其中实验组是使进气手段及放电手段同时作用，放电
手段施加10000V电压置放电电极30，对照组则是在进气手段作用的同时，
不施加电压于该放电电极30。由该导风管40离开的气体样本被导入扫描
式电移动度微粒分径器(Scanning Mobility Particle Sizer，SMPS)用以
测试微粒浓度，称为出口微粒浓度(N出口)，此外，导入该进气口13的气
体亦以SMPS测试微粒浓度，称为进口微粒浓度(N进口)。利用下列公式求
得收集微粒的效率(η)。
数学式1
实验结果如图7所示，对于粒径介于100-600nm的DOS微粒而言，施
加10000V高压电比不施加电压的收集微粒效率高出至少57％。
另外，请参考图8、图9，所绘示的为本发明的第三实施例。在本实
施例中，放电电极30为多个，且所述放电电极30的几何中心与环形壁面
11所定义的中心轴线重叠，环形壁面11上未开设有进水口，进气口13
则连通于一进气流道131及一进水流道141；进气手段作用时，气流经由
进气流道131及进气口13导入旋风腔室16；冲洗手段作用时，冲洗水经
由进水流道141及进气口13导入旋风腔室16，此时同样可有一储水装置
及一注水马达或其他可供给水压的设备连接于进水流道141，让水可经由
进气口13喷向环形壁面11。
请参考图10，所绘示者为本发明的第四实施例，其结构大致与第二实
施例相似，惟两者对于放电电极30的配置方式不同。在本实施例中，绝
缘板20的中央设有一延伸至旋风腔室16内部的绝缘圆柱体32，其材质例
如为不导电的聚四氟乙烯，圆柱体32可呈实心或空心，圆柱体32的外表
面等间隔设有若干用以作为放电电极的电极线33，电极线33平贴于圆柱
体32外表面且在旋风腔室16的轴向上延伸，放电手段作用时，电极线33
与一高压电源连接并进行放电。针对本实施例进行了静电收集微粒的效率
测试，使用氯化钠为测试微粒，接着以旋风器去除PM2.5以上的微粒后，
以3L/min的流速将含有氯化钠微粒的气流导入第四实施例的采样器的进
气口13，各电极线33与环形壁面11的最短距离为0.45公分，电极线33
的电压保持在5300V，测试结果显示，微粒收集效率平均可达90％以上。
通过前述设计，进气手段及放电手段作用时，可将空气中的固体或液
体悬浮物(两者简称微粒)在离心力或静电力的作用下收集于环形壁面，
自导风管通道离开的气体样本可被加以收集分析，而冲洗手段则可用水将
附着于环形壁面的微粒冲洗带走，自出水口离开的水样即载有所述微粒并
可用以后续分析所用，实现气体样本及/或水样分别收集采样的目的。
通过前述设计，进气手段及放电手段作用时，可将空气中的微粒在离
心力或静电力的作用下收集于环形壁面，自导风管通道离开的气体样本可
被加以收集分析，而冲洗手段则可用水将附着于环形壁面的微粒冲洗带
走，自出水口离开的水样即载有所述微粒并可用以后续分析所用，实现气
体样本及/或水样分别收集采样的目的。
最后，必须再次说明的是，本发明于前揭实施例中所揭露的构成单元
仅为举例说明，并非用来限制本案的范围，其他等效的替代或变化，亦应
为本案的权利要求范围所涵盖。