含重金屬Cu元素模擬塵源氣溶膠的試驗研究*

鄧高峰 李增和 胡露露 王智超 郜津慧

(1.北京化工大學(xué)理學(xué)院，北京 100029；2.中國建筑科學(xué)研究院建筑安全與環(huán)境國家重點實驗室，北京 100013；3.建研科技股份有限公司，北京 100013)

顆粒物是一種化學(xué)成分極復(fù)雜的復(fù)合污染物，由大量不同的污染物構(gòu)成，性質(zhì)多樣，危害較大。采用空氣過濾器去除顆粒物是一種行之有效的方法，為使高效空氣過濾器在性能上達到更高的要求，需嚴格控制過濾器在性能上的測試。而進行性能測試研究，首先需要獲得的是能夠滿足測試要求的氣溶膠粒子。雖然各國的空氣過濾器性能檢測標準中均指明了測試過濾器所采用的人工塵源氣溶膠：歐盟標準[1]規(guī)定使用的測試氣溶膠為癸二酸二辛酯(DEHS)；美國ASHRAE制定的標準[2]采用的氣溶膠為KCl；《空氣過濾器》(GB/T 14295—2008)使用的氣溶膠為KCl；《高效空氣過濾器性能試驗方法 效率和阻力》(GB/T 6165—2008)使用的是NaCl氣溶膠，但是標準中所采用的試驗氣溶膠組分均未涉及重金屬元素。而根據(jù)近幾年我國顆粒物研究發(fā)現(xiàn)，除標準中所包括的Na、Cl、K元素外，金屬元素在顆粒物構(gòu)成中也占一定比例，這些粒子對痕量金屬的吸附率高達60%～80%，尤其是如果含有生理可利用性有毒金屬時，就可能影響肺等器官的生理功能。

1 試驗方案

1.1 試驗系統(tǒng)及儀器設(shè)備介紹

本試驗均在中國建筑科學(xué)研究院建筑安全與環(huán)境國家重點實驗室的試驗系統(tǒng)(見圖1)中進行。氣溶膠發(fā)生噴嘴安裝在盛有一定濃度噴霧溶液的噴霧容器中，并且浸沒其中。潔凈壓縮空氣通過流量計和壓強計進入噴嘴，噴霧產(chǎn)生的細小液滴進入鈉焰臺風(fēng)道，和風(fēng)道內(nèi)風(fēng)量為1 000 m3/h的潔凈干燥稀釋空氣混合，然后通過混合干燥段和緩沖箱，到達上游采樣口處，最后用SMPS-3936型粒徑譜儀進行采樣測量氣溶膠的各項參數(shù)。電加熱器和高效空氣過濾器用來加熱和過濾稀釋空氣，設(shè)置在混合干燥段末端的TESTO625型溫濕度儀用來監(jiān)測風(fēng)道內(nèi)空氣的溫濕度，以確保液滴能完全干燥結(jié)晶。在上游采樣口處采樣能夠保證采樣斷面濃度場混合均勻，使得采樣具有代表性。進入噴嘴的噴氣壓可通過流量計前面的閥門進行調(diào)節(jié)，并且通過壓強計讀數(shù)。

粒徑譜儀是通過電遷移技術(shù)測量粒子的粒徑分布的儀器，主要由3個部分組成：靜電分級器(3080型)、凝結(jié)核粒子計數(shù)器(3022A型)和微機軟件系統(tǒng)。其中，靜電分級器又包括氣溶膠撞擊器(3302A型)、氣溶膠中和器(3077型)和微分遷移率分級器(3085型)。靜電分級器用來對原始的氣溶膠進行篩分和粒徑分級，凝結(jié)核粒子計數(shù)器用來測量氣溶膠粒子數(shù)濃度(簡稱粒度)，微機軟件系統(tǒng)用來對整個測量過程進行控制和操作。

圖1 試驗系統(tǒng)Fig.1 Experiment system

1.2 試驗設(shè)計

(1) 在發(fā)生溶液質(zhì)量分數(shù)為8%、噴氣壓為0.30 MPa的條件下發(fā)生氣溶膠，采用粒徑譜儀進行采樣測量，獲得NaCl、KCl和CuSO4氣溶膠粒子的粒譜圖。根據(jù)這3種氣溶膠粒子粒譜圖的對比分析后，本試驗主要研究了粒譜分布更相近的KCl和CuSO4氣溶膠。

(2) 配制質(zhì)量分數(shù)分別為2%、4%、8%的CuSO4和KCl溶液，將噴氣壓調(diào)至0.30 MPa，獲得不同發(fā)生溶液濃度下的CuSO4和KCl氣溶膠粒子，并進行粒譜分析。

(3) 保持發(fā)生溶液質(zhì)量分數(shù)為2%不變，依次獲得噴氣壓為0.15、0.20、0.25、0.30 MPa下的CuSO4和KCl氣溶膠粒子，并進行粒譜分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同塵源氣溶膠的粒譜特征

氣溶膠的粒譜分布具有較大變動性，需引入一種擁有物理基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)函數(shù)對其進行描述。這種對氣溶膠粒譜分布進行描述的數(shù)學(xué)函數(shù)應(yīng)滿足3個特征[8]：(1)函數(shù)必須包括整個大氣氣溶膠粒子尺度范圍；(2)擬合參數(shù)形式與所選擇的粒譜表征屬性參數(shù)無關(guān)，能適用于質(zhì)量、數(shù)濃度、表征面積和體積等特征譜的描述；(3)函數(shù)應(yīng)有合理的物理基礎(chǔ)。

粒譜分布函數(shù)具有分形不變性，因此利用其分布函數(shù)的共性來描述大氣氣溶膠尺度分布特征是一個簡單且有效的方法。在幾何自相似的粒子體系，粒子體系總以某種近乎連續(xù)的粒度分布而存在。用高斯分布擬合塵源氣溶膠的粒譜，在物理、數(shù)學(xué)以及經(jīng)驗上是合適的[9-10]。本研究在粒譜分析過程中，將粒度(N，個/cm3)譜分布轉(zhuǎn)化成與粒徑(D，nm)有關(guān)的函數(shù)形式，并用高斯分布函數(shù)進行擬合(見式(1))，獲得了較好的擬合效果。

(1)式中：C為常數(shù)；σ為幾何標準差；Dn為峰值粒徑，nm。

由圖2可知，試驗所采用的新發(fā)生溶液CuSO4的粒譜圖符合塵源氣溶膠的粒譜特征。根據(jù)圖2，采用式(1)進行擬合分析。如圖3(a)所示，CuSO4氣溶膠峰值粒徑分布在50 nm附近，與NaCl和KCl氣溶膠的峰值粒徑范圍接近。除峰值粒徑要求外，作為測試氣溶膠還需滿足分散度要求，幾何標準差則常被作為描述氣溶膠粒子分散度的參數(shù)。對于單分散和多分散氣溶膠的界定，最新歐盟標準[11]規(guī)定：σ≤1.15時為單分散氣溶膠；當(dāng)1.15<σ<1.50時為準單分散氣溶膠；當(dāng)σ>1.50時為多分散氣溶膠。由圖3(b)可知，NaCl、KCl和CuSO4氣溶膠的幾何標準差分別為0.88、0.85、0.81，呈單分散且分散程度接近。新發(fā)生溶液CuSO4的峰值粒徑和幾何標準差與兩種標準塵源接近，可較好滿足測試氣溶膠要求，表明CuSO4氣溶膠粒子能滿足測試氣溶膠的要求，配制符合大氣顆粒物所含重金屬組分的氣溶膠是可實現(xiàn)的。

圖2 不同塵源氣溶膠的粒譜分布Fig.2 Particle size distribution of different dust aerosols

圖3 不同塵源氣溶膠的峰值粒徑與幾何標準差Fig.3 Dn and σ of different dust aerosols

2.2 不同塵源的相關(guān)性

由圖4(a)可看出，CuSO4與KCl間的粒譜場圖呈“柳葉”狀，近乎線性。由圖4(b)可知，相關(guān)系數(shù)(R2)為0.991 52，相關(guān)性很好，有較好的同源性。由此表明，CuSO4和KCl間相關(guān)性很強，具有較好的同源性，再次表明CuSO4氣溶膠粒子與標準塵源的一致性，滿足可測試性。

圖4 不同塵源間的粒譜場與相關(guān)性Fig.4 The particle spectra and correlation between different dust aerosols

圖5 不同發(fā)生溶液質(zhì)量分數(shù)下的粒譜分布Fig.5 Particle size distribution of CuSO4 and KCl at different concentrations

2.3 發(fā)生溶液濃度對塵源氣溶膠粒譜分布的影響

由圖5(a)可見，從整體上說，發(fā)生溶液濃度的變化并未影響粒譜呈單峰分布的特征，且不同濃度下的變化趨勢相似，隨著發(fā)生溶液濃度的增加，分布曲線越陡峭。當(dāng)粒徑小于峰值粒徑時不同發(fā)生溶液濃度下的氣溶膠粒度分布較集中；當(dāng)粒徑超過峰值粒徑后，不同發(fā)生溶液濃度下的氣溶膠粒度分布較分散。由圖5(b)可見，與CuSO4氣溶膠的粒譜分布相似，發(fā)生溶液濃度并未影響KCl氣溶膠粒譜的單峰分布特征；但發(fā)生溶液濃度對粒度的影響明顯，粒度隨發(fā)生溶液濃度的增加而上升，而對CuSO4氣溶膠的粒度影響較小。這說明，發(fā)生溶液濃度對不同塵源氣溶膠粒度的影響規(guī)律并不統(tǒng)一，而是隨成分不同呈現(xiàn)差異。因在過濾器性能檢測中起決定作用的因素為氣溶膠峰值粒徑和幾何標準差，而粒度可通過調(diào)節(jié)稀釋倍數(shù)調(diào)整，且較靈活，所以接下來將進一步比較這兩種氣溶膠峰值粒徑和幾何標準差。

由圖6可知，隨發(fā)生溶液濃度的增加，CuSO4和KCl氣溶膠的幾何標準差均呈上升趨勢，分散度增加，表明發(fā)生溶液濃度的增加會使氣溶膠粒子分布趨于分散。如圖7所示，發(fā)生溶液濃度的增加造成氣溶膠粒子峰值粒徑的增大，從而迫使粒子分散度增加，與幾何標準差的變化相符合。

圖6 發(fā)生溶液質(zhì)量分數(shù)對CuSO4和KCl氣溶膠幾何標準差的影響Fig.6 Effects of mass concentrations on σ of CuSO4 and KCl aerosols

圖7 發(fā)生溶液質(zhì)量分數(shù)對CuSO4和KCl氣溶膠峰值粒徑的影響Fig.7 Effects of mass concentrations on Dn of CuSO4 and KCl aerosols

2.4 噴氣壓對塵源氣溶膠粒徑分布的影響

由圖8可知，從整體上說，CuSO4和KCl的分布相似，噴氣壓的變化均未影響到它們粒譜呈單峰分布的趨勢，且隨著噴氣壓的增大，分布曲線越陡峭，氣溶膠粒度均明顯提高。當(dāng)粒徑小于峰值粒徑時，不同噴氣壓下氣溶膠粒度分布明顯呈分段性，基本不重合，噴氣壓越大，所處粒度段越高；當(dāng)粒徑超過峰值粒徑后，不同噴氣壓下粒度不再呈分段式分布，而是出現(xiàn)部分重合。

圖8 不同噴氣壓下的粒譜分布Fig.8 Particle size distribution of CuSO4 and KCl under different jet pressure

由圖9可知，隨噴氣壓的增加，CuSO4和KCl氣溶膠的幾何標準差的變化一致，均呈下降趨勢，分散度減小。表明噴氣壓的增加會使氣溶膠粒子分布趨于集中。如圖10所示，噴氣壓的增加會造成氣溶膠粒子峰值粒徑的減小，從而增加氣溶膠粒子集中分布機率。但噴氣壓對于幾何標準差和峰值粒徑的影響幅度較小，此結(jié)果與文獻[12]對于NaCl氣溶膠的研究結(jié)果相似，表明了CuSO4氣溶膠作為測試氣溶膠的可行性。同時，噴氣壓對CuSO4和KCl氣溶膠峰值粒徑和分散度作用規(guī)律的一致性也進一步表明CuSO4氣溶膠作為測試氣溶膠的可行性。

圖9 噴氣壓對CuSO4和KCl氣溶膠幾何標準差的影響Fig.9 Effects of jet pressures on σ of CuSO4 and KCl aerosols

圖10 噴氣壓對CuSO4和KCl氣溶膠峰值粒徑的影響Fig.10 Effects of jet pressures on Dn of CuSO4 and KCl aerosols

3 結(jié) 論

(1) 提出了新的人工塵氣溶膠發(fā)生溶液CuSO4，其粒譜分布同樣符合高斯分布，CuSO4和

KCl間的R2為0.991 52，相關(guān)性很好。NaCl、KCl和CuSO4氣溶膠的幾何標準差分別為0.88、0.85、0.81，呈單分散且分散程度接近，表明CuSO4氣溶膠能夠滿足測試氣溶膠的要求，配制符合大氣顆粒物所含重金屬組分的氣溶膠是可實現(xiàn)的。

(2) 隨發(fā)生溶液濃度的增加，氣溶膠峰值粒徑增大，導(dǎo)致分散度增加；隨噴氣壓的增加，氣溶膠峰值粒徑減小，分布趨于集中。發(fā)生溶液濃度和噴氣壓對CuSO4和KCl氣溶膠峰值粒徑和分散度作用規(guī)律的一致性進一步表明CuSO4氣溶膠作為測試氣溶膠的可行性。

(3) 為滿足測試的單分散氣溶膠粒子要求，有針對性地去除含重金屬元素的顆粒物，可以采用CuSO4作為模擬塵源氣溶膠。

[1] EN 779-2012，Particulate air filters for general ventilation - determination of the filtration performance[S].

[2] ASHRAE 52.2-1999，Method of testing general ventilation air-cleaning devices for removal efficiency by particle size[S].

[3] 謝華林，張萍，賀惠，等.大氣顆粒物中重金屬元素在不同粒徑上的形態(tài)分布[J].環(huán)境工程，2002，20(6)：55-57.

[4] 楊儀方，錢楓，謝婷，等.北京市春季大氣顆粒物污染特性研究[J].環(huán)境污染與防治，2009，31(7)：44-51.

[5] 王淑蘭，柴發(fā)合，張遠航，等.成都市大氣顆粒物污染特征及其來源分析[J].地理科學(xué)，2004，24(4)：488-492.

[6] 王少毅，曾艷君，琚鴻，等.廣州地區(qū)秋冬季細顆粒物PM2.5化學(xué)組分分析[J].環(huán)境監(jiān)測管理與技術(shù)，2013，25(4)：9-12.

[7] 王文全，孫龍仁，吐爾遜·吐爾洪，等.烏魯木齊市大氣PM2.5中重金屬元素含量和富集特征[J].環(huán)境監(jiān)測管理與技術(shù)，2012，24(5)：23-27.

[8] 成天濤，呂大仁，陳洪濱，等.渾善達克沙地沙塵氣溶膠的粒譜特征[J].大氣科學(xué)，2005，29(1)：147-153.

[9] EPSTEIN B.The mathematical description of certain breakage mechanisms leading to the logarith mic-normal distribution[J].Journal of the Franklin Institute，1947，244(6)：471-477.

[10] PATTERSON J M，GILLETTE D A.Commonalities in measured size distributions for aerosols having a soil-derived component[J].Journal of Geophysical Research，1977，82(15)：2074-2082.

[11] EN 1822-1，High efficiency air filters (HEPA and ULPA) - Part 1：classification，performance testing，marking[S].

[12] 王智超，宋燦華，劉志軍.Laskin噴嘴噴霧性能[J].暖通空調(diào)，2010，40(2)：133-137.