不同種類顆粒物對(duì)切割器性能評(píng)價(jià)的影響研究

劉佳琪，張國(guó)城，吳 丹，沈上圯，荊文杰，趙曉寧

(北京市計(jì)量檢測(cè)科學(xué)研究院，北京 100029)

0 引 言

細(xì)顆粒物（PM2.5）是指空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑不超過2.5 μm的顆粒物，此類顆粒物可由呼吸直接進(jìn)入人體，并且滯留在肺泡中，可能引起一系列疾病，危害人們的身體健康[1-2]。這類細(xì)顆粒物可混合在空氣中，形成氣溶膠，由于具有較大的比表面積，可為各種細(xì)菌、病毒進(jìn)入人體提供可乘之機(jī)。PM2.5濃度的監(jiān)測(cè)一直都是環(huán)境檢測(cè)領(lǐng)域的一項(xiàng)重要工作，有許多研究人員開展了關(guān)于該方面的研究[3-4]。

目前市面上常見的顆粒物濃度測(cè)量?jī)x器通常由采樣單元、分析單元等部分組成，采樣單元中的切割器可按粒徑大小不同實(shí)現(xiàn)顆粒物的篩分，是起到顆粒物分級(jí)作用的重要部件。如PM2.5切割器，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)HJ 93—2013[5]，這種切割器的50%捕集效率對(duì)應(yīng)的空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑值應(yīng)滿足（2.5±0.2）μm的分布范圍，捕集效率曲線的幾何標(biāo)準(zhǔn)偏差應(yīng)不超過1.2±0.1。已有科研人員針對(duì)不同類型的切割器（旋風(fēng)式、撞擊式、虛擬式等）展開了研究[6-7]，使用不同的方法如分流法、靜態(tài)箱法等對(duì)各種切割器的性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)[8-9]。還有針對(duì)切割器在粉塵環(huán)境中進(jìn)行長(zhǎng)期加載后的性能變化研究[10-11]，及切割器內(nèi)部壓力變化對(duì)其性能的影響[12-13]。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)HJ 93—2013，評(píng)價(jià)PM2.5切割器需要用到8種不同粒徑范圍的單分散顆粒物，分別測(cè)得8種粒徑對(duì)應(yīng)的捕集效率后，結(jié)合線性回歸方程對(duì)捕集效率曲線進(jìn)行擬合，從而獲取Da16、Da50及Da84，即捕集效率為16%、50%和84%時(shí)對(duì)應(yīng)的空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑值。常見的單分散顆粒物選用聚苯乙烯微球標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，這種微球都經(jīng)過了電鏡觀測(cè)定值及空氣動(dòng)力學(xué)定值，可得知每種微球的確切粒徑范圍。亞利桑那試驗(yàn)粉塵(Arizona Test Dust)是一種常見的氣溶膠環(huán)境模擬樣本，這種塵的性質(zhì)與自然環(huán)境中的粉塵更加接近，所以探究切割器在這種粉塵環(huán)境中表現(xiàn)出的性能是很有必要的。根據(jù)ISO 12103—1中的規(guī)定[14]，這種多分散粉塵根據(jù)粒徑范圍不同，可分為A1～A4四種粗細(xì)等級(jí)，其中，A1超細(xì)試驗(yàn)粉塵的空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑范圍為0～10 μm。由于亞利桑那塵顆粒物的形狀并不規(guī)則，且密度與聚苯乙烯也不相同，如果使用亞利桑那塵及聚苯乙烯微球分別測(cè)量切割器的捕集效率，其結(jié)果應(yīng)該會(huì)存在一定的差異，但目前并未見到針對(duì)使用這兩種顆粒物對(duì)同一個(gè)切割器進(jìn)行評(píng)價(jià)的研究。

為了探究評(píng)價(jià)過程中的顆粒物種類對(duì)切割器呈現(xiàn)出的性能指標(biāo)有何影響，搭建了一套基于擴(kuò)散腔的切割器捕集效率評(píng)價(jià)系統(tǒng)，通過霧化器形成濃度穩(wěn)定的氣溶膠環(huán)境，并采用空氣動(dòng)力學(xué)粒徑譜儀分別測(cè)量切割器上、下游顆粒物數(shù)量濃度，計(jì)算出切割器的捕集效率、Da50及幾何標(biāo)準(zhǔn)偏差。本文使用亞利桑那A1塵及8種粒徑的單分散聚苯乙烯微球標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)分別評(píng)價(jià)了國(guó)產(chǎn)及進(jìn)口的PM2.5切割器，對(duì)比了不同種類顆粒物的評(píng)價(jià)結(jié)果，并根據(jù)測(cè)量原理分析了出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因。

1 評(píng)價(jià)系統(tǒng)搭建

為了得到濃度穩(wěn)定的氣溶膠環(huán)境，并且實(shí)現(xiàn)切割器上、下游的顆粒物數(shù)量濃度測(cè)量，搭建了如圖1所示的評(píng)價(jià)系統(tǒng)。此系統(tǒng)主要包括四個(gè)部分：霧化發(fā)塵、混勻艙、測(cè)量艙及空氣動(dòng)力學(xué)粒徑譜儀。其中混勻艙是直徑0.8 m的圓筒結(jié)構(gòu)，測(cè)量艙是長(zhǎng)1 m左右的立方體箱體結(jié)構(gòu)，兩部分相互連通，測(cè)量艙內(nèi)可安裝切割器及參比管路。為了測(cè)量切割器在不同當(dāng)量粒徑時(shí)的捕集效率，需要分別測(cè)量未經(jīng)切割器的顆粒物數(shù)量濃度（上游）及經(jīng)過切割器后的顆粒物數(shù)量濃度（下游）。本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)測(cè)量艙內(nèi)顆粒物濃度的實(shí)時(shí)觀測(cè)與閉環(huán)控制，使用光散射粉塵儀測(cè)量的艙內(nèi)粉塵濃度作為反饋，應(yīng)用PID技術(shù)調(diào)節(jié)霧化瓶的發(fā)塵流量，從而使艙內(nèi)濃度達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)濃度值。

圖1 評(píng)價(jià)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

測(cè)量艙內(nèi)的空氣流動(dòng)情況可以根據(jù)艙內(nèi)當(dāng)量直徑d、氣流速度v、密度ρ及粘滯系數(shù)μ等參數(shù)獲取，從而從理論角度評(píng)估艙內(nèi)顆粒物混合均勻的可能性。測(cè)量艙內(nèi)的雷諾數(shù)可按照以下公式進(jìn)行計(jì)算：

本研究評(píng)價(jià)的切割器采樣流量為16.67 L/min，由于下方的粒徑譜儀采樣流量為5 L/min，為滿足切割器的采樣流量，在粒徑譜儀采樣口上方設(shè)置流量控制器及抽氣泵，通過抽出一定量的氣體，使切割器上、下游評(píng)價(jià)過程中的流量均保持為其工作點(diǎn)流量。

通過使用熱式風(fēng)速儀（TSI，Air Pro AP500，美國(guó)）在常溫下對(duì)測(cè)量艙內(nèi)的氣流進(jìn)行測(cè)量，得到平均氣流速度v為0.03 m/s，在本研究的實(shí)驗(yàn)條件下，空氣密度 ρ是 1.205 kg/m3，粘滯系數(shù)μ是 1.81×10–5Pa·s，艙內(nèi)當(dāng)量直徑d是 0.8 m，由公式（1）可計(jì)算出測(cè)量艙內(nèi)的雷諾數(shù)Re約為1598。根據(jù)流體動(dòng)力學(xué)[15]，雷諾數(shù)小于2000的流體可視為層流，故本系統(tǒng)測(cè)量艙內(nèi)的氣流是層流狀態(tài)，即混勻在其中的顆粒物僅受到自身重力，其運(yùn)動(dòng)過程無氣流擾動(dòng)的影響，顆粒物與空氣可達(dá)到較好的均勻性。

在霧化器中加入待發(fā)塵的顆粒物懸浮液，并通入一定流量的潔凈氣體，即可將溶液霧化；再經(jīng)過另一路潔凈氣體對(duì)氣溶膠進(jìn)行稀釋、干燥，即可形成氣溶膠。氣溶膠在混勻艙內(nèi)緩慢下降，逐漸與空氣混合均勻，隨后到達(dá)測(cè)量艙。切割器安裝在測(cè)量艙內(nèi)，與其相對(duì)比的是未安裝切割器的參比管路，兩路分別由兩個(gè)電動(dòng)控制閥控制，最終連通至空氣動(dòng)力學(xué)粒徑譜儀。在測(cè)量過程中，由粒徑譜儀依次測(cè)量測(cè)量艙內(nèi)未經(jīng)切割器的樣本數(shù)量濃度c1及經(jīng)過切割器后的樣本數(shù)量濃度c2，在各粒徑下分別計(jì)算二者比值，即可得出切割器的捕集效率。由各粒徑點(diǎn)的捕集效率可擬合得出捕集效率曲線，再通過曲線可獲取Da16/Da50及Da50/Da84的值。

2 結(jié)果與討論

2.1 顆粒物形狀觀測(cè)及粒徑分布表征

亞利桑那試驗(yàn)粉塵的主要成分為SiO2，是密度為2.7～2.9 g/cm3的多分散不規(guī)則顆粒物；所用的聚苯乙烯微球是密度為1.05 g/cm3的形狀規(guī)則的單分散球體顆粒物。為對(duì)比多分散A1超細(xì)試驗(yàn)粉塵及單分散聚苯乙烯微球的形狀，使用掃描電子顯微鏡（SEM）分別對(duì)這兩種顆粒物進(jìn)行了掃描，圖2（a）是A1超細(xì)試驗(yàn)粉塵的SEM掃描圖像。為了更清晰地獲取A1超細(xì)試驗(yàn)粉塵的粒徑分布，又使用馬爾文粒徑譜儀對(duì)其進(jìn)行了分析，圖2（b）是其粒徑譜圖?？梢钥闯鯝1超細(xì)試驗(yàn)粉塵的形狀不規(guī)則，粒徑分布不均勻；其粒徑譜圖顯示中值粒徑為4.67 μm，且分布范圍較寬，印證了其多分散的特性。

圖2 A1超細(xì)試驗(yàn)粉塵的SEM圖像及粒徑譜圖（d(0.5)=4.670 μm）

圖3是聚苯乙烯微球的SEM圖像及馬爾文粒徑譜儀測(cè)量出的粒徑譜圖，此處選取了8種粒徑中的一種微球進(jìn)行代表，其標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)編號(hào)為GBW13647。由該微球的SEM圖像可以看出，顆粒呈現(xiàn)規(guī)則的球形；由粒徑譜圖可以得知其中值粒徑為2.91 μm，粒徑分布較窄，符合其單分散的特性。

圖3 編號(hào)為GBW13647的聚苯乙烯微球標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的SEM圖像及粒徑譜圖（d(0.5)=2.910 μm）

2.2 PM2.5切割器評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比

為了探究不同種類的顆粒物對(duì)切割器性能評(píng)價(jià)結(jié)果的差異，使用前文描述的評(píng)價(jià)系統(tǒng)，采用A1超細(xì)試驗(yàn)粉塵及不同粒徑的聚苯乙烯微球分別對(duì)進(jìn)口（美國(guó)，型號(hào) VSCC）及國(guó)產(chǎn)（型號(hào) VSCC-100）的PM2.5切割器進(jìn)行了評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果如圖4所示，擬合得到捕集效率曲線。表1是實(shí)驗(yàn)得到的Da50和幾何標(biāo)準(zhǔn)偏差?？梢钥闯?，使用A1粉塵測(cè)得的Da50略小于使用微球測(cè)得的值。對(duì)比使用微球測(cè)得的捕集效率曲線，使用A1超細(xì)試驗(yàn)粉塵測(cè)得的幾何標(biāo)準(zhǔn)偏差也存在0.8%～6.3%范圍內(nèi)的偏差，且國(guó)產(chǎn)的切割器差異比進(jìn)口的切割器更加明顯。

圖4 進(jìn)口及國(guó)產(chǎn)PM2.5切割器捕集效率曲線對(duì)比

表1 PM2.5切割器評(píng)價(jià)結(jié)果

2.3 PM1切割器評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比

為了進(jìn)一步探究A1超細(xì)試驗(yàn)粉塵及單分散聚苯乙烯微球?qū)η懈钇髟u(píng)價(jià)結(jié)果的影響，本研究使用這兩種顆粒物對(duì)PM1切割器（美國(guó)，型號(hào)VSCC）進(jìn)行了評(píng)價(jià)，使用的8種單分散聚苯乙烯微球粒徑分布范圍為0.6～1.7 μm。按照前文所述的實(shí)驗(yàn)步驟，分別在兩種顆粒物環(huán)境下獲取了同一個(gè)PM1切割器的捕集效率曲線，如圖5所示。根據(jù)捕集效率曲線獲取的Da50和幾何標(biāo)準(zhǔn)偏差如表2所示。

圖5 進(jìn)口（型號(hào)VSCC）PM1切割器的捕集效率曲線

表2 PM1切割器評(píng)價(jià)結(jié)果

2.4 造成評(píng)價(jià)結(jié)果差異的原因

觀察兩種顆粒物評(píng)價(jià)結(jié)果的差異，考慮是由于A1超細(xì)試驗(yàn)粉塵的顆粒形狀不規(guī)則、尺寸為多分散分布，與聚苯乙烯微球的規(guī)則球形、單分散粒徑分布有很大區(qū)別，同時(shí)這兩種材質(zhì)的密度也不一致，這些因素共同導(dǎo)致了空氣動(dòng)力學(xué)粒徑譜儀對(duì)二者的粒徑識(shí)別存在差異。相比來說，聚苯乙烯微球的密度比A1超細(xì)試驗(yàn)粉塵更接近于單位密度1 g/cm3，且本研究選用的標(biāo)準(zhǔn)微球形狀規(guī)則，單分散性好，粒徑譜儀對(duì)其空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑的識(shí)別準(zhǔn)確性高。

標(biāo)準(zhǔn)微球的空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑是采用可溯源至國(guó)家長(zhǎng)度基準(zhǔn)的絕對(duì)測(cè)量法（顯微鏡觀測(cè)及圖像分析）和經(jīng)典空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑測(cè)量法定值的，通過使用符合計(jì)量學(xué)特性的測(cè)量方法可保證粒徑量值的可溯源性。使用經(jīng)過定值的聚苯乙烯標(biāo)準(zhǔn)微球進(jìn)行切割器的捕集效率測(cè)量，可根據(jù)微球的準(zhǔn)確定值粒徑繪制捕集效率曲線，最終計(jì)算出50%切割粒徑（Da50）及幾何標(biāo)準(zhǔn)偏差（Da16/Da50、Da50/Da84）。

使用A1超細(xì)試驗(yàn)粉塵評(píng)價(jià)切割器的捕集效率時(shí)，雖然可以一次性測(cè)得全部粒徑范圍內(nèi)的捕集效率值，但各捕集效率對(duì)應(yīng)的空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑依賴于空氣動(dòng)力學(xué)粒徑譜儀的通道識(shí)別。由于粒徑譜儀對(duì)粒徑的識(shí)別是按照分布范圍劃分至不同通道的，各通道顯示一定粒徑范圍內(nèi)的顆粒物數(shù)量濃度，此粒徑值并非單一確切數(shù)值。為了盡可能減小粒徑選擇帶來的誤差，本研究使用各通道的中間粒徑值及該通道對(duì)應(yīng)的捕集效率用于數(shù)據(jù)分析。由此可知，在使用A1超細(xì)試驗(yàn)粉塵的測(cè)量結(jié)果繪制捕集效率曲線時(shí)，粒徑的選擇可能存在偏差，從而導(dǎo)致測(cè)得的50%切割粒徑及幾何標(biāo)準(zhǔn)偏差與聚苯乙烯標(biāo)準(zhǔn)微球測(cè)得的結(jié)果存在差異。因此，從量值溯源及準(zhǔn)確性的角度考慮，應(yīng)該選用準(zhǔn)確定值的聚苯乙烯標(biāo)準(zhǔn)微球進(jìn)行切割器的評(píng)價(jià)，即依據(jù)HJ 93—2013標(biāo)準(zhǔn)的方法作為標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)方法。

3 結(jié)束語

為了探究不同材質(zhì)的顆粒物在評(píng)價(jià)PM2.5切割器捕集效率過程中對(duì)結(jié)果的影響，本文選用A1超細(xì)試驗(yàn)粉塵（多分散）及HJ 93—2013標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的8種粒徑的單分散聚苯乙烯標(biāo)準(zhǔn)微球分別評(píng)價(jià)了進(jìn)口（型號(hào)VSCC）及國(guó)產(chǎn)（型號(hào)VSCC-100）的PM2.5切割器，以及進(jìn)口（型號(hào)VSCC）PM1切割器。對(duì)比結(jié)果發(fā)現(xiàn)使用這兩種不同材質(zhì)的顆粒物評(píng)價(jià)切割器得到的切割器性能指標(biāo)是有差異的。使用A1超細(xì)試驗(yàn)粉塵對(duì)切割器進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，得到PM2.5及PM1切割器Da50均略小于使用微球測(cè)得的值。以微球測(cè)得的捕集效率曲線為準(zhǔn)，使用A1超細(xì)試驗(yàn)粉塵測(cè)得的PM2.5切割器的幾何標(biāo)準(zhǔn)偏差較前者存在0.8%～6.3%的差異，且國(guó)產(chǎn)的切割器差異比進(jìn)口的切割器更加明顯；PM1切割器的幾何標(biāo)準(zhǔn)偏差存在2.5%～6.6%的差異。因此，多分散粒子可以用于切割器切割曲線的快速估測(cè)，但不能作為標(biāo)準(zhǔn)方法替代HJ 93—2013中的單分散聚苯乙烯小球，用于切割器切割效率的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。多分散粒子的粒徑高度依賴于動(dòng)力學(xué)粒徑譜儀的粒徑通道數(shù)量和粒徑識(shí)別誤差，而單分散粒子粒徑可通過掃描電鏡實(shí)現(xiàn)量值溯源，準(zhǔn)確度更高。本研究可為切割器性能評(píng)價(jià)過程中的顆粒物選擇提供科學(xué)依據(jù)。