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(guó)建筑科學(xué)研究院建筑安全與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(guò)濾器去除顆粒物是一種行之有效的方法，為使高效空氣過(guò)濾器在性能上達(dá)到更高的要求，需嚴(yán)格控制過(guò)濾器在性能上的測(cè)試。而進(jìn)行性能測(cè)試研究，首先需要獲得的是能夠滿足測(cè)試要求的氣溶膠粒子。雖然各國(guó)的空氣過(guò)濾器性能檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中均指明了測(cè)試過(guò)濾器所采用的人工塵源氣溶膠：歐盟標(biāo)準(zhǔn)[1]規(guī)定使用的測(cè)試氣溶膠為癸二酸二辛酯(DEHS)；美國(guó)ASHRAE制定的標(biāo)準(zhǔn)[2]采用的氣溶膠為KCl；《空氣過(guò)濾器》(GB/T 14295—2008)使用的氣溶膠為KCl；《高效空氣過(guò)濾器性能試驗(yàn)方法 效率和阻力》(GB/T 6165—2008)使用的是NaCl氣溶膠，但是標(biāo)準(zhǔn)中所采用的試驗(yàn)氣溶膠組分均未涉及重金屬元素。而根據(jù)近幾年我國(guó)顆粒物研究發(fā)現(xiàn)，除標(biāo)準(zhǔn)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(duì)痕量金屬的吸附率高達(dá)60%～80%，尤其是如果含有生理可利用性有毒金屬時(shí)，就可能影響肺等器官的生理功能。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)及儀器設(shè)備介紹

本試驗(yàn)均在中國(guó)建筑科學(xué)研究院建筑安全與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)系統(tǒng)(見(jiàn)圖1)中進(jìn)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(méi)其中。潔凈壓縮空氣通過(guò)流量計(jì)和壓強(qiáng)計(jì)進(jìn)入噴嘴，噴霧產(chǎn)生的細(xì)小液滴進(jìn)入鈉焰臺(tái)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(guò)混合干燥段和緩沖箱，到達(dá)上游采樣口處，最后用SMPS-3936型粒徑譜儀進(jìn)行采樣測(cè)量氣溶膠的各項(xiàng)參數(shù)。電加熱器和高效空氣過(guò)濾器用來(lái)加熱和過(guò)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(lái)監(jiān)測(cè)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(chǎng)混合均勻，使得采樣具有代表性。進(jìn)入噴嘴的噴氣壓可通過(guò)流量計(jì)前面的閥門(mén)進(jìn)行調(diào)節(jié)，并且通過(guò)壓強(qiáng)計(jì)讀數(shù)。

粒徑譜儀是通過(guò)電遷移技術(shù)測(cè)量粒子的粒徑分布的儀器，主要由3個(gè)部分組成：靜電分級(jí)器(3080型)、凝結(jié)核粒子計(jì)數(shù)器(3022A型)和微機(jī)軟件系統(tǒng)。其中，靜電分級(jí)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(jí)器(3085型)。靜電分級(jí)器用來(lái)對(duì)原始的氣溶膠進(jìn)行篩分和粒徑分級(jí)，凝結(jié)核粒子計(jì)數(shù)器用來(lái)測(cè)量氣溶膠粒子數(shù)濃度(簡(jiǎn)稱粒度)，微機(jī)軟件系統(tǒng)用來(lái)對(duì)整個(gè)測(cè)量過(guò)程進(jìn)行控制和操作。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Experiment system

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

(1) 在發(fā)生溶液質(zhì)量分?jǐn)?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(jìn)行采樣測(cè)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(duì)比分析后，本試驗(yàn)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?jǐn)?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(jìn)行粒譜分析。

(3) 保持發(fā)生溶液質(zhì)量分?jǐn)?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(jìn)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(dòng)性，需引入一種擁有物理基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)函數(shù)對(duì)其進(jìn)行描述。這種對(duì)氣溶膠粒譜分布進(jìn)行描述的數(shù)學(xué)函數(shù)應(yīng)滿足3個(gè)特征[8]：(1)函數(shù)必須包括整個(gè)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(wú)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(lái)描述大氣氣溶膠尺度分布特征是一個(gè)簡(jiǎn)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(yàn)上是合適的[9-10]。本研究在粒譜分析過(guò)程中，將粒度(N，個(gè)/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(jìn)行擬合(見(jiàn)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(biāo)準(zhǔn)差；Dn為峰值粒徑，nm。

由圖2可知，試驗(yàn)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(jìn)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(cè)試氣溶膠還需滿足分散度要求，幾何標(biāo)準(zhǔn)差則常被作為描述氣溶膠粒子分散度的參數(shù)。對(duì)于單分散和多分散氣溶膠的界定，最新歐盟標(biāo)準(zhǔn)[11]規(guī)定：σ≤1.15時(shí)為單分散氣溶膠；當(dāng)1.15<σ<1.50時(shí)為準(zhǔn)單分散氣溶膠；當(dāng)σ>1.50時(shí)為多分散氣溶膠。由圖3(b)可知，NaCl、KCl和CuSO4氣溶膠的幾何標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)差與兩種標(biāo)準(zhǔn)塵源接近，可較好滿足測(cè)試氣溶膠要求，表明CuSO4氣溶膠粒子能滿足測(cè)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)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(chǎng)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(qiáng)，具有較好的同源性，再次表明CuSO4氣溶膠粒子與標(biāo)準(zhǔn)塵源的一致性，滿足可測(cè)試性。

圖4 不同塵源間的粒譜場(chǎng)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?jǐn)?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(duì)塵源氣溶膠粒譜分布的影響

由圖5(a)可見(jiàn)，從整體上說(shuō)，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(shì)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(shí)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(guò)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(jiàn)，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(duì)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(duì)CuSO4氣溶膠的粒度影響較小。這說(shuō)明，發(fā)生溶液濃度對(duì)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(guò)濾器性能檢測(cè)中起決定作用的因素為氣溶膠峰值粒徑和幾何標(biāo)準(zhǔn)差，而粒度可通過(guò)調(diào)節(jié)稀釋倍數(shù)調(diào)整，且較靈活，所以接下來(lái)將進(jìn)一步比較這兩種氣溶膠峰值粒徑和幾何標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)差均呈上升趨勢(shì)，分散度增加，表明發(fā)生溶液濃度的增加會(huì)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(biāo)準(zhǔn)差的變化相符合。

圖6 發(fā)生溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)CuSO4和KCl氣溶膠幾何標(biāo)準(zhǔn)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?jǐn)?shù)對(duì)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(duì)塵源氣溶膠粒徑分布的影響

由圖8可知，從整體上說(shuō)，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(shì)，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(shí)，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(guò)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(biāo)準(zhǔn)差的變化一致，均呈下降趨勢(shì)，分散度減小。表明噴氣壓的增加會(huì)使氣溶膠粒子分布趨于集中。如圖10所示，噴氣壓的增加會(huì)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(jī)率。但噴氣壓對(duì)于幾何標(biāo)準(zhǔn)差和峰值粒徑的影響幅度較小，此結(jié)果與文獻(xiàn)[12]對(duì)于NaCl氣溶膠的研究結(jié)果相似，表明了CuSO4氣溶膠作為測(cè)試氣溶膠的可行性。同時(shí)，噴氣壓對(duì)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(jìn)一步表明CuSO4氣溶膠作為測(cè)試氣溶膠的可行性。

圖9 噴氣壓對(duì)CuSO4和KCl氣溶膠幾何標(biāo)準(zhǔn)差的影響Fig.9 Effects of jet pressures on σ of CuSO4 and KCl aerosols

圖10 噴氣壓對(duì)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(biāo)準(zhǔn)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(cè)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(shí)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(duì)CuSO4和KCl氣溶膠峰值粒徑和分散度作用規(guī)律的一致性進(jìn)一步表明CuSO4氣溶膠作為測(cè)試氣溶膠的可行性。

(3) 為滿足測(cè)試的單分散氣溶膠粒子要求，有針對(duì)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。

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