張囡囡

（哈爾濱師范大學現(xiàn)代教育技術(shù)與實驗中心，黑龍江 哈爾濱150025）

1 概述

科研工作者對粉塵影響大型儀器設(shè)備運行的程度非常重視，電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀屬于大型儀器設(shè)備，該儀器設(shè)備在分析微量元素中應(yīng)用的比較廣泛，近年來，該儀器設(shè)備逐漸得到較為普遍的應(yīng)用。由于黑龍江地處我國東北，秸稈焚燒、冬季供暖等造成的霧霾天氣日益增多，使粉塵顆粒在城市空氣中日益成為對健康造成不利影響的一個重要的城市污染源?？諝庵写嬖谳^多的粉塵，對于儀器設(shè)備的正常使用造成不同程度的影響。室內(nèi)人員盡可能減少流動和安裝空調(diào)設(shè)備是防止粉塵比較有效的方法，結(jié)合目前的實驗環(huán)境，以其它科研工作者工作為參考，基于VISTA-MPX 型電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀，通過對電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀設(shè)備中粉塵的形態(tài)和粒徑進行分析，對電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀設(shè)備的外部和內(nèi)部循環(huán)冷卻系統(tǒng)進行改造，進而使粉塵明顯減輕影響儀器設(shè)備運行的程度，電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀設(shè)備有效降低日常維護成本及維護頻率，電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀設(shè)備的使用效率進一步提高，并對某苛刻的操作環(huán)境而言，電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀設(shè)備不再受到限制，為將精密儀器日后在不同環(huán)境中的應(yīng)用積累十分重要的實踐經(jīng)驗。

2 改造前的儀器設(shè)備維護情況

采用全譜直讀型還是單道掃描型對于電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀的分析速度具有決定性作用，每個樣品需2 或6 分鐘，全譜直讀型相對較快，通常測定一個樣品為2 分鐘。電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀對大部份元素的檢出限為1-10ppb，在潔凈的試樣中一些元素也可獲得比較準確的亞ppb 級檢出限。本研究改造的儀器設(shè)備是由購買美國在2006 年生產(chǎn)的VISTA-MPX 型號的電感耦合等離子體光譜儀，自安裝調(diào)試使用十余年來，日常工作中對該儀器設(shè)備采取的主要維護措施是：一是每月定期清潔和維護電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀外部的水冷卻系統(tǒng)；二是每月定期清潔和維護電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀光路冷卻系統(tǒng)；三是每周對電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀外部定期潔除塵一次，每月對電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀內(nèi)部清潔除塵一次，維護費用每年需要3000-5000 元之間。因受到粉塵的影響，電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀無法正常運行，光路冷卻循環(huán)傳感器及高頻發(fā)生器點火裝置傳感器等部件發(fā)生失靈是比較主要的表現(xiàn)。

3 粉塵在改造前對儀器設(shè)備的污染

在電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀工作時，空氣中的粉塵隨著外部空氣循環(huán)系統(tǒng)向儀器設(shè)備內(nèi)部進入，在傳感器表面被吸附，導(dǎo)致傳感器無法正常工作。拆解儀器設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)后，根據(jù)各部位存在的粉塵情況可知，儀器設(shè)備內(nèi)部在改造前存在很多的粉塵，在渦旋泵、高頻發(fā)生器、橡膠管路、外罩管路接口及渦輪風機出風口等部位均勻的附著粉塵，為儀器設(shè)備改造更好提供參數(shù)，使改造方案進一步確定，收集這幾個部位富集的粉塵并分析粉塵形態(tài)和粒徑。

4 粉塵的主要形態(tài)及粒徑分布

在超純水中均勻分布收集到的粉塵，在40 倍物鏡下采用光學顯微鏡對其形態(tài)進行觀察，可發(fā)現(xiàn)在水中分布的粉塵顆粒不具有均勻大小，大部分顆粒與玻璃碎片相似，為針對粉塵粒徑開展相關(guān)研究采用動態(tài)光散射方法對粉塵進行測試。在水中將均勻分散的粉塵搖勻，采用0.22 微米的濾膜進行過濾后，采用動態(tài)光散射方法對濾液中的顆粒進行分析，獲得粉塵顆粒分布的粒徑。根據(jù)動態(tài)光散射分析結(jié)果顯示，因微小物粒存在靜電吸附和團聚現(xiàn)象，粉塵不具有大小一致的粒徑，通常處于2-3000 納米之間。

5 主要應(yīng)對措施

結(jié)合目前常用的防塵方法及措施，主要按照外部和內(nèi)部兩個部分采用相應(yīng)解決方法進行改造。

5.1 外部改造

外循環(huán)的空氣凈化系統(tǒng)，結(jié)合空調(diào)系統(tǒng)工作原理進行參考：經(jīng)過一段管路的聯(lián)通向儀器設(shè)備排風處輸送壓縮的冷氣，進入儀器設(shè)備內(nèi)的氣體進行冷卻循環(huán)，粒徑在2-100 微米之間的粉塵可進入到儀器設(shè)備內(nèi)部，應(yīng)安裝過濾網(wǎng)對于此部分的過濾進行攔截。市場上目前有很多種粉塵過濾網(wǎng)，采用飛利浦空氣凈化器中的過濾網(wǎng)將超過2 微米的粉塵予以去除，在外部進風口部位進行安裝。外部空氣凈化系統(tǒng)與電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀主機的連接，主要是與廢氣排出裝置進行連接，將外循環(huán)凈化系統(tǒng)連接電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀通風口的管路。安裝過濾網(wǎng)按照儀器設(shè)備原有進風口處過濾網(wǎng)，選用的過濾網(wǎng)，過濾網(wǎng)安裝后的儀器設(shè)備進風口的順序。原有過濾網(wǎng)不能將2-100 微米之間的粉塵去除，過濾網(wǎng)安裝后可過濾外部的粉塵，過濾網(wǎng)和外空氣凈化系統(tǒng)安裝后，結(jié)合除塵過濾阻力，對改造前外循環(huán)出口風流速進行測試達到2.6 米/秒，改造后達到2.6 米/秒，出風口流速在改造前后未發(fā)生任何變化，所以，出風口和入風口的氣體流量不受改造的影響。

5.2 內(nèi)部改造

不足2 微米的微塵是能夠進入儀器設(shè)備內(nèi)部的粉塵，將過濾網(wǎng)安裝在儀器設(shè)備內(nèi)部的自循環(huán)系統(tǒng)，可過濾不足2 微米的微塵。采用飛利浦空氣凈化器中的過濾網(wǎng)對粉塵進行過濾。將過濾網(wǎng)在光路冷卻進口和渦輪風機出口進入內(nèi)部循環(huán)冷卻氣部位進行安裝，適當裁剪采購的過濾網(wǎng)，在相應(yīng)部位上進行安裝。經(jīng)測試后，進風和出風口風速改造前達到2.8 米/秒的風速，改造后達到2.8 米/秒的風速，儀器設(shè)備內(nèi)部的冷卻氣循環(huán)流量在改造前后未發(fā)生任何變化。

6 研究結(jié)果及分析

儀器設(shè)備經(jīng)改造后，儀器設(shè)備內(nèi)部冷卻管路內(nèi)的粉塵運行一段時間后能夠明顯減少。比較內(nèi)外部冷卻循環(huán)系統(tǒng)中的粉塵在改造前后發(fā)生的變化，結(jié)果顯示，外循環(huán)送風系統(tǒng)經(jīng)改造后，送風口部位能夠被過濾掉大顆粒的粉塵，每周只需清洗一次初過濾網(wǎng)，每周清潔一次的內(nèi)部冷卻循環(huán)管路減少到每月清洗一次。將每周清潔一次的內(nèi)部冷卻風扇的頁面減少到每月清潔一次，能夠明顯改善富集粉塵情況，從每周收集約0.2 克的內(nèi)部冷卻循環(huán)管路部位減少到每月收集0.01 克。從每周收集約0.5 克的內(nèi)部冷卻風扇頁面減少到每月收集約0.02 克，具有比較顯著的效果。電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀儀器操作軟件中改造后的空氣冷卻報警系統(tǒng)未再發(fā)生報警情況，儀器設(shè)備能夠正常運轉(zhuǎn)，此經(jīng)驗可用于改造供其它精密儀器設(shè)備的防塵工作。

7 結(jié)論

綜上所述，在日常工作中電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀的自動化程度最成熟，即使操作人員技術(shù)不熟練，采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀專家制定的方法也可順利完成相關(guān)工作。對電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀設(shè)備中粉塵的形態(tài)和粒徑進行分析，對電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀設(shè)備的外部和內(nèi)部循環(huán)冷卻系統(tǒng)進行改造，進而使粉塵明顯減輕影響儀器設(shè)備運行的程度，電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀設(shè)備有效降低日常維護成本及維護頻率，電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀設(shè)備的使用效率進一步提高，并對某苛刻的操作環(huán)境而言，電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀設(shè)備不再受到限制，為將精密儀器日后在不同環(huán)境中的應(yīng)用積累十分重要的實踐經(jīng)驗。