馬平昌，李 紅，劉 玥，高 飛，賴天明，徐海博

(1.北京強度環(huán)境研究所，北京 100076；2.天津航天瑞萊科技有限公司北京分部，北京 101102)

0 引言

氣溶膠動態(tài)取樣分析是指針對流動氣體中摻混的氣溶膠進行取樣分析，這對于衡量氣溶膠過濾器效率、氣溶膠分離裝置能力以及模擬大氣氣溶膠含量等問題至關(guān)重要。海洋大氣作為一種典型的大氣氣溶膠環(huán)境，其中所含有的海洋氣溶膠動態(tài)取樣分析問題對于氣溶膠動態(tài)取樣分析方面的研究至關(guān)重要。海洋氣溶膠主要來自海水濺射源、大陸地殼風化源的長距離輸送和近岸污染物遷移等，這也造成了海洋氣溶膠成分復雜、形態(tài)多樣、體系復雜等特點。海洋氣溶膠中的重要成分為鹽霧氣溶膠，而且鹽霧也是造成海洋大氣環(huán)境中工業(yè)設備腐蝕的重要成分，目前的氣溶膠動態(tài)取樣分析的主要方法為過濾稱重法、光散射式氣溶膠光度法、鈉焰法、粒子計數(shù)法等，并且大多數(shù)研究是針對于固體粒子氣溶膠[1-3]，對于鹽霧這類液體氣溶膠的動態(tài)取樣分析研究相對較少。

蘭愛葉使用鈉焰法分析高效過濾器對于鹽霧氣溶膠的過濾效果，分析裝置預先將含有鹽霧氣溶膠的氣流進行高溫干燥，從而形成固體NaCl塵，隨后通過取樣管將氣流引入檢測裝置分析，其本質(zhì)依然為固體粒子氣溶膠取樣分析[4]；李偉等設計船載風控大容量氣溶膠采集系統(tǒng)，提出海洋氣溶膠取樣分析的關(guān)鍵技術(shù)在于海洋氣溶膠含量很低，采用過濾稱重法必須要吸收幾千立方米的空氣才能檢測出來[5]；黃正明分別采用粒子多譜勒分析儀器PDA與等速取樣溶解法測定燃氣輪機進氣分離裝置對于鹽霧氣溶膠的分離效率[6]；石寶龍?zhí)岢霾捎玫人偃尤芙夥ǔ槿『}霧空氣樣品的過程中，會出現(xiàn)部分鹽霧氣溶膠附著于樣品輸送管壁上無法進入采樣瓶中，從而造成取樣誤差[7]。綜上所述，對于鹽霧氣溶膠粒子的動態(tài)取樣分析主要有非接觸光學測量、過濾稱重法以及等速取樣溶解法。非接觸光學測量對于光路要求較高，且鹽霧氣溶膠濃度測量容易受到其他粒子的干擾，而且光學設備價格較高，不利于工業(yè)試驗推廣；過濾稱重法對于低濃度氣溶膠測量有一定的局限性；等速取樣溶解法對于可溶性鹽霧氣溶膠的取樣吸收最適合，但是鹽霧氣溶膠容易附著于樣品輸送管壁產(chǎn)生誤差。

對于海洋鹽霧氣溶膠的取樣分析，不但需要考慮液相氣溶膠的特點，還需要考慮海洋特有高濕環(huán)境的影響。張娜娜等研究了高溫空氣和水蒸氣混合介質(zhì)條件下的固體粒子氣溶膠取樣測試系統(tǒng)，并指出采用疏水聚四氟乙烯濾膜并配合稱重法可以消除水蒸氣的存在對固體粒子氣溶膠測量造成的影響[8]。文獻[9]采用撞擊型等速取樣探針對環(huán)境相對濕度為73%時的鹽霧氣溶膠進行動態(tài)取樣，結(jié)果表明取樣誤差高達200%，并且取樣重復性較差。本文針對高濕環(huán)境下鹽霧氣溶膠的取樣需求，設計一套鹽霧氣溶膠動態(tài)取樣系統(tǒng)，采用疏水聚四氟乙烯取樣器并配合清洗流道設計，從而消除高濕環(huán)境水蒸氣凝結(jié)以及鹽霧氣溶膠輸送過程中的附壁所產(chǎn)生的測量誤差。

1 參數(shù)說明

為保證文中數(shù)據(jù)分析的一致性和準確性，給出文中涉及有關(guān)參數(shù)的說明、單位、定義，如表1所示。

2 取樣測試原理

由于氣溶膠粒子在運動空氣中，自身存在一定的慣性，所以取樣氣流速度v2與空氣流動速度v1的差異對于取樣結(jié)果影響很大，如圖1所示，因此遵循等速取樣原理是氣溶膠定量取樣的基本原則[10]，有研究表明，對于10 μm以上的粒子非等速取樣造成的誤差甚至可以高達50%[11]。

表1 參數(shù)說明

取樣系統(tǒng)依據(jù)等速取樣原理將具有代表性的氣體抽取進入取樣系統(tǒng)后，使用空白溶液吸收氣溶膠中的典型離子，通過對樣品液中典型離子濃度的檢測，從而確定空氣中對應氣溶膠的含量。對于鹽霧氣溶膠取樣，空白吸收液選擇去離子水，典型離子選擇氯離子進行吸收分析。

對樣品液中氯離子濃度檢測采用分光光度法，使用分光光度法對于檢測溶液中微量氯離子具有較高的分辨率[12-13]。檢測氯離子濃度時，向溶液中加入顯色溶液硫酸鐵銨溶液和硫氰酸汞溶液生成紅色絡合物硫氰酸鐵作為顯色劑，檢測具體方法步驟依據(jù)標準GB/T 10593.2—2012[14]。檢測過程如下：

(1)繪制氯離子濃度-吸光值標準曲線，如圖2所示，以去離子水為參比，可得吸光值回歸方程為y=0.048x+0.031，其線性相關(guān)系數(shù)r=0.999 5>0.999，滿足標準曲線精度要求[15]。

(2)取10 mL待測樣品，并加入顯色溶液后稀釋至50 mL進行吸光值測試，得到分析液中氯離子濃度，繼而求得原樣品液中氯離子濃度；

(3)根據(jù)樣品液中氯離子濃度以及取樣狀態(tài)計算空氣中的鹽霧含量，計算公式如下：

(1)

V=V吸收+V清洗+V冷凝

(2)

3 取樣系統(tǒng)設計

取樣系統(tǒng)由取樣器、吸收瓶組、緩沖瓶、調(diào)節(jié)閥、流量計、壓差傳感器、真空泵組成，結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。

取樣器前端設計為薄壁錐角形狀，從而減小取樣器對原有空氣流動的影響。取樣器壁面設計取壓孔，測量取樣器內(nèi)部流動以及外部流動的差壓，如圖4所示。圖中，p1、p2分別為對應位置引出的靜壓強。由于取樣器前向流動總壓一定，所以當取樣器內(nèi)外流動靜壓一致，即可代表取樣器實現(xiàn)等速取樣。

高濕空氣進入取樣系統(tǒng)后會發(fā)生冷凝，附著在沿程壁面上，進而吸附鹽霧，造成取樣測試結(jié)果偏低，為了盡可能減小冷凝附壁效應的影響，取樣器以及沿程輸送軟管均采用疏水聚四氟乙烯材料[16]，并且取樣器特別設計有清洗口，取樣結(jié)束后，使用去離子水從清洗口注入，清洗取樣器及沿程軟管內(nèi)壁面，使得清洗液進入沖擊式吸收瓶內(nèi)，形成最終的樣品液，取樣器的具體結(jié)構(gòu)形式如圖4所示。

真空泵用于實現(xiàn)待測空氣的抽吸，使其進入取樣系統(tǒng)，抽樣氣路上安裝調(diào)節(jié)閥，并根據(jù)壓差傳感器的反饋信號進行實時調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)取樣器等速取樣功能。待測空氣進入取樣器與輸送軟管后進入吸收瓶，吸收瓶內(nèi)裝有一定量的去離子水，用于吸收樣品氣體中的氯離子形成樣品液，吸收瓶采用沖擊式吸收瓶，大流量氣體通過時，其相對于其他類型吸收瓶，離子的吸收效率更高[17]。

此外抽樣氣路上還安裝有流量計以及緩沖瓶。其中流量計用于顯示取樣流量，便于氣溶膠含量計算；緩沖瓶用于防止真空泵停啟過程中樣品液倒吸現(xiàn)象的產(chǎn)生。

4 性能測試及結(jié)果分析

4.1 性能測試臺搭建

取樣性能測試系統(tǒng)用于檢測鹽霧動態(tài)取樣系統(tǒng)應用于典型海洋大氣環(huán)境(高濕含鹽大氣環(huán)境)時，是否能夠準確檢測出空氣的鹽含量，測試臺原理如圖5所示。

取樣性能測試系統(tǒng)通過空氣過濾器、風機、電加熱器、加濕器等設備實現(xiàn)高濕環(huán)境，為了使空氣充分吸收水蒸氣形成高濕環(huán)境，設計足夠長的加濕吸收段，從而滿足加濕的吸收距離；鹽霧環(huán)境由鹽霧噴射裝置實現(xiàn)，鹽霧噴射裝置采用高壓空氣引射鹽水，形成霧狀液態(tài)氣溶膠彌散在高濕的流動空氣中，為了使氣溶膠在空氣中均勻混合，設計長距離氣溶膠均混段[18]。經(jīng)過高濕空氣與鹽霧氣溶膠充分混合后，設置取樣段，取樣系統(tǒng)中取樣器位于取樣段內(nèi)，用于抽取具有代表性的含鹽空氣，從而檢測空氣的含鹽量。取樣器示意圖如圖6所示。

測試流程如下：

(1)開啟風機、電加熱器、加濕器，使得來流空氣達到預期高濕大氣環(huán)境；

(2)開啟鹽霧噴射裝置，通過調(diào)節(jié)鹽水供應量改變鹽霧噴射量，從而形成目標鹽霧大氣環(huán)境；

(3)開啟真空泵，進行取樣，根據(jù)壓差傳感器反饋調(diào)節(jié)控制閥門，使得取樣器內(nèi)外流動靜壓一致，從而實現(xiàn)等速取樣，記錄此時對應的流量q；

(4)一段時間t后，關(guān)閉真空泵，旋轉(zhuǎn)取樣器使取樣口背對來流，防止主管路氣體繼續(xù)進入取樣系統(tǒng)，結(jié)束取樣；

(5)打開取樣器端蓋，向清洗口內(nèi)注入一定量的去離子水，進行沿程通道清洗；

(6)將包含清洗液的吸收液作為最終樣品液進行離子分光光度分析，如圖7所示，根據(jù)檢測結(jié)果計算空氣含鹽量。

4.2 測試工況及結(jié)果分析

取樣性能測試系統(tǒng)模擬典型海洋大氣環(huán)境，溫度為20 ℃，相對濕度為75%，鹽霧含量為0.25 mg/m3[19-21]。溫度控制采用積分分離控制策略[22]，控制精度可達±0.5 ℃，如圖8所示；濕度控制精度可達±5%，如圖9所示。鹽霧含量模擬采用開環(huán)控制，通過控制鹽霧噴射量與送風流量的比值，從而實現(xiàn)鹽霧含量的控制[9]，空氣鹽霧含量理論值計算如下：

(3)

為充分驗證鹽霧氣溶膠動態(tài)取樣系統(tǒng)的結(jié)果重復性和環(huán)境適應性，試驗設計3種工況，具體如表2所示。

表2 試驗工況

單次取樣時間選擇40 min，以消除試驗過程中的隨機誤差，同時增加了樣品溶液氯離子的含量，提高分光光度法的檢測精度。試驗過程針對3種不同的風速工況，分別進行多次取樣，取樣結(jié)果如圖10所示。試驗結(jié)果表明取樣結(jié)果具有一定的波動性，這是由于風道內(nèi)氣體流動的不確定性導致的，但是取樣誤差基本處于±20%的誤差范圍內(nèi)。

在不同的風速下，取樣結(jié)果具有較好的重復性，并且多次取樣平均可以顯著提高取樣的精度。由圖11可知，平均取樣誤差隨著風道內(nèi)風速的提高而增加，這是由于風道內(nèi)風速的提高會增大氣溶膠粒子運動的慣性，從而導致取樣的誤差增大，當v=4 m/s時，平均取樣值為0.254 mg/m3，其取樣誤差僅為1.6%，而當v=10 m/s時，平均取樣值為0.274 mg/m3，取樣誤差為9.7%。鹽霧氣溶膠動態(tài)取樣系統(tǒng)在高濕環(huán)境下(相對濕度75%)可以獲得較滿意的取樣精度和取樣重復性。

5 結(jié)束語

鹽霧氣溶膠在高濕環(huán)境下以液態(tài)形式存在，本文提出的鹽霧氣溶膠動態(tài)取樣系統(tǒng)，通過材料選擇、結(jié)構(gòu)設計及流程控制，解決了高溫水蒸氣凝結(jié)以及鹽霧氣溶膠輸送過程中的附壁所產(chǎn)生的測量誤差。試驗結(jié)果表明不同風速下，鹽霧氣溶膠動態(tài)取樣系統(tǒng)針對高濕環(huán)境下微量鹽霧的取樣偏差基本處于±20%以內(nèi)，并且多次取樣平均可以顯著提高取樣精度。取樣誤差隨風道風速增大而增大，這是由于較大的風速會增加氣溶膠運動的慣性。