李燦 資華麗 魏小清 王秀娟 李昌云

1 湖南工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院

2 上海市安裝工程集團有限公司

3 開利空調(diào)銷售服務(wù)（上海）有限公司長沙分公司

0 引言

進行通風(fēng)空調(diào)、潔凈技術(shù)領(lǐng)域問題研究，檢測空氣過濾材料性能和凈化器性能時，常需要用到顆粒源。中國標準《空氣凈化器》GB/T18801-2015 [1]中規(guī)定：試驗用標準污染物顆粒物使用香煙（例如紅塔山牌經(jīng)典150）。針對高效空氣過濾器的歐盟標準 EN1822-2 2009 [2]中對顆粒源的規(guī)定由舊版中的液態(tài)氣溶膠擴展到了液態(tài)氣溶膠或可替代的固態(tài)氣溶膠。固態(tài)氣溶膠可以采用基于壓縮氣體沖擊粉塵聚集體的多分散氣溶膠發(fā)生器得到一定粒徑范圍、濃度和粒徑分布的顆粒源，一些產(chǎn)品稱可復(fù)現(xiàn)性好，但設(shè)備較昂貴和復(fù)雜，且需要高純高壓氮氣源，使用不方便。香煙是一種較為易得的固態(tài)氣溶膠，中國的空氣凈化器性能檢測中香煙已取得了較長時間的應(yīng)用。

衛(wèi)生香是以木粉，炭粉按一定比例加以各種香料以及中草藥，制成的香餅、香球、線香、棒香、盤香等。已有一些文獻對與衛(wèi)生香制造方法類似的蚊香等的燃燒煙塵的化學(xué)組成和粒徑特征進行研究，并為研究其暴露和健康風(fēng)險提供依據(jù)[3-6]。此外，也有探索衛(wèi)生香用于顆粒物源的研究的報道[7-8]。文獻[7]和[8]發(fā)現(xiàn)衛(wèi)生香燃燒釋放顆粒物粒徑分布穩(wěn)定，且按數(shù)密度其粒徑主要分布在1 μm 以下，粒徑分布均方差值小，這也符合EN1822 中要求的粒徑調(diào)整范圍在1 μm 以下。與氣溶膠發(fā)生器相比，衛(wèi)生香易得而廉價，其燃燒產(chǎn)物毒性小于蚊香和香煙，如粒徑譜分布理想，可復(fù)現(xiàn)性良好，則有可能作為較理想的顆粒物源。因此，衛(wèi)生香燃燒釋放的顆粒物的粒徑分布特征和可復(fù)現(xiàn)性值得進一步研究。

顆粒物的粒度分布特性，通常用算術(shù)平均直徑、幾何平均直徑、中值直徑及其各自的標準偏差來表征[9]。顆粒物根據(jù)其分散度不同，又可以分為單分散顆粒物和多分散顆粒物兩大類[10]，分散度通常用粒徑幾何標準偏差來衡量。EN1822 [2]規(guī)定幾何標準偏差小于1.15 時為單分散顆粒物，大于1.15 小于1.5 時為準單分散顆粒物，1 .5～2.5為多分散顆粒物。

本文對衛(wèi)生香燃燒釋放顆粒物進行測量，并用中位直徑、幾何平均直徑和幾何標準偏差等基本表征參數(shù)對實驗數(shù)據(jù)進行分析，研究衛(wèi)生香作為顆粒物釋放源的特征和可復(fù)現(xiàn)性，以期分析因研究需要將衛(wèi)生香作為一種顆粒物釋放源時的可行性。

1 材料與方法

1.1 實驗環(huán)境

實驗在一間密閉性良好的空調(diào)室內(nèi)進行，室內(nèi)面積為15 m2，高度為2.9 m。實驗時，窗和門關(guān)閉，室內(nèi)溫濕度基本保持恒定，具體環(huán)境參數(shù)見表1。

表1 實驗環(huán)境參數(shù)

1.2 實驗材料與儀器

實驗材料選取市面上常見的某品牌衛(wèi)生香，在室溫下避光保存。顆粒物粒徑譜的測量采用美國TSI 公司生產(chǎn)的SMPS-3938 掃描電遷移率粒徑譜儀，該儀器利用不同粒子在電場中具有的不同電遷移性進行測量，儀器由靜電分級器、差分電遷移率分析儀（DMA）、凝聚核粒子計數(shù)器（CPC）等部分組成?？蓽y量粒徑范圍為10 nm～1000 nm，DMA 最大分辨率為64 通道。

1.3 實驗方法

為排除室內(nèi)本底顆粒物的影響，每次實驗分為兩個階段：合理布置顆粒物測量采樣點后，首先進行本底顆粒物的測量，利用掃描電遷移率粒徑譜儀測量本底顆粒物數(shù)濃度數(shù)據(jù)。之后進行衛(wèi)生香燃燒釋放顆粒物測量，衛(wèi)生香被放置于離地約 0.2 m 高度，點燃 1～3 支衛(wèi)生香，開啟室內(nèi)吊扇5 分鐘將室內(nèi)空氣混合均勻，待顆粒物濃度達到預(yù)定數(shù)值后，熄滅衛(wèi)生香，測量室內(nèi)顆粒物數(shù)濃度，重復(fù)實驗測量6 組數(shù)據(jù)。以每段粒徑的數(shù)濃度減去相應(yīng)段本底數(shù)濃度的值作為衛(wèi)生香煙塵該粒徑段實際的數(shù)濃度。為避免衛(wèi)生香燃燒釋放煙塵顆粒物粒徑譜對于煙塵濃度的依賴性，特意在不同濃度的條件下進行了測試。為盡量恢復(fù)本底環(huán)境，每次實驗完成后室內(nèi)均充分通風(fēng)，隔天后才進行下次試驗。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 粒徑譜表征參數(shù)

統(tǒng)計一組由不同大小氣溶膠粒子組成的粒子群的粒徑特征的常見參數(shù)有算術(shù)平均直徑、幾何平均值、中值粒徑、幾何標準偏差等。

算術(shù)平均直徑即具有不同粒子數(shù)的各種粒子直徑之和除以粒子總數(shù)。

幾何平均直徑為：

幾何平均直徑體現(xiàn)的是一種幾何關(guān)系的平均值，要伴隨相應(yīng)的幾何標準偏差才能確切表示一個統(tǒng)計量的離散度[10]，幾何標準偏差為：

以上各式中，ni是與di相對應(yīng)的粒子數(shù)，N=∑ni，即總的粒子數(shù)。

中值粒徑，或稱中位直徑，表示一組氣溶膠粒子中大于該直徑的粒子數(shù)和小于該直徑的粒子數(shù)各占一半.通常表示為dm。如果氣溶膠粒子呈對數(shù)正態(tài)分布則此粒徑等于幾何平均直徑。

顆粒物的粒度分布特征不同，所用的表征參數(shù)就不同。對于正態(tài)分布的顆粒物，選取算數(shù)平均直徑和對應(yīng)的標準偏差表示，而對于對數(shù)正態(tài)分布的顆粒物，則可以選取幾何平均直徑和對應(yīng)的幾何標準偏差來表示[10]。

一般來說，對于正態(tài)分布的顆粒物，顆粒物對應(yīng)不同粒徑上限（或粒徑下限）的累計百分比與其對應(yīng)的最大粒子直徑線性相關(guān)，即有：

對數(shù)正態(tài)分布的顆粒物，其累計百分比與最大粒子直徑的對數(shù)值線性相關(guān)，即：

其中，y表示不同粒徑上限（或粒徑下限）累計百分比，x表示與累計百分比對應(yīng)的最大粒子直徑。

用數(shù)據(jù)統(tǒng)計處理的線性回歸方法可求得系數(shù)a和b，以及相應(yīng)的相關(guān)系數(shù)γ。根據(jù)由正態(tài)分布的線性回歸方法求得的相關(guān)系數(shù)γ1和對數(shù)正態(tài)分布的線性回歸方法得到的相關(guān)系數(shù)γ2的相對大小，可判定顆粒物的分布特征。γ1＞ γ2時，氣溶膠分布更近于正態(tài)分布，反之，則更近于對數(shù)正態(tài)分布[7]。

2.2 6 組實驗粒徑譜特征

利用 TSI 的SMPS-3938 儀器記錄的原始數(shù)據(jù)以及儀器自帶的數(shù)據(jù)處理軟件，可以得到衛(wèi)生香燃燒釋放顆粒物的分通道顆粒數(shù)濃度、平均粒徑、中值粒徑、幾何平均粒徑及幾何標準偏差等參數(shù)。圖1 是第1 組實驗由儀器自帶數(shù)據(jù)處理軟件得到的環(huán)境本底和衛(wèi)生香燃燒釋放顆粒物后的粒徑譜圖。

圖1 第1 組實驗的粒徑譜

圖1 中，橫坐標即顆粒直徑，單位為 nm；縱坐標是顆粒數(shù)濃度，單位為個/cm3。

但是實際上圖1 的顆粒數(shù)濃度包含了本底濃度，故以每段粒徑的數(shù)濃度減去相應(yīng)段本底數(shù)濃度的值作為衛(wèi)生香煙塵該粒徑段實際的數(shù)濃度。提取原始數(shù)據(jù)按照該方法處理得到的6 組實驗的粒徑譜圖具體見圖2。

圖2 6 組實驗得到的衛(wèi)生香燃燒釋放顆粒物粒徑譜

表2 是6 組實驗得到的粒徑分布統(tǒng)計數(shù)據(jù)對比。

表2 衛(wèi)生香燃燒釋放的顆粒物粒經(jīng)分布統(tǒng)計數(shù)據(jù)

表2 顯示衛(wèi)生香燃燒釋放顆粒物平均眾徑為115.5± 4.1 nm，中值粒徑為93.3± 5.2 nm，幾何平均直徑為 88.9± 7.1 nm，幾何標準偏差為 2.01± 0.05，可見其穩(wěn)定性相對較好。

衛(wèi)生香燃燒釋放顆粒物幾何標準偏差大于 1.5，為多分散分布氣溶膠。文獻記錄在液態(tài)氣溶膠發(fā)生方法中，其中噴霧法一般發(fā)生多分散氣溶膠，所產(chǎn)生氣溶膠的幾何標準偏差約為 1.5～2.0[11]，而EN1822 允許的多分散氣溶膠粒徑幾何偏差允許在2.5 以下。6 組實驗數(shù)據(jù)中，衛(wèi)生香燃燒釋放顆粒物的幾何標準偏差在2.0 左右，且較為穩(wěn)定，可見其分散度完全能夠滿足EN1822 標準多分散氣溶膠粒徑幾何偏差的要求，且能夠達到多分散氣溶膠發(fā)生器的效果。

2.3 粒徑分布擬合檢驗

從6 組重復(fù)試驗的一般統(tǒng)計數(shù)據(jù)的結(jié)果得到衛(wèi)生香的粒徑分布的表征參數(shù)眾徑，中值粒徑，幾何平均粒徑和分散度相似，還希望進一步對粒徑的分布相似性做數(shù)學(xué)檢驗。

采用統(tǒng)計分析工具軟件 SPSS19，先分別假設(shè)粒徑分布為正態(tài)分布作檢驗分析和對數(shù)正態(tài)分布作檢驗分析，以第6 組數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分別計算得到的p 值分別為 0.112 和0.454，均大于0.05，可通過檢驗，但后者大于前者，故取對數(shù)正態(tài)分布。

以第6 組數(shù)據(jù)的粒徑分布數(shù)為基礎(chǔ)，進行 Pearson相關(guān)系數(shù)計算，得到第1 至5 組數(shù)據(jù)與第6 組數(shù)據(jù)的相 關(guān)系 數(shù)系 列為 ：0.9385，0.9511，0.9398，0.9631，0.9726。可以說明各組數(shù)據(jù)的分布有強的相似性。

3 結(jié)論

本文通過對衛(wèi)生香燃燒釋放顆粒物測量數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)：

1）衛(wèi)生香煙塵顆粒物主要分布在5～300 nm 的粒徑范圍內(nèi)，顆粒物粒徑譜特征明顯，呈單模態(tài)、對數(shù)正態(tài)分布，同一種衛(wèi)生香的多次試驗發(fā)現(xiàn)，其眾徑在115 nm 附近、中值粒徑在93 nm 附近，可復(fù)現(xiàn)性良好。

2）衛(wèi)生香煙塵顆粒物呈多分散分布，分布幾何標準偏差為2 左右，完全滿足歐盟標準 EN1822 中對多分散顆粒物粒徑分布幾何偏差的要求。

3）衛(wèi)生香煙塵顆粒物粒徑分布上復(fù)現(xiàn)性優(yōu)良，在總數(shù)濃度超過5 倍變化的重復(fù)試驗中，分布相似度檢驗結(jié)果理想。

綜上，通過燃燒衛(wèi)生香能產(chǎn)生在5～300 nm 粒徑范圍內(nèi)的細顆粒物，其粒徑譜特征明顯，且復(fù)現(xiàn)性好，由于衛(wèi)生香廉價、易得，產(chǎn)生煙塵操作十分簡單，毒性小，將衛(wèi)生香作為此粒徑范圍內(nèi)細顆粒物的較穩(wěn)定的低濃度釋放源是可行的。