陳光明，古嘉怡，陳健麗，郭苡聞，劉美嬌，彭 力,2*

(1.華南師范大學(xué) 物理與電信工程學(xué)院，廣東 廣州 510006；2.華南師大(清遠(yuǎn))科技創(chuàng)新研究院有限公司，廣東 清遠(yuǎn) 511517)

捕集大氣環(huán)境中的細(xì)顆粒物并對其進(jìn)行成分、來源分析已成為目前大氣顆粒物污染防治工作研究的熱點(diǎn)。然而傳統(tǒng)的大氣顆粒物樣品獲取方法為濾膜法，先通過氣泵使顆粒物吸附在濾膜上，然后把剪碎的濾膜在水溶液進(jìn)行超聲震蕩，從濾膜上分離出顆粒物，最后過濾掉濾膜碎片，得到樣品溶液[1,2]。濾膜法采樣具有制樣過程復(fù)雜、樣品獲取量少且耗時長、容易引入其它雜質(zhì)污染樣品等缺點(diǎn)。

本文基于霧滴捕獲細(xì)顆粒物的基本理論，搭建了一套大氣顆粒物濕法采樣裝置，本裝置具有實(shí)時制樣、樣品獲取量大、采樣過程無污染等優(yōu)點(diǎn)。

1 濕法捕集裝置原理

1.1 濕法捕集大氣顆粒物理論分析

細(xì)霧滴能夠捕獲微小顆粒物，其捕獲機(jī)理主要包括慣性碰撞、截留、布朗擴(kuò)散、重力沉降，原理圖如圖1所示[3-6]。

當(dāng)帶有細(xì)顆粒物的氣流在流動的過程中遇到霧滴時，氣流就會改變流動軌跡，繞過物體流動。而慣性碰撞是指粒徑在1 μm左右的細(xì)顆粒物在慣性作用下，仍保持了原來的運(yùn)動方向運(yùn)動，因而與霧滴發(fā)生碰撞；截留作用是指當(dāng)氣流流線離霧滴表面的距離非常小的時候，流線上的細(xì)顆粒物與霧滴接觸，并被霧滴所捕獲；布朗擴(kuò)散則是指直徑小于1 μm的細(xì)顆粒物，在氣體流動的過程中，受到氣體分子的撞擊而跟隨氣體流線在氣流中作無規(guī)則的布朗運(yùn)動，在霧滴附近，粒徑較小的細(xì)顆粒物可能與霧滴相碰撞而被霧滴所捕獲。

圖1 濕法捕集大氣顆粒物原理圖

1.2 濕法捕集裝置結(jié)構(gòu)原理

根據(jù)霧滴滴對大氣顆粒物的捕獲原理，設(shè)置濕法捕集裝置進(jìn)行對大氣顆粒物的捕集，其工作的流程圖和結(jié)構(gòu)示意圖分別如圖2和圖3所示。

圖2 濕法捕集裝置工作流程圖圖3 濕法捕集裝置結(jié)構(gòu)示意圖

首先在霧化腔中使用超聲霧化片產(chǎn)生一定粒徑的霧滴，然后在混合腔內(nèi)使霧滴與細(xì)顆粒物混合并捕獲顆粒，最后在水幕腔中通過水洗法對捕獲顆粒物的霧滴進(jìn)行收集，從而得到大氣顆粒物的樣品溶液。

2 實(shí)驗裝置

本實(shí)驗所用到的實(shí)驗裝置主要包括三個重要的組成部分：產(chǎn)生霧滴的霧化腔、將霧滴與細(xì)顆?；旌喜⒉东@顆粒的混合腔、用于收集樣品的水幕腔，將這三部分連接成為細(xì)顆粒物濕法捕集裝置，如圖4所示。此裝置的正常運(yùn)行，還需要其他附屬配件部分，包括氣泵、膠管、轉(zhuǎn)子流量計等。

圖4 實(shí)驗裝置實(shí)物圖

混合腔裝置進(jìn)氣口部分主要包括兩個，一路是含有細(xì)顆粒物的空氣樣品，另外一路是霧滴，而且兩者進(jìn)氣口的夾角為90°，增加霧滴與環(huán)境空氣中的細(xì)顆粒物的接觸，并且加大了其混合的幾率，有效地提高捕獲效率。

如圖5所示，此裝置的一大特點(diǎn)是在水幕腔部分采用兩個蠕動泵產(chǎn)生可循環(huán)的自上而下的水幕?；旌锨恢?，混合后的液滴在慣性的作用下保持原來的運(yùn)動方向而撞擊到撞擊壁上，而撞擊壁上面有循環(huán)流動的洗脫液，會形成一層類似于“水幕”的薄層，捕獲液滴。洗脫液將攜帶含有細(xì)顆粒物的液滴而收集起來，形成樣品溶液。

圖5 混合腔和水幕腔結(jié)構(gòu)圖

3 實(shí)驗結(jié)果與分析

3.1 實(shí)驗條件

2021年8月19日，在廣州市番禺區(qū)利用濕法捕集裝置對大氣顆粒物進(jìn)行采樣實(shí)驗。先對裝置進(jìn)行清洗，確保實(shí)驗開始時裝置內(nèi)部沒有其他顆粒物存在。然后調(diào)試裝置的氣密性，接通裝置的電源，啟動裝置進(jìn)行8 h的采樣。此外，由于天氣狀況會對采樣實(shí)驗的結(jié)果帶來一定的影響，因此在實(shí)驗過程中，需要定時記錄當(dāng)時的天氣狀況，包括天氣、風(fēng)力、風(fēng)向、AQI、PM2.5和PM10的濃度等參數(shù)。

大氣顆粒物主要是由大氣中的PM2.5和PM10構(gòu)成，在采樣時間段的濃度變化如表1所示，從表中可以看出，在采樣時間段內(nèi)，大氣中的顆粒物濃度基本保持穩(wěn)定。采樣當(dāng)天相對濕度71%，南風(fēng)一級，采樣時樣氣的流速為9 L/min。

表1 采樣時間段內(nèi)不同時刻大氣顆粒物的濃度

3.2 濕法采樣結(jié)果

在濕法采樣裝置運(yùn)行8h后，獲得約120mL(采樣前后，樣品溶液的體積基本不變)樣品溶液。樣品在光學(xué)顯微鏡下的照片如圖6所示。

圖6 樣品的顯微圖像(40X)

在顯微鏡下可觀察到許多形狀不規(guī)則、分布較為密集的細(xì)顆粒物，可知濕法捕集裝置捕獲顆粒效果良好。

另外，為了研究樣品中大氣顆粒物的濃度隨隨采樣時間的變化，我們用樣品溶液散射光的光子數(shù)大小來表征其濃度的大小。使用激光對樣品溶液進(jìn)行照射，在90度方向放置光電倍增管接受樣品中顆粒的的散射光信號。根據(jù)Mie散射理論，在溶液中顆粒粒徑分布一定的情況下，散射光越強(qiáng)，則樣品中大氣顆粒物的濃度就越大。因此，采樣過程中每隔一段時間對樣品散射光的光強(qiáng)進(jìn)行測量，光子數(shù)的變化就可以反應(yīng)采到的大氣顆粒物的數(shù)量的變化。

在樣品收集瓶中放入120mL超純水，初始以及開始實(shí)驗后每小時使用動態(tài)光散射裝置測量樣品的光子數(shù)。測量結(jié)果如圖7和表2，初始光子數(shù)為689，經(jīng)過1h的濕法捕集后，光子數(shù)為3 099，隨后每捕集1h，樣品池中光子數(shù)都有500～700的增加。

圖7 樣品溶液散射光光子數(shù)隨采樣時間的變化

從圖7中可以看出，濕法采集1h后光子數(shù)發(fā)生了較大變化。這是由于超純水的光子數(shù)較低，但隨著濕法捕集時間的增加，光子數(shù)也隨之逐步增加，說明樣品池中的細(xì)顆粒物濃度隨著捕集時間的增加而越來越大；在捕集的后半階段，結(jié)合表1可知采樣時間段內(nèi)大氣中顆粒物的含量基本保持穩(wěn)定，而每個時刻測得的樣品散射光光子數(shù)的增加數(shù)也基本穩(wěn)定，說明捕獲效率基本不變，本濕法捕集裝置可以在長時間運(yùn)行下保持穩(wěn)定采樣。

表2 不同時刻樣品溶液的散射光光子數(shù)

綜上所述，可以得出以下結(jié)論：當(dāng)前霧滴粒徑具有捕獲細(xì)顆粒物的能力；隨著時間的增加，光子數(shù)逐步增加，濕法捕集裝置能在長時間運(yùn)行下保持良好的捕獲效率；在天氣條件適宜情況下，濕法捕集裝置能夠獲得較好的大氣顆粒物樣品，濕法捕集裝置可行。

4 結(jié) 語

本文主要研究了環(huán)境空氣中大氣顆粒物的濕法捕集技術(shù)，并自行設(shè)計了濕法采樣裝置通過現(xiàn)場采樣實(shí)驗來驗證理論的可行性。樣品溶液散射光光子數(shù)隨采樣時間的變化趨勢和溶液中顆粒物的顯微圖像都符合實(shí)驗預(yù)期，由此可以認(rèn)為本濕法采樣裝置能對大氣顆粒物進(jìn)行有效的捕獲。本裝置運(yùn)用蠕動泵，并結(jié)合相關(guān)結(jié)構(gòu)的設(shè)計產(chǎn)生水幕，能有效地提高傳統(tǒng)濕法采樣裝置捕獲顆粒的效率。但在霧化片的控制電路設(shè)計、霧化腔的結(jié)構(gòu)設(shè)計、氣路的密封等方面尚需進(jìn)一步優(yōu)化。除此之外，如何通過改進(jìn)濕法采樣裝置的結(jié)構(gòu)，優(yōu)化氣流流速、水幕流速等系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)提高濕法采樣的捕集效率，是未來研究工作的重點(diǎn)方向。