朱 麗， 范 晶， 張桂芹， 魏小峰， 孫友敏

(山東建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，山東 濟南 250101)

0 引 言

城市區(qū)域環(huán)境空氣中的顆粒物來源復(fù)雜，屬于復(fù)合源，其源強、排放程度和排放位置均具有不確定性[1]。在城市中包括露天堆場、裸露地表、硬化地面、建筑工地和農(nóng)田荒山等的不經(jīng)過排氣筒無組織、無規(guī)則排放的顆粒物排放源統(tǒng)稱為城市空氣顆粒物開放源，其中硬化地面通常指硬化道路、單位庭院內(nèi)硬地面、房屋屋頂?shù)龋浅鞘欣镒钇毡榈拈_放源類型，也是城市揚塵重要的塵源[2-3]。另外，各種電站鍋爐除塵器的排灰及貯存過程會再次形成二次揚塵，是不可忽略的城市揚塵源之一[2]。根據(jù)李經(jīng)緯[3]的研究大慶市開放源對PM10和PM2.5的分擔率可達到24.0%和19.6%。粒徑是顆粒物的重要特性之一，顆粒物的大小及分布會直接影響顆粒物在大氣中流動性，并且越小的顆粒物表面所能攜帶的有毒有害物質(zhì)越多，也越容易進入人體呼吸道，影響人體健康[4]，根據(jù)黃歡[5]等的研究，大氣中二次形成的無機和有機組分主要集中在小顆粒上。因此研究分析顆粒物的危害首先需要了解其粒徑分布特征。

激光粒度儀的主要原理是利用激光照射到微粉顆粒上產(chǎn)生光的衍射效應(yīng)，顆粒物粒徑的不同會導(dǎo)致激光衍射角度的變化，表現(xiàn)為衍射光環(huán)大小的變化，進而投影到探測器上。光環(huán)的大小用于分析粒度的粗細，光環(huán)的強弱用以判斷某一粒度數(shù)量的多少，按照預(yù)定的數(shù)學(xué)關(guān)系擬合近似分析，從而得到粒徑分布的結(jié)果[6]。激光粒度儀具有測量范圍寬、重復(fù)性好、速度快、中值粒徑分析結(jié)果比較準確，穩(wěn)定、操作容易等顯著優(yōu)點[7]，所以在眾多行業(yè)被得以應(yīng)用。但隨著激光粒度分析儀的廣泛[8]，用于粒度分析使用過程中存在的問題也被逐漸發(fā)現(xiàn)。例如研究過程中所呈現(xiàn)的儀器對幾何或者光學(xué)性質(zhì)的敏感性問題[9]，無法對顆粒物準確分析，粒度組成的變化無法有效且準確地反映，儀器可校準和可溯源性差等，這些問題嚴重影響了測試結(jié)果的準確和可靠性。而粒度測量的準確性是保證開放源顆粒物以及城市揚塵研究的重要基礎(chǔ)條件，但測量結(jié)果的準確度與儀器類型及測定條件密切相關(guān)，目前為止，雖說激光粒度分布儀還有所缺陷，但由于缺乏替代方法，通過多次的實驗依舊能得出某類顆粒物最適宜的測量條件，進而得以得出準確而客觀的測量結(jié)果[10]。但大多數(shù)的測量條件的選擇都是基于折線率等的變化，而對于遮光率對于粒度分布測量結(jié)果影響的大小，研究報道較少。本文提出激光粒度儀濕法測試城市揚塵的關(guān)鍵參數(shù)最佳范圍，采集4種代表性開放源顆粒物樣品（除塵灰、樓頂積塵、拆遷塵和道路塵），研究進樣量大小與遮光率的相關(guān)性，以及遮光率對測試結(jié)果的影響，從而獲得不同城市開放源顆粒物粒徑濕法實驗的優(yōu)化測量條件。

1 材料與方法

1.1 樣品的采集與儀器設(shè)備

將電廠除塵灰、樓頂積塵、建筑拆遷塵和建大道路塵作為實驗對象，除塵灰采自于濟南市某電廠吸塵器中的塵袋中，屬于細小顆粒物塵埃；樓頂積塵為使用毛刷或簸箕采自于建工學(xué)院某一教學(xué)樓樓頂?shù)臉琼攭m，屬于高空顆粒物塵埃；建筑拆遷塵為使用毛刷或簸箕采自于濟南市某建筑工地拆遷場地的建筑塵，屬于存在大顆粒物并且易造成揚塵污染的顆粒物塵埃；建大道路塵使用毛刷或簸箕采自建工學(xué)院道路旁的道路塵埃，屬于機動車等人流流動帶來的顆粒物揚塵。本次實驗中選擇四種不同高度或不同地區(qū)的開放源放在一起進行研究其粒徑分布和粒徑分布對激光粒度儀的影響。

本文使用的粒度測試儀器型號為bettersize 2600激光粒度分布儀，顆粒物粒度測量方法分為濕法和干法，濕法分散進行粒度測定是迄今為止用于獲得可重現(xiàn)的激光衍射結(jié)果最廣泛的方法，濕法中采用濕分散劑，能確保測定無偏差，能容易地克服顆粒沉降的影響，相較于干法對顆粒物的破壞性更小，并且能通過某些方法對實驗進行優(yōu)化[10]，并且濕法的重復(fù)性相較于干法較好[11]，這樣的特性使得我們能采取改變參數(shù)的方式對實驗進行優(yōu)化，故粒度測試采用濕法，測試粒徑范圍 0.02 ～2 600 μm。稱重設(shè)備為萬分之一電子分析天平。

不同材料的樣品需要使用不同的分散介質(zhì)，在實驗中采用純凈水作為分散介質(zhì)。

1.2 方法

1.2.1 實驗樣品的處理和制備

將 4 種樣品分別稱取 0.1 g、0.2 g、0.3 g、0.4 g、0.6 g、0.8 g 和 1.0 g，通過預(yù)實驗，進樣量低于 0.1 g的遮光率小于3%，反映樣品中介質(zhì)顆粒的濃度太低，可能導(dǎo)致測試結(jié)果無效，故樣品克數(shù)從0.1 g開始，樣品克數(shù)的增加按照0.2 g的基數(shù)增加，增設(shè)0.3 g，觀察激光粒度儀在遮光率較小時的測量情況，建筑拆遷塵由于粗粒徑占比較大導(dǎo)致取1.0 g時無法達到預(yù)計遮光率，故對其增加對1.2 g的測量，測試時按由低到高的順序投加。

1.2.2 樣品的測試與分析

試驗中采取濕法的自動測試模式，系統(tǒng)將自動完成進水、消泡、對中、背景測試、濃度調(diào)整、分散、測試、結(jié)果顯示、排水、清洗（反復(fù)）、進水等步驟，當系統(tǒng)提示“請加入樣品”即可加入所準確稱量好的樣品。系統(tǒng)自動測試三次顆粒物的粒度分布。

2 數(shù)據(jù)處理與結(jié)果討論

2.1 數(shù)據(jù)處理

在國標規(guī)定（GBT 19077—2016 或 ISO 13320—2009）中，在1次合適樣品濃度的進樣下，測試3次以上的粒度分布，并計算D10、D50、D90特征粒徑的平均值和變異系數(shù)（簡稱CV，又稱作相對標準偏差），用來表征重復(fù)性的度量[12]，相對標準偏差越小，說明重復(fù)性越好。測試結(jié)果的重復(fù)性反映了樣品測量結(jié)果的準確性。重復(fù)性越好，說明樣品測量結(jié)果的準確性越高，

2.2 不同投加量對于測量結(jié)果的影響

樣品進樣量的大小直接決定了測試時的遮光率指標，該指標對測試結(jié)果具有重要影響。一般激光粒度儀的遮光率范圍為5%～40% 之間，該范圍比較寬泛，實際應(yīng)用時應(yīng)根據(jù)不同類型顆粒物樣品，匹配最佳的遮光率范圍。激光粒度儀濕法測試，不能手動改變遮光率，而是通過調(diào)整不同的進樣量以達到合適的遮光率，進而得到滿意且客觀的測試結(jié)果。固定其他的測定條件不變，通過改變樣品加入量來改變樣品遮光率，以分析其對粒度測試結(jié)果的影響。

設(shè)置樣品投加量系列為 0.1 g、0.2 g、0.3 g、0.4 g、0.6 g、0.8 g、1.0 g 和 1.2 g，獲得不同遮光率下的樣品粒度分布，各樣品的粒度頻率分布結(jié)果見圖1。

不同遮光率下曲線變化趨勢的一致性水平反映了樣品的均勻性程度，一致性越好，樣品越均勻，由圖1可知電廠除塵灰和樓頂積塵樣品粒徑較建筑拆遷塵和建大道路塵樣品的均勻性好，電廠除塵灰和樓頂積塵的樣品粒徑的范圍分別為0.02～300 μm和 0.02～1 100 μm，而建筑拆遷塵和建大道路塵的樣品的粒徑范圍均是 0.02～2 600 μm。從投加量變化反映出來的遮光率看，投加量相同條件下樣品細顆粒物占比越大，遮光率越高，如樣品投加量均為0.1 g，電廠除塵灰粒度測量的遮光率為12%，而建大道路塵和樓頂積塵則分別為3%和7%，可見，粒徑越小，獲得的遮光率越大，細顆粒為主的樣品進樣量要設(shè)計小些，粗顆粒且不均勻的樣品進樣量要大些。

圖1 不同遮光率下各樣品的粒徑頻率分布圖

圖2為不同遮光率（進樣量）下的各樣品的D10、D50和D90變化情況。顆粒越細、粒徑范圍越窄，遮光率對D10、D50和D90的影響愈不明顯，如圖2中4種樣品不同遮光率對D10、D50的影響并不明顯，但對D90的影響卻較為顯著，如建大道路塵和建筑拆遷塵的D90變化較大。

圖2 遮光率對各樣品D10、D50、D90的影響

圖3 反映了投加量為 0.1 g、0.3 g、0.6 g 和 1.0 g時4種樣品的頻率分布，除塵灰和樓頂積塵的曲線變化基本一致，但拆遷塵和建大道路塵樣品不同進樣量的曲線變化差異性較大，特別是300 μm以上的情況，結(jié)合圖1，樣品均勻程度由大到小分別為建大道路塵、建筑拆遷塵、樓頂積塵和電廠除塵灰，圖3反映了樣品不均勻，會導(dǎo)致每一次投加的顆粒物從粒徑大小到范圍都存在較大差異。開放源主要是城市揚塵的重要來源，根據(jù)HJ/T 393—2007《防治城市揚塵污染技術(shù)規(guī)范》，道路表面積塵負荷指標關(guān)注的是粒徑75 μm以下的顆粒物，研究過程中樣品采集的數(shù)量有限，所以進樣量應(yīng)在0.1～0.6 g之間且滿足遮光率在10%～20%即可。遮光率過大，意味著樣品投加量過多，此時被前方顆粒所散射回來的光又會被后方顆粒物再次被散射，散射的角度進一步增大，多次散射現(xiàn)象的存在可能會造成顆粒物粒徑測量結(jié)果偏小。這一結(jié)果與胡華[13]等人采用激光粒度儀的進行粒徑測量上限的結(jié)論相一致。

圖3 不同投加量下各樣品的粒徑頻率分布圖

根據(jù)以上4種樣品的粒度分布曲線可知除塵灰粒徑的均勻性最好，而拆遷塵最差，樣品粒度的均勻性對測定的影響可體現(xiàn)在相同投加量的測定結(jié)果重復(fù)性水平上，見圖4?？芍瑯悠肪鶆蛐院孟鄳?yīng)的粒度測定結(jié)果的重復(fù)性也較好，如除塵灰D90的重復(fù)性范圍為0.05%～1.72%，而拆遷塵D90的重復(fù)性范圍為8.14%～49.64%，拆遷塵D90的重復(fù)性誤差遠遠高于除塵灰。從遮光率對重復(fù)性的影響看，除塵灰遮光率在12%～71%重復(fù)性誤差均低于5%，建大樓頂揚塵遮光率在7%～48%時測定結(jié)果重復(fù)性基本低于6%（除折光率為42%時的D90以外），而拆遷塵和道路塵由于顆粒極不均勻，遮光率對重復(fù)性影響沒有明顯規(guī)律，相對而言在10%～30%時重復(fù)性較好。

圖4 不同投加量下各樣品粒度測量的重復(fù)性對比

2.3 提高顆粒物均勻性對實驗結(jié)果重復(fù)性的影響

為考察粒度的均勻性對實驗結(jié)果重復(fù)性的影響，將均勻性最差的拆遷塵首先過60目的標準篩，將樣品和篩下物分別進行粒度測試，進樣量取0.2 g、0.4 g、0.6 g，結(jié)果見表 1 和表 2。

表1 過60目標準篩前的粒徑測試結(jié)果及重復(fù)性 μm

表2 過60目標準篩后的粒徑測試結(jié)果及重復(fù)性 μm

從表1、2看，過篩前后的顆粒物的測試結(jié)果對比，相同投加量下，篩除后的遮光率要比篩除前的大，并且重復(fù)性在篩除大顆粒后，結(jié)果明顯變好，以上結(jié)果反映了揚塵樣品激光粒度儀濕法測試時應(yīng)設(shè)置最佳測定范圍的上限，該值與機器本身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)等有關(guān)系，當數(shù)據(jù)反演時的代表徑粒上邊界大于或接近于測量上限時，會在部分區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)虛假的粒徑分布[14]。因此在使用激光粒度儀對顆粒物粒徑進行測量時，應(yīng)注意篩除大顆粒物，以保證較為合理的結(jié)果。同時，顆粒粒徑若大于 1 000 μm，其流動性較差，基本沉降在產(chǎn)生源附近，對空氣質(zhì)量的影響要小于細粒子。一般激光粒度儀的測量范圍在 0.1～340 μm，測試快速、結(jié)果重復(fù)性好[15]，考慮到篩分的便利與可行，并從揚塵的產(chǎn)生機理與危害角度，結(jié)合已有測量范圍和篩子的目數(shù)，選取160目的篩子（相當于幾何粒徑300 μm）進行篩選。故本研究去除了300 μm以上的大顆粒后再進行測試，實驗結(jié)果較為理想，也可以反映客觀的粒徑分布特征。不同種類樣品的測定上限應(yīng)根據(jù)實驗研究結(jié)果給出。

3 結(jié)束語

通過4種開放源顆粒物樣品的粒度測試，可以得到如下結(jié)論：

1）bettersize2600激光粒度分布儀對于粒徑較大，均勻性差的顆粒物粒度測定，不同遮光率下粒徑分布曲線趨勢一致性差，且重復(fù)性差，難以獲得客觀的粒度分布特征，測定對象需考慮預(yù)處理如篩除較大顆粒物或結(jié)合其他方法進行分析。

2）投加量相同條件下樣品細顆粒物占比越大，遮光率越高，進樣量可減小。

3）對于開放源粉塵而言，遮光率對于細顆粒物粒徑的粒徑測量結(jié)果相較于對粗顆粒粒徑的測量結(jié)果影響小，并且細顆粒物占比越大，測量結(jié)果的重復(fù)性越好，可選擇的遮光率范圍較廣；對于粗顆粒物占比較大且均勻性較差的開放源粉塵，遮光率對重復(fù)性影響沒有明顯規(guī)律，相對而言在10%～30%時重復(fù)性較好。

4）適宜的遮光率應(yīng)根據(jù)顆粒物粒徑大小和均勻性確定，需結(jié)合不同遮光率的平均粒徑分布情況和重現(xiàn)性一起判斷，細顆粒物占比較大的開放源測量時遮光率最好控制20%～30%；對于開放源粉塵粗顆粒占比較大且不均勻的情況，遮光率范圍應(yīng)收縮，最好控制在10%～20%。