田 瑩, 張國城, 劉佳琪, 沈上圯, 吳 丹, 潘一廷, 荊文杰

(北京市計(jì)量檢測科學(xué)研究院國家生態(tài)環(huán)境監(jiān)測治理產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，北京100029)

1 引 言

近年來,空氣顆粒物造成的環(huán)境污染已成為急需解決的問題之一。多種有毒、有害物質(zhì)吸附在顆粒物表面,通過支氣管和肺泡溶解在血液中,導(dǎo)致呼吸道和心血管疾病,嚴(yán)重危害人體健康[1～3]。為了確保有害氣溶膠的濃度維持在造成健康不良效應(yīng)的閾值以下,大氣顆粒物濃度的準(zhǔn)確監(jiān)測非常重要[4,5]。切割器作為顆粒物濃度監(jiān)測儀器的核心部件,對于粒徑分級至關(guān)重要,根據(jù)切割粒徑不同,可分為細(xì)顆粒物(PM2.5)切割器,亞微細(xì)顆粒物(PM1)切割器等。根據(jù)結(jié)構(gòu)不同,分為撞擊式,虛擬撞擊式和旋風(fēng)式切割器。切割器的性能直接決定了監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性,因此,HJ 93—2013標(biāo)準(zhǔn)對PM2.5等切割器的性能評價方法和指標(biāo)要求進(jìn)行了明確規(guī)定[6]。

此前,已有研究人員開展了切割器的評價工作,Barth根據(jù)顆粒物受到的離心力和阻力的相對大小來預(yù)測旋風(fēng)切割器的采集效率[7]。Iozia和Leith團(tuán)隊(duì)基于旋風(fēng)切割器入口面積、高度和流速等提出預(yù)測采集效率的方程[8,9]。阮兵等采用多分散和單分散標(biāo)定裝置對PM1.0/PM2.5旋風(fēng)切割器的性能進(jìn)行測試[10,11]。本課題組前期利用空氣動力學(xué)粒徑譜儀法獲得了PM1.0/2.5/10.0切割器的物理采集效率[12～14],并通過研究顆粒種類對測量結(jié)果的影響[15],揭示了流量變化會引起切割曲線平移,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)PM2.5/PM1.0切割器的切換[13]。

本研究基于靜態(tài)箱法搭建的切割器評價系統(tǒng),通過改變標(biāo)準(zhǔn)流量旋風(fēng)式切割器、可調(diào)流量旋風(fēng)式切割器(市場上存在的一種可通過調(diào)整采樣流量,實(shí)現(xiàn)PM2.5或PM10切換的切割器)和撞擊式切割器的采樣流量實(shí)現(xiàn)PM1.0/PM2.5/PM4.0切割模式的切換,并研究了儀器結(jié)構(gòu)對切換的影響,探索了采樣流量與D50關(guān)系的適用性。

2 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)采用的旋風(fēng)切割器為BGI公司生產(chǎn)的VSCC-PM2.5、VSCC-PM1.0切割器、VSCC1.829切割器和VSCC2.654切割器。撞擊式切割器為國產(chǎn)品牌的PM2.5切割器。其中VSCC-PM2.5,VSCC-PM1.0和PM2.5撞擊式切割器的標(biāo)準(zhǔn)工作流量為16.7 L/min,這幾種切割器的實(shí)物如圖1所示。

圖1 不同原理的切割器實(shí)物圖Fig.1 Pictures of cutters with different principles

實(shí)驗(yàn)基于靜態(tài)箱法的原理搭建了切割器的評價系統(tǒng),包括氣溶膠發(fā)生系統(tǒng),生物氣溶膠混勻艙,切割和參比管路,空氣動力學(xué)粒徑譜儀等。通過霧化亞利桑那塵(A1塵)懸浮液,在艙內(nèi)形成連續(xù)粒徑分布的氣溶膠(圖2)。為了保證混勻艙內(nèi)維持合適的氣溶膠濃度,光散射粉塵儀實(shí)時監(jiān)測艙內(nèi)氣溶膠濃度,并反饋給控制系統(tǒng),從而完成閉環(huán)調(diào)節(jié)。利用顆粒物傳感器對艙內(nèi)不同位置的氣溶膠濃度均勻性和穩(wěn)定性進(jìn)行測試,結(jié)果均優(yōu)于規(guī)范中的指標(biāo)要求,以上結(jié)果表明系統(tǒng)內(nèi)部的氣溶膠濃度穩(wěn)定且分布均勻,為后續(xù)實(shí)驗(yàn)奠定基礎(chǔ)[16～18]。艙內(nèi)安裝待測切割器和參比管路,連接空氣動力學(xué)粒徑譜儀,分別記錄切割器切割前后的氣溶膠濃度,即切割器上游顆粒物數(shù)濃度C1和切割器出口的下游顆粒物數(shù)濃度C2,其采集效率E的計(jì)算式為:

(1)

將不同粒徑下的濃度比通過擬合繪制出切割器的采集效率曲線。因空氣動力學(xué)粒徑譜儀的進(jìn)氣流量為5 L/min,所以可根據(jù)待測切割器的工作流量進(jìn)行調(diào)整,移除或者補(bǔ)充氣體,保證空氣動力學(xué)粒徑譜儀的正常工作。

圖2 切割器的評價系統(tǒng)Fig.2 Evaluation system of cutter

通過切割器的采集效率曲線可以得到切割器的重要性能指標(biāo),例如,D16,D50,D84指的是在切割器采集效率為16%,50%,84%時對應(yīng)的空氣動力學(xué)粒徑,銳度值用于描述采集效率曲線的陡峭性。幾何標(biāo)準(zhǔn)差δg及銳度值(S)的計(jì)算式如下:

(2)

(3)

3 結(jié)果和討論

3.1 標(biāo)準(zhǔn)流量旋風(fēng)式切割器D50與流量的關(guān)系

大氣顆粒物監(jiān)測中,大部分使用采樣流量為16.7 L/min的切割器,又稱為標(biāo)準(zhǔn)流量切割器,例如BGI生產(chǎn)的VSCC-PM2.5和VSCC-PM1.0切割器。利用搭建的評價系統(tǒng)對切割器性能測試,結(jié)果如表1所示,在標(biāo)準(zhǔn)的工作流量16.67 L/min的條件下,PM2.5切割器的D50是2.57 μm,符合HJ 93—2013標(biāo)準(zhǔn)中對PM2.5切割器的要求,D50合格范圍(2.5±0.2) μm,幾何標(biāo)準(zhǔn)偏差合格范圍1.2±0.1。PM1.0切割器的D50為1.0 μm,在1.2±0.1的范圍內(nèi),幾何標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為1.29和1.28。銳度值可用于表征采集效率曲線的陡峭性,切割器出口直徑越小,流量越大,銳度值越小,采樣效率曲線越陡峭,從而避免在高負(fù)荷采樣條件下,切割器切割粒徑的偏移[19]。

表1 VSCC-PM1.0和VSCC-PM2.5旋風(fēng)式切割器的性能指標(biāo)Tab.1 Performance indexes of VSCC-PM1 and VSCC-PM2.5 cutters

為研究采樣流量對旋風(fēng)式切割器性能的影響,調(diào)整切割器的采樣流量,由圖3(a)和(b)可知,采集效率曲線隨著流量增加不斷左移,切割粒徑D50隨著采樣流量的增加不斷降低。因此可以通過改變采樣流量Q得到相應(yīng)的切割粒徑。通過擬合曲線得到D50與采集流量的曲線關(guān)系(圖3(c)和圖3(d)):D50=34.73×Q-0.928,R2=0.997(PM2.5切割器);D50=14.81×Q-0.939,R2=0.976(PM1.0切割器)。

當(dāng)PM1.0切割器的采樣流量從16.67 L/min調(diào)節(jié)到6.67 L/min和4.00 L/min時,D50由1.00 μm變化到2.70 μm和4.14 μm,即由PM1.0切割器切換為PM2.5和PM4.0采樣;當(dāng)PM2.5切割器的流量從16.67 L/min變化到10 L/min和40.67 L/min時,D50由2.57 μm變化到4.09 μm和1.05 μm,即由PM2.5切割器切換到PM4.0和PM1.0切割器。因此,對于標(biāo)況流量為16.7 L/min的PM1.0切割器,流量變化到40%和25%左右時,可以切換到PM2.5和PM4.0切割器。同樣對于旋風(fēng)式PM2.5切割器,PM1.0、PM2.5和PM4.0切割模式的變換,其對應(yīng)的流量比也是特定的,且比例與PM1.0切割器基本一致。

旋風(fēng)式切割器通過利用圓柱結(jié)構(gòu)中氣流產(chǎn)生的離心力將顆粒物按粒徑大小分離。在旋風(fēng)式切割器氣流中運(yùn)動的氣溶膠粒子會由于離心力作用而脫離運(yùn)動軌跡。顆粒物粒徑越大受到的離心力越大,從而在內(nèi)壁形成更多沉積,提高切割器的采集效率。切割器切割粒徑隨采樣流量改變的原因主要是采樣流速的增加導(dǎo)致內(nèi)部空氣速度和離心效應(yīng)的增加,從而減小切割粒徑[20]。

圖3 采樣流量對VSCC-PM2.5和VSCC-PM1切割器的影響Fig.3 Influence of sampling flow rate on VSCC-PM2.5 and VSCC-PM1 cutters

3.2 可調(diào)流量旋風(fēng)式切割器D50與采樣流量的關(guān)系

對于可調(diào)流量BGI旋風(fēng)式切割器,其設(shè)計(jì)目的就是實(shí)現(xiàn)不同流量下不同切割模式的切換,為不同場合的使用提供便利。通過選取VSCC2.654和VSCC1.829這2個型號進(jìn)行驗(yàn)證,研究流量對切割粒徑D50的影響,結(jié)果如圖4和表2所示。通過擬合曲線得到D50與采集流量的曲線關(guān)系:D50=26.88×Q-1.083,R2=0.999(VSCC2.654切割器);D50=18.95×Q-1.422,R2=0.960(VSCC1.829切割器)。同樣可以通過改變采樣流量來得到相應(yīng)的切割粒徑,拓寬切割器的使用范圍。模型曲線和實(shí)驗(yàn)擬合曲線結(jié)果顯示,VSCC2.654和VSCC1.829在采樣流量較大時呈現(xiàn)出較好的重合度,但采樣流量較小時,偏差逐漸增大。

3.3 切割器D50快速評估方法

多種旋風(fēng)式切割器中,采樣流量Q與切割器D50的函數(shù)關(guān)系擬合度高,但不同切割器擬合出的參數(shù)有所差異,且復(fù)雜難以記憶。結(jié)合表1和表2的數(shù)據(jù),可以發(fā)現(xiàn)不同流量下,D50和對應(yīng)流量Q的乘積近似相等,即兩者呈現(xiàn)反比關(guān)系,見式(4)。以VSCC-PM1.0切割器為例,D50由1.00 μm增加到2.50 μm和4.00 μm時,可以計(jì)算出對應(yīng)的理論采樣流量下降到原來的40%和25%,與實(shí)測結(jié)果一致。

D50×Q=常數(shù)

(4)

表2 VSCC2.654和VSCC1.829旋風(fēng)式切割器在不同采樣流量下的性能指標(biāo)Tab.2 Performance indexes of VSCC2.654 and VSCC1.829 cutter under different sampling flow rates

根據(jù)式(4)可以快速估算出其他切割粒徑D50對應(yīng)的采樣流量,即通過流量調(diào)節(jié)可快速實(shí)現(xiàn)某一切割器在PM1.0、PM2.5或PM4.0等多種切割模式之間的切換。

3.4 撞擊式切割器D50與采樣流量的關(guān)系

同時,撞擊式切割器在長時間采樣過程中,由于氣溶膠顆粒在涂油的撞擊板表面累積導(dǎo)致切割粒徑發(fā)生變化。而且當(dāng)溫度低于25 ℃時,油層會發(fā)生結(jié)晶,影響切割器的性能,需要較為頻繁地進(jìn)行清潔[22,23]。因此,旋風(fēng)式切割器在長時間采樣時,更具有優(yōu)勢。

圖5 流量對PM2.5撞擊式切割器的影響Fig.5 Influence of flow rate on impaction-type PM2.5 cutter

表3 PM2.5撞擊式切割器在不同采樣流量下的性能指標(biāo)Tab.3 Performance indexes of impaction-type PM2.5 cutter under different sampling flow rates

4 結(jié) 論

本文利用靜態(tài)箱法,研究了多種旋風(fēng)式切割器和撞擊式切割器采樣流量與切割粒徑D50的關(guān)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn)對于旋風(fēng)式切割器,無論P(yáng)M1或PM2.5,還是標(biāo)準(zhǔn)流量或可調(diào)流量,采樣流量Q和切割粒徑D50的乘積均近似相等,即兩者近似呈反比關(guān)系。通過某一額度流量下對應(yīng)的切割器類型,可快速估算出它轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌愋颓懈钇魉鶎?yīng)的采樣流量,通過流量調(diào)節(jié)可快速實(shí)現(xiàn)某一切割器在PM1.0、PM2.5或PM4.0等多種切割模式之間的切換,或根據(jù)實(shí)際采樣流量的偏差快速評估切割粒徑D50的偏差,這在實(shí)際應(yīng)用中具有一定的指導(dǎo)意義。對于撞擊式切割器,本研究中D50的平方根與采集流量近似成反比,但是該函數(shù)關(guān)系對其他型號的切割器,及其他流量的切割器能否適用,有待進(jìn)一步研究。