高效過濾器鈉焰效率試驗中NaCl濃度對測量精度的影響

張振中，莊子威，江 鋒

(清華大學 核能與新能源技術研究院，北京 100084)

在核級空氣凈化系統中，核級高效過濾器作為系統的最后一級設備，是避免放射性氣溶膠排入大氣的最后一道安全屏障。其典型尺寸為610 mm×610 mm×292 mm，迎風截面尺寸為610 mm×610 mm，額定風量為1 700 m3/h。

對放射性顆粒物的過濾效率是核級高效過濾器性能的重要指標之一，不同國家的標準中效率檢測方法不同。中國國家標準使用鈉焰法[1-2]，具體描述為：首先使用Collison噴嘴噴霧NaCl水溶液，然后干燥產生NaCl固態氣溶膠，在被測過濾器的前、后進行含氣溶膠空氣采樣，使用鈉焰光度計測量NaCl氣溶膠的濃度，從而計算出過濾效率。在整個效率測量過程中，含NaCl的空氣的相對濕度小于40%；NaCl氣溶膠的計重中值直徑約為0.5 μm。采用鈉焰法，核級高效過濾器的效率指標不小于99.99%。

鈉焰光度的測量包括燃燒器、光電轉換單元及微電流信號測量單元3部分。燃燒器主要解決NaCl氣溶膠完全、持續燃燒的技術；光電轉換單元主要將燃燒產生的特征黃光通過光電倍增管轉換成可測量的電流信號；微電流信號測量單元則主要對轉換后的電流信號進行準確測量。其中，NaCl濃度與電流信號間的關系非常重要。

本文將通過實驗來討論NaCl濃度與光電流測量值間的關系，研究鈉焰效率的精確測量。

1 鈉焰法過濾效率的計算

賽伯-羅馬金公式給出了元素的譜線強度I與該元素的濃度c之間的關系：

I=AcB

(1)

其中，A、B為常數，常數A與元素的蒸發、激發過程和元素組成等有關，常數B為自吸收系數，它的數值與譜線的自吸收有關[3]。

在獲得光電流I后，對鈉焰法過濾效率的計算使用如下公式：

(2)

其中：E為過濾器效率，%；P為過濾器透過率，%；I1為過濾器前NaCl燃燒產生的光電流，nA；I2為過濾器后NaCl燃燒產生的光電流，nA；I0為檢測系統本底空氣的光電流，nA；n為過濾器前NaCl氣溶膠稀釋倍數，對高效過濾器用鈉焰光度計，n為50。

從過濾器效率計算公式可看出，NaCl的濃度與光電流測量值呈線性關系。

2 實驗系統

NaCl氣溶膠的產生使用中國國家標準GB/T 6165—2008描述的方法。

NaCl氣溶膠濃度的變化與光電流的關系實驗采用圖1所示的標定系統。其中，NaCl氣溶膠使用三級稀釋，每級稀釋的稀釋比例可達到100倍，總的稀釋倍數可達106倍。

1——一級稀釋；2,4,6——混合器；3——二級稀釋； 5——三級稀釋； 7——流量計；8——放氣閥；9——高效過濾器；10——空氣泵

實驗中使用兩臺相同的鈉焰光度計進行平行實驗。鈉焰光度計中的微電流測量單元使用RIGOL公司制造的DM3058型數字萬用表[4]來標定，其主要性能參數列于表1。

通常情況下，過濾器測試時的濾前NaCl濃度(原始濃度)約為2 mg/m3，稀釋50倍后，進入鈉焰光度計的濃度約為0.04 mg/m3，因為高效過濾器的過濾效率為99.99%，所以濾后濃度約為4 ng/m3。為進一步說明NaCl濃度對測量精度的影響，本文實驗中將測量濃度的范圍上限拓寬至13 mg/m3。

表1 DM3058型數字萬用表的主要性能參數

3 實驗結果分析

在4 ng/m3～0.067 mg/m3范圍內，NaCl濃度與光電流間的關系如圖2所示。分別對NaCl濃度和光電流取自然對數，擬合后的曲線如圖3所示。

圖2 低濃度區光電流與NaCl濃度的關系曲線

圖3 低濃度區光電流與NaCl濃度關系的對數曲線

從圖2、3可知，在NaCl低濃度區，光電流和濃度間有很好的對數線性關系，即：

lnI=lnA+Blnc

(3)

因B接近1，進而式(3)可寫成：

I=Ac

(4)

對于兩臺鈉焰光度計，分別為：

I1=4.840c1

I2=5.091c2

將濃度擴展到2 mg/m3以上時，測量的NaCl濃度與光電流間的關系如圖4所示。分別對NaCl濃度和光電流取自然對數，擬合后的曲線如圖5所示。

圖4 低、中濃度區光電流與NaCl濃度的關系曲線

從圖4、5可知，在低、中濃度區，NaCl濃度與光電流間的對數線性關系已不明顯，相關系數較低濃度區的減小，寫成表達式為：

對比圖5a、b可知，在低、中濃度區，使用式(5)描述光電流和濃度間的關系較式(3)更加準確。

lnI=lnA+Blnc+Cln2c

(5)

繼續將濃度擴展至13 mg/m3以上，測量的NaCl濃度與光電流間的關系如圖6所示。分別對NaCl濃度和光電流取自然對數，擬合后的曲線如圖7所示。

從圖6、7可知，在中、高濃度區，NaCl濃度與光電流間的對數線性關系已不能成立，相關系數繼續減小。NaCl濃度由單位mg/m3調整到單位ng/m3后，上述關系寫成表達式為：

a——一次曲線；b——二次曲線

圖6 中、高濃度區光電流與NaCl濃度的關系曲線

對比圖7a、b可知，在中、高濃度區，使用式(6)描述光電流與NaCl濃度間的關系較式(3)更具優勢。

lnI=lnA+Blnc+Cln2c

(6)

從上述實驗結果可看出，在低濃度區時，NaCl氣溶膠燃燒后的光譜的自吸收系數為1，但隨著濃度的增大，光譜的自吸收系數不斷減小。

國標中的效率計算公式是基于NaCl濃度和光電流間是線性關系的，當濾前NaCl濃度為中、高濃度時再使用國標中的計算公式，導致公式中分母使用值較實際值小，從而效率計算結果較實際效率偏小，顯然已不能滿足測量精度的要求。

a——一次曲線；b——二次曲線

4 結論

對于過濾器的效率測量，系統管道內進入鈉焰光電測量裝置的NaCl的濃度不宜超過0.05 mg/m3，此時國家標準中的效率計算公式是適用的；當濃度高于0.05 mg/m3時，光電流已不隨NaCl濃度的增加而線性增加，此時再使用國標中的公式計算效率，公式計算值將會小于實際值。

對于過濾材料的效率測量，因為其可測效率要求高于高效過濾器，所以濾前NaCl的濃度更高，將達到20 mg/m3，這樣采用國標中的計算公式將使計算結果偏差更大，所以通過校準曲線來代替使用簡單的吸收常數，可獲得更好的測量精度和更加精確的測量結果。

此外，口罩及口罩密合性的效率測試中中國國家標準和歐盟標準均采用鈉焰法[5-8]，所以本文的研究結果同樣可應用到勞保和醫療等其他領域。

參考文獻：

[1] 全國暖通空調及凈化設備標準化技術委員會. GB/T 6165 高效空氣過濾器性能試驗方法：效率和阻力[S]. 北京：中國標準出版社，2008.

[2] 全國核能標準化技術委員會. GB/T 17939 核級高效空氣過濾器[S]. 北京：中國標準出版社，2008.

[3] 分析化學[M]. 北京：高等教育出版社，2010.

[4] DM3058數字萬用表用戶手冊[M]. 北京：北京普源精電科技有限公司，2009.

[5] 全國醫用臨床檢驗實驗室和體外診斷系統標準化技術委員會. GB 19083 醫用防護口罩技術要求[S]. 北京：中國標準出版社，2010.

[6] 全國個體防護裝備標準化技術委員會. GB 2626呼吸防護用品自吸過濾式防顆粒物呼吸器[S]. 北京：中國標準出版社，2006.

[7] EN 149 Respiratory protective devices-filtering half masks to protect against particles-requirements, testing, marking[S]. Berlin: Beuth Verlag GmbH, 2009.

[8] EN1073-2 Protective clothing against radioactive contamination, Part 2: Requirements and test methods for non-ventilated protective clothing against particulate radioactive contamination[S]. Berlin: Beuth Verlag GmbH, 2002.