用于揮發性顆粒物連續測量的沖擊式采樣器設計

楊志遠，趙修良，劉麗艷，賀三軍，周 超，劉 奎

南華大學核科學技術學院，湖南衡陽421001

隨著現代工業的發展，大氣顆粒物已成為大氣的主要污染物之一，其中的揮發性顆粒物(如硝酸鹽、銨鹽、有機揮發性物質)，在大氣顆粒物中的比例越來越大，尤其是在大氣細粒子(PM2.5)中，揮發性顆粒物的比例能占到30% ～50%［1-8］。目前大多數的PM2.5監測方法在采樣過程中都需加熱干燥，以控制采樣過程的相對濕度(如β射線法配置了動態加熱系統、微量振蕩天平法也需要采樣溫度控制在50℃［9-11］)。所以在采樣加熱時必然存在揮發性顆粒物的損失，由此產生的測量誤差不可忽視，應采取相應的補償措施。在環境溫度較低的情況下，由于加熱而損失的揮發性顆粒物將更多。有報道對比低溫環境下，由于加熱導致揮發性顆粒物損失的測量結果比標準方法的測量結果低20% ～30%［12］。串級沖擊式采樣器利用慣性原理，可采集不同空氣動力學直徑的顆粒物，已廣泛應用于環境監測、環境微生物研究等領域。研究將使用沖擊式采樣器實現揮發性顆粒物的連續采樣測量。

1 串級沖擊式采樣器

1.1 沖擊采樣原理

沖擊采樣器的采樣原理如圖1所示。

圖1 沖擊采樣原理結構圖

由圖1可見，含塵氣流在抽氣泵的作用下，以恒定的流量進入采樣裝置，并通過噴嘴加速到一定流速。氣流從噴嘴噴出后，由于噴嘴下方有一個捕集板，使得氣流的流動方向發生急劇變化，氣流中的顆粒物在慣性作用下會偏離氣流方向，碰撞并被阻留到涂有黏性物質的捕集板上，從而被收集［12-14］。

1.2 沖擊采樣理論

顆粒物的捕集效率是沖擊式采樣器的重要參數，主要與氣流速率、顆粒物粒徑以及噴嘴直徑有關［12］。在顆粒物的行為研究中，人們通常更關心捕集效率為50%時對應的相關參數。在沖擊式的顆粒物采樣系統中，顆粒物的動力學行為常用Stocks數來描述，流體在管道中的流動狀態常用雷諾數(Re)表示，為了達到較好的采樣效果，Re取值應在100～3 000之間［12-18］。結合 Stocks數和Re值，可以推導出沖擊式采樣器的噴嘴數(N)和噴嘴直徑(W)的表達式，如式(1)、式(2)所示［14］:

式中，ρ為空氣密度，g/cm3;ρp為顆粒物的密度，在用空氣動力學當量直徑描述顆粒物時，其取值為1 g/cm3;Qm為氣流的質量流量，g/s;μ為空氣粘度，g/(cm·s);St50為采樣器捕集效率為50%時對應的Stocks數，在圓形噴嘴沖擊式采樣器設計中St50=0.21;dp50為采樣器捕集效率為50%時對應的顆粒物空氣動力學直徑;c是康寧修正因子，對于 dp50等于 10、5、2.5 μm 時的 c值分別為1.017、1.050、1.070［15］。

考慮到多噴嘴之間的交錯流對捕集效率的影響，Fang等人經過大量的實驗研究，引入了錯流因子(WN/4Dc)來表示這種影響。其中，Dc為噴嘴簇的直徑，Fang等人根據實驗結果指出，當WN/4Dc＜1.2時，捕集效率較好。噴嘴長度(H)和沖擊距離(S)對采樣效率也有一定影響，Marple和Newton認為，對于圓孔形噴嘴，S/W和H/W的比值應在1～5之間［13-14］。

沖擊式采樣器的采樣性能還可用一個無量綱的撞擊參數(Ψ)表示，如式(3)所示［17］:

式中，Q為采樣體積流量，按照實際采樣流量取278.3 mL/s(16.7 L/min)。Cohen和Marple提出捕集效率為50%時的Ψ應在0.12～0.17之間，取Ψ =0.13，常溫下 μ=1.827 ×10－4g/(cm·s)，代入式(3)即可得到采樣粒徑與W和N之間的關系，如式(4)所示:

1.3 沖擊式采樣器的參數計算

沖擊式采樣技術理論相對成熟，前人在對沖擊式采樣器的參數設計中，大都是在已知Stocks數的基礎上，從理論推薦的Re值出發，結合采樣要求的顆粒物粒徑和采樣速率，通過反復迭代驗算和修正，得到采樣器的基本參數(孔徑和孔數)，再驗證其他的影響因子(WN/4Dc、S/W、H/W等)是否在合適的范圍內，最后再進一步修正［14，17-20］。

根據以上經驗，串級沖擊式采樣器各級設計參數的計算有4個步驟:①初步選取推薦范圍內的Re值，根據各級采樣粒徑，由式(1)、式(2)和式(4)求出N和W;②考慮實際加工情況，將W修正為便于加工的值，但修正值應與計算值相差不大，并對N取整后結合噴嘴排布進行相應修正;③將修正后的W、N帶入式(3)進行驗算，驗證撞擊參數是否在推薦值范圍內，同時還需驗證 Re、WN/4Dc、S/W、H/W 是否在推薦值范圍內，若不在推薦范圍內，還需對步驟①、②做進一步的計算和修正;④最后根據修正的N和W，計算各級的理論采樣粒徑，看是否滿足采樣粒徑的要求。

為實現 10、5、2.5 μm 的顆粒物收集，考慮設計加工的實際情況，W不得小于0.5mm，結合設計的噴嘴簇大小，通過反復的計算和驗算，最終得到具體的噴嘴參數設計如表1所示。

表1 沖擊式采樣器各級參數

2 揮發性顆粒物收集測量

2.1 揮發性顆粒物行為

揮發性顆粒物具有加熱揮發、冷卻凝結的物理特性，在濾膜式的顆粒物監測儀中的行為如圖2所示。

圖2 濾膜式顆粒物測量儀內顆粒物行為示意圖

由圖2可見，顆粒物在抽氣泵的作用下隨氣流進入測量儀，首先通過粒徑切割器，保證進入采樣裝置的顆粒物粒徑符合采樣要求;然后含塵氣流經過加熱干燥裝置，調控采樣氣流的相對濕度，同時顆粒物中的揮發性成分也將部分或全部揮發為氣態;隨后氣流穿過濾膜，非揮發性顆粒物將被截留在濾膜上，而氣態揮發性物質則無法被濾膜截留，隨氣流排出采樣室。

2.2 揮發性顆粒物補償措施

目前，在大氣顆粒物的采樣測量中，只有微量振蕩天平法測量 PM2.5時利用膜動態測量技術(FDMS)對揮發性顆粒物的損失做了補償測量。該技術是將一段時間內采樣膜上的顆粒物減少量作為揮發性顆粒物的損失量，并將其補償到最終的測量值上，是一種相對測量方法，并沒有直接測量出采樣樣品中到底有多少揮發性顆粒物。而且FDMS技術使用的濾膜成本較高，在粉塵濃度較高的情況下，還經常導致儀器故障報警，難以得到合格的監測數據［21］。研究設計的揮發性顆粒物采樣測量裝置，對一般的濾膜式顆粒物測量儀在采樣加熱過程中損失的揮發性顆粒物，通過冷凝、收集和在線測量，實現揮發性顆粒物的補償測量，屬于絕對測量的方法，具有較高的可信度。通過分級采樣，在高濃度粉塵的情況下也能保證采樣器的正常工作。

2.3 揮發性顆粒物的連續采樣和測量

對于一般顆粒物采樣而言，串級沖擊采樣器在采樣結束后必須將樣品取出，回到實驗室才能進行相關的測量分析，而且每次采樣后都需要清洗捕集板，從而無法用于連續在線采樣。鑒于揮發性顆粒物的物理特性，研究巧妙地設計了雙通道的采樣裝置，結合石英晶體微天平(QCM)技術，可實現揮發性顆粒物的連續采樣和測量。

雙通道的揮發性顆粒物連續采樣測量裝置基本結構如圖3所示。

圖3 揮發性顆粒物連續采樣測量裝置結構圖

由圖3可見，揮發性顆粒物經過冷凝裝置后進入串級沖擊采樣器，采樣器設計有A、B 2路采樣通道，采樣入口處由1個三通的切換閥實現A、B 2路的切換，A、B通道在出口處匯合后接采樣泵。每一路通道中設計有3級串級式沖擊采樣裝置，每一級的捕集板由3部分組成，從上至下分別為QCM、電加熱片、底座。

具體的連續采樣測量方案流程如圖4所示。

圖4 連續補償測量采樣流程圖

由圖4可見，采樣開始前，切換閥將采樣管路切換至A通道，記錄A管道中采樣前的QCM頻率，3級采樣器的 QCM頻率分別設為。采樣泵開始工作，通過冷凝裝置后的固態揮發性顆粒物，進入沖擊式采樣器的A通道被捕集，采樣期間B通道中的電加熱片開始工作，進行預清洗。

第一輪采樣結束后，切換閥將采樣管路切換至B通道，同時對A、B 2路管道中的QCM進行參數測量(A通道中得到的是本輪采樣后的QCM參數，其3級采樣器的QCM頻率分別設為、;B通道中的則是下一輪采樣前的QCM參數，其3級采樣器的QCM頻率分別設為、)，通過A通道中采樣前后的QCM參數即可得到在該輪采樣過程中收集到的揮發性顆粒物質量。測量完成后，開始第二輪采樣，切換閥將采樣管路切換至B通道，揮發性顆粒物進入B通道中被捕集，同時A通道中的電加熱片開始工作，將A通道中捕集板上采集到的揮發性顆粒物重新加熱揮發，并隨采樣氣流排出，以達到清洗捕集板的目的，供下一輪采樣使用。

第二輪采樣結束后，切換閥將采樣管路切換回A通道，同時再次對A、B 2路管道中的QCM進行參數測量(A通道中得到的是下一輪采樣前的QCM參數，其3級采樣器的QCM頻率分別設為;B通道中的則是本輪采樣后的QCM參數，其3級采樣器的QCM頻率分別設為)，通過B通道中采樣前后的QCM 參數即可得到在該輪采樣過程中收集到的揮發性顆粒物質量。

綜上以2輪采樣為1個周期，通過雙通道的循環切換，結合QCM的直接測量和加熱清洗，即可實現串級沖擊采樣器對揮發性顆粒物的連續采樣測量功能。

QCM測量采集到的揮發性顆粒物質量，是利用AT切石英晶片的壓電效應來實現的，通過測量其頻率的變化來反映質量的變化，具體定量關系由Sauerbrey方程決定，見式(5)。

式中，f0為QCM的固有諧振頻率，又稱基頻;A為金屬電極的面積;Δf為采樣前后QCM的頻率變化。由此可推導出采集到的樣品質量，如式(6)所示。

所以，A、B通道內采集到的揮發性顆粒物質量分別見式(7)、式(8)。

3 結論及展望

揮發性顆粒物是大氣顆粒物中的重要組成部分，尤其是在PM2.5中比例較大，目前的PM2.5連續監測儀大都采用加熱的方式來達到采樣濕度的要求，故揮發性顆粒物的損失是必然存在的，從而導致的測量結果偏差不可忽視。研究根據串級沖擊采樣器理論，結合揮發性顆粒物的物理特性，設計了可用于揮發性顆粒物連續測量的串級沖擊式采樣器，通過理論計算初步得到了相應的設計參數，并利用雙通道設計、QCM直接測量和電加熱清洗的方法，得到了揮發性顆粒物連續測量方案。該方法可應用于目前濾膜式的PM2.5測量中揮發性顆粒物的補償測量，可使測量結果更加準確可靠;也可直接用于揮發性顆粒物的連續測量分析。

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