空氣中沙塵粒子粒度監測方法研究

周漪，趙全成，劉聰（西南技術工程研究所，重慶 400039）

環境及其效應

空氣中沙塵粒子粒度監測方法研究

周漪，趙全成，劉聰
（西南技術工程研究所，重慶 400039）

目的 研究適用于空氣中沙塵粒子粒度監測方法。方法 對比研究迎風攔截采集和沉降采集兩種采樣方式的采集效果和樣本差異，討論濕法激光粒度分析法和掃描電鏡粒度分析法兩種方法的準確性和適用性。結果 沉降采集獲得的樣品量要大于迎風攔截采集，兩種采集方式獲得樣品的粒度分布也存在顯著差異。在沙塵樣本粒度分析上，濕法激光粒度分析較掃描電鏡分析更為適用。結論 可結合沉降采集與迎風攔截采集進行沙塵樣本采集，利用濕法激光粒度分析掌握其粒度分布。

沙塵粒子；粒度分布；迎風攔截采集；沉降采集

沙漠地區嚴酷的沙塵環境不僅會加快產品表面磨蝕，還會造成通風管道與過濾裝置堵塞，進入內部后還可能引起活動件卡死、蓄電池自放電、電路劣化等諸多故障[1—5]。因此，沙塵是沙漠自然環境試驗特別是整機或整車試驗必需考慮的重要因素。大氣沙塵粒子的粒度分布是描述沙塵環境的關鍵參數之一，對密封件與過濾裝置的設計、考核具有重要意義[6—7]。目前在自然環境試驗站網，對于沙塵環境僅監測沙塵天數和降塵量，未對大氣沙塵粒子的粒度進行監測[8]。文中通過在敦煌地區的系列對比測試，分別從大氣沙塵粒子采集方式和粒度分析手段上對沙塵粒度監測方法進行了探討，確定了適合于自然環境試驗站的大氣沙塵粒子監測方案。

1　試驗

1.1沙塵樣品采集方式

設計了兩種沙塵采樣方式，如圖1所示，分為迎風攔截采集和沉降采集。迎風采集裝置由風向翼板和采樣瓶構成。采樣瓶設進風管和出風管，在風向翼板作用下，進風口始終對準來風向。由于風管內徑（7.5 mm）遠小于瓶內徑（瓶底內徑為48 mm），攜有沙塵的氣流進入瓶內后減速，沙塵因重力沉積于瓶底[9]。沉降采集則采用內徑為30 cm、高為40 cm的集塵缸，固定于高1 m的平臺上，內置10 mm深乙二醇水溶液。兩種方式在敦煌試驗站暴露場同時采樣，連續采集30天，每月采集1次。

圖1　兩種沙塵粒子采樣方式Fig.1 Two methods of sand collection

1.2沙塵粒度分析方法

對兩種沙塵粒度分析方法進行對比研究，即濕法激光粒度分析與掃描電鏡分析。

1）樣品預處理。除去鹽分：將樣品置于燒杯中加水用玻璃棒攪拌后靜置過夜，第二天將杯中清水吸去，再加蒸餾水，重復3次即可[10]。除去有機質：加入6%過氧化氫溶液，攪拌，靜置。除去鈣質膠結物：加0.2 mol/L稀鹽酸于樣品燒杯中，用玻璃棒攪拌后，靜置過夜。次日傾去清液，加蒸餾水，攪拌、靜置過夜[11]。

2）濕法激光粒度分析。對預處理后的樣品，去除上層清液。然后加入36 g/L的偏磷酸鈉溶液，并通過超聲振蕩或攪拌使顆粒分散，采用激光粒度儀濕法進行粒度分析，遮光率控制在10%～12%[12]。，

3）掃描電鏡粒度分析。對預處理后的樣品在60℃下進行低溫干燥，后在掃描電鏡樣品臺上加入少量樣品，使用分散劑對其分散，待其揮發后對樣品進行觀測。

2　結果與討論

2.1沙塵粒子采集方式研究

2.1.1樣品采集效果

就采集樣品的代表性而言，迎風攔截采集的主要是沙塵天氣下空氣中被風力攜帶的沙塵粒子，這部分沙塵粒子對產品表面磨蝕、密封防護、進氣系統等影響較大。其粒度分布直接關系到密封性能和空氣濾清效果。沉降采集的樣品主要是因重力沉降的沙塵粒子，這部分沙塵粒子對產品表面腐蝕、活動件卡滯等具有一定影響[13]。

就采集樣品量而言，沉降采集的樣品量要大于迎風攔截采集。2014年3月—9月進行的6個周期采樣中，沉降采集獲得的沙塵樣本均在0.5 g以上，最高可達1.5 g。迎風攔截采集的樣本量均在0.1以下，其中2014年8月—9月因不屬于沙塵季節，且大風揚沙天氣明顯少于其他5個周期，迎風攔截采集的沙塵樣品量不足0.01 g。進行濕法測試時遮光率僅8%，未能滿足10%的遮光率要求，造成散射光強太弱，檢測信噪比太低，測試結果異常偏高[14]。其他5個周期樣品均能滿足測試要求。

迎風攔截采集獲得的沙塵樣本較少的主要原因在于采集管徑小。在風速較小的非沙塵季節，空氣中沙塵含量低，再加風速小、管徑小，單位時間內通過采集瓶的空氣量少，雙重作用下易造成沙塵樣品量不足。鑒于沙塵對產品的破壞主要集中在沙塵季節，且迎風攔截采集獲得的樣本更能真實反映被風力攜帶的沙塵粒子粒度分布，采用迎風攔截采集空氣中沙塵樣本是可行的。

2.1.2不同采集方式對沙塵樣本粒度分布的影響

以兩種采集方式在2014年3月—4月同期采集的樣本進行對比，均采用濕法激光粒度儀進行粒度分析。如圖2所示，兩種方式獲得沙塵樣品的粒度分布存在顯著差異。沉降采集獲得的沙塵樣本粒度分布比迎風采集樣本要小，其分布也相對均勻。經統計，迎風攔截采集的沙塵平均粒徑為36.67 μm，中位徑（D50）為27.93 μm，D95為100.12 μm。沉降采集的沙塵平均粒徑為24.40 μm，中位徑（D50）為14.67 μm，D95為70.08 μm。

圖2　兩種采集方式獲得沙塵粒子的粒徑分布Fig.2 Particle size distribution of sands collected by two methods

2.1.3沙塵粒子采集方式設計

為掌握不同影響途徑的沙塵粒子的粒度分布，全面考慮沙塵對產品的各類影響，在沙漠自然環境試驗場，應結合迎風攔截采集和沉降采集兩種采樣方式開展大氣沙塵粒子粒度監測。綜合衡量采集效果和數據可靠性，可以在全年每月采用沉降采集進行沙塵粒子采樣，在沙塵季節增設迎風攔截采集方式同時進行采樣。

2.2沙塵粒度分析方法研究

2.2.1濕法激光粒度分析與掃描電鏡分析對比

沙漠地區空氣中沙塵粒子主要來自地表沙塵，其粒徑分布因風力大小和離地高度會有較大波動[15]，但總體而言，其粒度分布在地表沙塵粒度范圍內，且較地表沙塵粒度范圍窄。為確保粒徑分析方法適用于不同采樣條件和采樣時機下的沙塵粒度分析，以敦煌試驗站2014年5月地表積塵為樣本，對激光粒度濕法測試與掃描電鏡圖像分析測試兩種粒度測試方法進行對比分析。

激光粒度濕法測得的樣本粒度區間分布以及累計分布如圖3所示。統計得，地表沙塵樣本體積平均徑為50.64 μm，中位徑（D50）為32.11 μm，D95 為165.48 μm。激光粒度儀測試范圍為0.02～2000 μm，可充分涵蓋敦煌試驗站地表以及大氣中沙塵粒度范圍。此外，同一樣本源、多次抽樣測量的數據重復性好。3次抽樣測試中，D50的偏差均在2%以內。

采用掃描電鏡獲得的沙塵粒子圖像如圖4所示。測試表明，敦煌試驗站地表沙塵形貌主要以多角狀、片狀為主。在100倍圖像下，觀測到最大粒徑在150 μm左右，最小粒徑難以識別。繼續放大后，在500倍圖像上可知最小粒徑不足5 μm，但難以更準確地判斷。繼續提高放大倍數后，因掃描區域內沙塵粒子樣本有限，粒徑波動較大，甚至出現僅獲得單個或數個粒子圖像的情況。

圖3　濕法激光粒度儀測得沙塵粒子粒徑分布Fig.3 Particle size distribution of sands by laser particle size analyzer through wet pro-cess

圖4　沙塵粒子掃描電鏡圖像Fig.4 SEM images of sand particles

2.2.2粒度分析方法選擇

與濕法激光粒度分析相比，掃描電鏡圖像信息較為直觀，還可以獲得沙塵形貌特征，但由于沙塵樣本的粒度分布很不均勻，最大粒徑和最小粒徑相差數千倍，難以在同樣的倍數下確定所有沙塵粒子的粒徑。同時，掃描電鏡分析所需樣本量極少，易造成抽樣誤差。

濕法激光粒度測試的測量范圍能夠滿足敦煌站地表以及大氣中沙塵粒度范圍，且抽樣誤差小，能夠快速、準確地獲得沙塵樣本的粒度區間分布以及累計分布等關鍵信息，適用性強，測試效果好。

3　結論

1）迎風攔截采集可用于沙塵季節空氣中沙塵粒度分析的樣品采集。

2）采用濕法激光粒度分析對大氣沙塵粒子粒度分布進行監測更為適用，在需要了解沙塵形貌特征時可以利用掃描電鏡作補充性測試。

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Monitoring Method of Particle Size of Dust Sands in the Air

ZHOU Yi，ZHAO Quan-cheng，LIU Cong
（Southwest Research Institute of Technology and Engineering，Chongqing 400039，China）

Objective To investigate a monitoring method of particle size of dust sands in the air.Methods The collection effect and sample difference by the two different collection methods,i.e.,the windward intercepting collection way and the static balance collection way,were compared to discuss the accuracy and suitability of the wet laser particle size analysis and the SEM particle size analysis.Results The static balance collection way got a lager sample amount than that by windward intercepting collection way,and also the particles sizes were obviously different by this two collection ways.On the aspect of particles size analysis,the wet laser particle size analysis was more suitable than SEM. Conclusion The static balance collection way can be used in combination with windward intercepting collection way to process sand collection,and the wet laser particle size analysis can be used to grasp the particle size distribution.

sand particles；particle size distribution；windward intercepting collection；static balance collection

2015-09-20；Revised：2015-09-30

10.7643/issn.1672-9242.2016.01.020

TJ06

A

1672－9242（2016）01－0102-04

2015-09-20；

2015-09-30

周漪（1983—），女，重慶人，工程師，主要研究方向為自然環境試驗。

Biography：ZHOU Yi（1983—），Female，from Chongqing，Engineer，Research focus：environmental test.