負(fù)載型多分散氣溶膠在管道內(nèi)的傳輸規(guī)律

張積橋，張生棟，陶武清，毛國淑，丁有錢

中國原子能科學(xué)研究院 放射化學(xué)研究所，北京 102413

核設(shè)施運(yùn)行中一旦有放射性核素釋放，不可避免會(huì)對環(huán)境及人類造成輻射影響[1-2]，因此日常安全檢測尤其重要。泄露的放射性核素會(huì)附著于其他顆粒物表面形成氣溶膠進(jìn)行攜帶式傳輸，傳輸過程中沉降顆粒物樣品中的分凝與顆粒物自身特性及傳輸速率的相關(guān)性有待研究。Pu等元素氣溶膠特性行為和取樣過濾技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室研究中，通常使用貴金屬或稀土元素的氣溶膠以及同位素氣溶膠進(jìn)行模擬示蹤、爆炸或非爆炸式氣溶膠發(fā)生器模擬產(chǎn)生氣溶膠[3-8]。爆炸產(chǎn)生氣溶膠對實(shí)驗(yàn)安全和氣溶膠取樣要求很高，發(fā)生氣溶膠的重現(xiàn)性欠佳。迄今國內(nèi)外對氣溶膠的研究有很多[9-12]，但針對負(fù)載型多分散氣溶膠的傳輸及沉降研究比較少。

文獻(xiàn)[5-6]設(shè)計(jì)加工的投料式(無進(jìn)料裝置)流化床氣溶膠發(fā)生器，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，且粒度分布比較穩(wěn)定。借助氣體吹掃形成氣溶膠，在一定范圍內(nèi)可行，但在其它載體顆粒粒度范圍以及氣體吹掃速率下，造成氣溶膠的不穩(wěn)定性和對載體顆粒的選擇性，因此在后續(xù)的研究中無法實(shí)現(xiàn)量化。清華大學(xué)余濤等[7]基于Sinclair-LaMer法所建立的熱蒸發(fā)負(fù)載型氣溶膠制備方法，過程繁瑣，引入?yún)?shù)多。美國TSI 系列的3400A負(fù)載型氣溶膠發(fā)生裝置，采用鏈條傳輸樣品進(jìn)入氣倉，然后用青銅珠摩擦破碎因靜電團(tuán)聚的顆粒，從而會(huì)導(dǎo)致原負(fù)載樣品在形成均勻氣溶膠時(shí)被破壞。管道內(nèi)傳輸過程中，氣溶膠主要受重力沉降和布朗凝并影響。氣溶膠尺度分布、顆粒濃度分布是氣溶膠發(fā)生器的重要指標(biāo)，因此在設(shè)計(jì)氣溶膠發(fā)生器裝置過程中主要考慮產(chǎn)生氣溶膠的均勻性、持續(xù)性。

本工作擬開展負(fù)載型多分散氣溶膠發(fā)生裝置研制工作，并在此基礎(chǔ)上研究氣溶膠在管道內(nèi)的傳輸規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器和樣品

氣溶膠發(fā)生器，自制；Quick 440 A去離子風(fēng)機(jī)，蘇州快克錫焊股份有限公司；FRITSCH P13破碎機(jī)、FRITSCH P5球磨機(jī)，德國飛馳；HELOS/RODOS激光粒度儀，德國新帕泰克；TSI 3321掃描電遷移率粒徑譜儀，美國TSI；NexION 350X等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)，美國Perkin-Elmer；BP211D電子天平，感量 10-5g，德國Satorius。

AgNO3、HNO3，分析純，中國國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；土壤源自北京市房山區(qū)閻村農(nóng)田；石英砂購于北京伊諾凱科技有限公司。

載體物料制備過程：采用破碎機(jī)及球磨機(jī)將干燥后的土壤和石英砂樣品研磨為多分散的粉末體系。

負(fù)載型多分散物料制備過程：首先將AgNO3溶解于水溶液中配制稀濃度的銀溶液，然后與石英砂均勻攪拌，放置于抽風(fēng)柜內(nèi)陰干即可。

測量樣品指標(biāo)：將多分散載體樣品及負(fù)載型多分散物料進(jìn)行氣溶膠樣品的傳輸實(shí)驗(yàn)，在傳輸系統(tǒng)內(nèi)不同位置分別取樣。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

在搭建了能夠產(chǎn)生穩(wěn)定、多分散氣溶膠的發(fā)生器基礎(chǔ)上，對比考察了多分散固體顆粒不同密度(土壤、石英砂)以及表面負(fù)載Ag的石英砂顆粒形成的模擬放射性氣溶膠，在不同稀釋氣流速(5～25 L/min)作用下進(jìn)入管道內(nèi)傳輸后，針對每一節(jié)管道內(nèi)的沉積物進(jìn)行收集分析，得到氣溶膠在管道內(nèi)的傳輸及沉降規(guī)律。

2 自制氣溶膠發(fā)生器

流化床氣溶膠發(fā)生器是一種有效的以固體粉末為原料的氣溶膠發(fā)生器。氣溶膠發(fā)生裝置示于圖1。如圖1所示，該裝置由料斗、推送絞龍、通氣裝置、控制電機(jī)等組成。在料斗內(nèi)裝入用破碎機(jī)粉體化的石英砂或土壤物料，然后打開電機(jī)開關(guān)及通氣裝置，選擇合適的軸承轉(zhuǎn)速也就是絞龍傳送速率，在步進(jìn)電機(jī)的推送以及通氣裝置對物料吹掃下，顆粒物形成氣溶膠，再在稀釋氣體的作用下，氣溶膠在氣倉內(nèi)混合均勻，然后進(jìn)入傳輸系統(tǒng)，收集管道內(nèi)的沉積樣品對其進(jìn)行分析。物料的輸入量主要取決于推送絞龍的轉(zhuǎn)動(dòng)推送頻率、軸承的旋轉(zhuǎn)速率和軸承上螺紋的齒間距離。因此，需要優(yōu)化軸承轉(zhuǎn)速、軸承上螺紋的齒間距離以及齒高控制進(jìn)料速率。

1——料斗，2——推送絞龍，3——通氣裝置，4——?dú)鈧}，5——去離子風(fēng)機(jī)，6——控制電機(jī)，7——流量計(jì)圖1 負(fù)載型氣溶膠的發(fā)生裝置Fig.1 Complicated multi-particles-dispersed aerosol instrument

裝置進(jìn)氣氣路分為兩路：一路為分散氣(氣路管道細(xì)，壓力高)，另一路為稀釋氣體(氣路管道粗，壓力小)，它們的流量由流量計(jì)控制、顯示。

3 結(jié)果與討論

3.1 氣溶膠穩(wěn)定性

進(jìn)料器有三種機(jī)制，即進(jìn)料量的控制機(jī)制、粉體的均勻化機(jī)制和進(jìn)料機(jī)制。當(dāng)前不同進(jìn)料機(jī)制列于表1。摩擦起電是一種接觸后又分離、造成正負(fù)電荷不平衡的起電方式。靜電是在不斷的接觸、分離中產(chǎn)生的，即摩擦起電實(shí)質(zhì)上是動(dòng)能影響了其原子分布的均勻性，從而產(chǎn)生靜電。本實(shí)驗(yàn)中的源項(xiàng)物料在研磨以及被推送絞龍推送過程中不可避免地產(chǎn)生靜電，所以為消除形成氣溶膠過程中的靜電，包括進(jìn)料和吹掃的過程中產(chǎn)生的靜電，使用去離子風(fēng)機(jī)在氣倉附近工作，通過該方式中和流經(jīng)靜電。

表1 流化床氣溶膠發(fā)生器的進(jìn)料器的機(jī)制Table 1 Mechanisms of input of aerosol-instruments

采用破碎機(jī)及球磨機(jī)將土壤和石英砂研磨為多分散的體系，其粒徑分布示于圖2。如圖2所示，其中粒徑小于10.3 μm的石英砂物料占90%，粒徑小于17.3 μm的土壤物料占90%。

圖2 石英砂(a)和土壤(b)樣品顆粒度分布Fig.2 Particle size distribution of SiO2(a) and soil(b)

圖3為氣溶膠質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w(氣溶膠))和粒度分布隨氣流速率的變化曲線。由圖3可得：用推送絞龍為進(jìn)料動(dòng)力(氣力)的流化床氣溶膠發(fā)生器可以產(chǎn)生濃度和粒度分布比較穩(wěn)定的氣溶膠；發(fā)生器的分散氣流速從5 L/min增加到25 L/min，氣倉內(nèi)氣溶膠的粒子累計(jì)濃度分布基本不變。

發(fā)生器分散氣流速為10 L/min保持不變，開機(jī)后相同時(shí)間間隔取樣，然后分析樣品中不同粒徑粒子的含量。圖4為土壤樣品氣溶膠濃度和粒度分布隨時(shí)間(t)的變化。如圖4所示，開機(jī)5 min內(nèi)各個(gè)粒徑分段粒子濃度有所變化，而開機(jī)5 min后，氣溶膠粒子粒度分布大體保持穩(wěn)定。研究表明了料斗、推送絞龍、通氣裝置、氣倉等組成的氣溶膠發(fā)生器能產(chǎn)生多分散氣溶膠，其性能穩(wěn)定。

3.2 氣溶膠傳輸管道設(shè)計(jì)

影響傳輸?shù)囊蛩赜泻芏啵竟ぷ髦饕疾炝斯艿乐睆健馊苣z顆粒大小等的影響。采用Depo2001a模擬軟件對單一粒徑顆粒物在8、38 mm管道內(nèi)的傳輸、沉降進(jìn)行模擬，計(jì)算不同管徑及不同氣體流速下的沉積曲線，結(jié)果示于圖5、圖6。圖5、圖6結(jié)果表明：粒徑大于20 μm的顆粒在管道內(nèi)傳輸3 m處基本沉降完全。圖5中，對于同一管徑中，在同一稀釋氣流速下，隨著粒徑的增大，完全沉降距離越短，粒徑為5 μm的粒子，在管道內(nèi)8 m處沉降率(某處沉降率=某處氣溶膠累積沉積質(zhì)量/某時(shí)間段內(nèi)氣溶膠總質(zhì)量×100%)為20%～50%；粒徑為10 μm的粒子，8 m處沉降率為80%～100%。比較圖5和圖6而言，同一稀釋氣流速下，粒徑越大的顆粒沉降距離越小。圖6中也可以看出圖5所示的規(guī)律。粒徑為1 μm時(shí)，顆粒基本不沉降，傳輸距離較遠(yuǎn)。基于本實(shí)驗(yàn)中的顆粒粒徑在20 μm以內(nèi)，且顆粒樣品粒徑主要分布在10 μm附近。隨著稀釋氣流速的增大，沉降距離有不同程度的增大。因此選擇管道長度為12 m。

(a)——土壤樣品, (b)——石英砂樣品分散氣流速，L/min：■——5，●——10，▲——25圖3 氣溶膠濃度和粒度分布隨氣流速率的變化曲線Fig.3 Variation of concentration and size of aerosol particles with gas flow rates

分散氣流速10 L/min■——所有粒徑，●——粒徑0～10 μm，▲——粒徑10～20 μm，▼——粒徑>20 μm圖4 土壤樣品氣溶膠濃度和粒度分布隨時(shí)間的變化Fig.4 Variation of concentration and size of soil aerosol particles with time

3.3 顆粒樣品傳輸

在同一流速的分散氣作用下產(chǎn)生高濃度的氣溶膠，然后利用不同的稀釋氣將氣溶膠輸入到傳輸管道內(nèi)，在不同稀釋氣流速下，氣溶膠在管道內(nèi)傳輸過程中，沉降樣品的粒徑分布不同，定點(diǎn)取樣(每0.5 m收集樣品送檢)可以得到它的粒徑分布。分散氣流速一定時(shí)，調(diào)節(jié)稀釋氣流速為5～25 L/min(選擇層流流速15 L/min，湍流流速25 L/min)。由于石英砂和土壤密度不同，對它們在管道內(nèi)的傳輸沉降也是有影響的。為考察傳輸過程中分凝現(xiàn)象，對比相同條件下載體沉降與攜帶Ag的載體沉降，分析樣品中Ag的含量。

圖7為不同稀釋氣流速下土壤樣品在管道內(nèi)沉降的質(zhì)量分布。由圖7可以看出，在稀釋氣流速為5 L/min時(shí)，傳輸距離7 m處質(zhì)量變化趨于穩(wěn)定，然后突然減小，是因?yàn)樵摿魉傧拢w粒先團(tuán)聚，到達(dá)一定粒徑時(shí)沉降，在傳輸距離為8 m時(shí)，基本沉降完全。土壤樣品稀釋氣流速為5 L/min時(shí)，前7 m為平穩(wěn)傳輸，每節(jié)管道內(nèi)的樣品質(zhì)量接近，而當(dāng)稀釋氣流速為15 L/min和25 L/min時(shí)，在管道內(nèi)的前2 m氣溶膠沉降很快。吹掃30 min后收集管內(nèi)沉積樣品，粒徑分布為多分散，土壤樣品出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象明顯。在稀釋氣流速增大時(shí)大顆粒先沉降，小顆粒邊沉降邊團(tuán)聚。這是由于土壤顆粒含有大量正負(fù)離子，在傳輸過程中不斷的接觸、分離產(chǎn)生的靜電對其影響很大。傳輸過程中，土壤比石英砂密度低，則相同粒徑的土壤比石英砂所受重力小，凝并作用亦會(huì)造成傳輸規(guī)律差異。

圖8為稀釋氣流速為15 L/min時(shí)土壤樣品在8 mm管道內(nèi)傳輸?shù)牧椒植肌Ｓ蓤D8可以看出，隨著管道的增長，樣品的主粒徑呈先增大、后減小的規(guī)律。因無其它外部因素的引入，多分散的源項(xiàng)體系在傳輸管道內(nèi)的沉降規(guī)律為部分大顆粒先沉降，小顆粒繼續(xù)傳輸；因布朗運(yùn)動(dòng)小粒徑顆粒吸附在大顆粒表面，隨著氣溶膠在管道內(nèi)傳輸?shù)睦^續(xù)，大顆粒及小顆粒在自身作用下沉降，小顆粒吸附在大顆粒上加速了顆粒的沉降。

粒徑，μm：■——1，●——5，▲——10， ▼——20，?——30，?——40稀釋氣流速，L/min：(a)——5，(b)——10，(c)——15，(d)——20，(e)——30圖5 不同粒徑和稀釋氣流速下管徑8 mm直管中的氣溶膠沉降曲線Fig.5 Deposition curves in 8 mm tube with different particle size and flow rates

粒徑，μm：■——1，●——5，▲——10， ▼——20，?——30，?——40稀釋氣流速，L/min：(a)——5，(b)——10，(c)——15，(d)——20，(e)——30圖6 不同粒徑和稀釋氣流速下管徑38 mm直管中的氣溶膠沉降曲線Fig.6 Deposition curves in 38 mm tube with different particle size and flow rates

對比研究了石英砂在該系統(tǒng)內(nèi)的傳輸規(guī)律，結(jié)果示于圖9、10。由圖9、10可以看出，稀釋氣流速為15 L/min時(shí)沉降規(guī)律符合模擬計(jì)算規(guī)律，而流速為25 L/min時(shí)，顆粒密度的變化在該流速下形成湍流運(yùn)動(dòng)，沉降過程中，質(zhì)量分布不具有規(guī)律性，且顆粒粒徑變化不明顯。稀釋氣流速為15 L/min時(shí)，石英砂樣品在前4 m的傳輸過程中沉降很快，每節(jié)管道內(nèi)的樣品質(zhì)量衰減快，4 m后則相對平穩(wěn)，基本沉積完全。而當(dāng)稀釋氣流速為25 L/min時(shí)，氣溶膠固相載體在管道內(nèi)沉降變化，因湍流運(yùn)動(dòng)造成的沉積物質(zhì)量有增也有減，且粒徑無規(guī)律。但所收集樣品的粒徑分布為多分散且頻度最高的粒徑分布呈先增大、后減小的規(guī)律，且石英砂樣品團(tuán)聚現(xiàn)象不明顯，是因?yàn)镾iO2表面吸附的離子少，傳輸過程中產(chǎn)生的靜電影響較小。

稀釋氣流速，L/min：■——5，●——15，▲——25圖7 不同稀釋氣流速下土壤樣品在8 mm管道內(nèi)沉降的質(zhì)量分布Fig.7 Deposition curves of soil in 8 mm tube with different gas flow rates

圖8 稀釋氣流速為15 L/min時(shí)土壤樣品在8 mm管道內(nèi)傳輸?shù)牧椒植糉ig.8 Size distribution of soil samples in 8 mm tube with 15 L/min gas flow rate

由圖10粒徑分布曲線圖可以看出，隨著管道的增長，樣品的主粒徑呈現(xiàn)先增大、后減小的規(guī)律。同樣因無其他外部因素的引入，多分散的源項(xiàng)體系在傳輸管道內(nèi)的沉降規(guī)律為部分大顆粒先沉降，小顆粒繼續(xù)傳輸；因布朗運(yùn)動(dòng)小粒徑顆粒吸附在大顆粒表面，隨著氣溶膠在管道內(nèi)傳輸?shù)睦^續(xù)，大顆粒及小粒徑顆粒在自身作用下沉降，小顆粒吸附在大顆粒上加速了顆粒的沉降。

稀釋氣流速，L/min：■——5，●——15，▲——25圖9 不同稀釋氣流速下石英砂樣品在8 mm管道內(nèi)沉降的質(zhì)量分布Fig.9 Deposition curves of SiO2 samples in 8 mm tube with different gas flow rates

圖10 稀釋氣流速為15 L/min時(shí)石英砂樣品在8 mm管道內(nèi)傳輸?shù)牧椒植糉ig.10 Size distribution of SiO2 samples in 8 mm tube with 15 L/min gas flow rate

3.4 負(fù)載Ag的顆粒樣品傳輸

將Ag負(fù)載在顆粒樣品的表面模擬負(fù)載Pu樣品氣溶膠在管道內(nèi)的傳輸及沉降。將表面均勻負(fù)載了Ag的石英砂多分散樣品進(jìn)行氣溶膠傳輸、沉降實(shí)驗(yàn)，然后用稀硝酸溶液洗滌收集的沉積樣品，采用ICP-MS檢測Ag，對比原負(fù)載樣品中Ag的理論含量與測得的Ag含量，結(jié)果示于圖11。由圖11可以得出，稀釋氣流速為5 L/min時(shí)，Ag含量差值(在考察的距離內(nèi)，從Ag-SiO2負(fù)載顆粒中分凝出的銀顆粒累積質(zhì)量與原復(fù)合物銀含量的差值)為3.5%，且在零分凝線兩側(cè)波動(dòng)；而當(dāng)稀釋氣流速增加為15 L/min時(shí)，Ag含量總差為23.6%，均在零分凝線以下，說明分凝一直存在且更顯著。研究表明，當(dāng)增大氣流速率時(shí)，Ag和石英砂分凝效果更明顯，Ag較載體傳輸更遠(yuǎn)。

稀釋氣流速，L/min:■——5，●——15圖11 銀-石英砂負(fù)載型多分散氣溶膠在8 mm管道內(nèi)的傳輸距離-銀含量曲線Fig.11 Variation of Ag concentration of Ag-SiO2aerosol samples in 8 mm tube with distance

4 結(jié) 論

搭建了能夠產(chǎn)生穩(wěn)定氣溶膠的發(fā)生器裝置，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)；考察了影響因素對氣溶膠傳輸?shù)挠绊懀?/p>

(1) 當(dāng)傳輸為層流時(shí)，沉積物頻度最高的粒徑分布呈現(xiàn)先增大、后減小的規(guī)律；土壤傳輸過程中的團(tuán)聚效應(yīng)較石英砂更明顯；當(dāng)傳輸為湍流時(shí)，質(zhì)量和粒徑不具有規(guī)律性；層流范圍內(nèi)所得沉降數(shù)據(jù)與Dep2001a模擬數(shù)據(jù)吻合；該規(guī)律可對后續(xù)研究提供數(shù)據(jù)、技術(shù)支撐；

(2) 所選AgNO3模擬放射性氣溶膠傳輸性能，操作簡單，便于檢測；由Ag-載體的模擬氣溶膠傳輸可得Ag和載體之間存在分凝效應(yīng)，氣流速率越大，分凝現(xiàn)象越明顯。