大氣鹽霧含量監(jiān)測(cè)與影響因素研究

高彥明，向利，陳川

（1.南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電有限公司，廣州 510630； 2.中國(guó)電器科學(xué)研究院股份有限公司，廣州 510663）

1 大氣鹽霧主要來源

研究者表示大氣中的鹽霧約90 %來自于海洋[1]，部分研究者認(rèn)為鹽霧粒子是從海面向空氣中釋放出的微小液滴，并以液滴或鹽核粒子的狀態(tài)懸浮于空氣中。主要是由于海浪飛濺造成大量水沫在海面上生成液滴的過程，但這個(gè)過程中形成的液滴直徑較大隨即會(huì)落入海中，因此產(chǎn)生鹽霧氣溶膠的效果較低。因此，另一種觀點(diǎn)更具說服力，他們認(rèn)為海鹽粒子是由海水中的氣泡在海面破裂時(shí)產(chǎn)生的微小液滴形成的，有關(guān)此過程，Woodcock，Knelman，Mason等人做過深入研究。圖1為海鹽粒子生成的概略圖（① 氣泡的發(fā)生，② 海水內(nèi)氣泡的運(yùn)動(dòng)，③海面上氣泡破裂與微液滴的生成，④ 懸浮于空氣中），如圖1所示在海鹽粒子生成的第一階段中，氣泡起因于海面的波浪，生物活動(dòng)，溶解于海水中氣體飽和溢出，雨滴與海面的沖擊等；而由海面的風(fēng)浪所生成的氣泡為其主要發(fā)生方式[2]。

一般，海浪在波形斜率達(dá)到最大的波峰崩毀時(shí)產(chǎn)生氣泡。在海岸處，岸與波浪的沖擊（飛濺區(qū)）也為氣泡發(fā)生的提供了有力的環(huán)境條件。由波浪發(fā)生的氣泡個(gè)數(shù)隨風(fēng)速的上升而增加，從海面開始計(jì)算深度越深氣泡數(shù)量越少。根據(jù)Kolovayev等人的報(bào)告，海浪形成的氣泡直徑約100～200 μm，海上10 m，風(fēng)速10 m/s，水深1.5 m的場(chǎng)合，經(jīng)計(jì)算推測(cè)氣泡的數(shù)量密度約為105個(gè)/m3。由海浪發(fā)生的氣泡數(shù)秒后浮上海面，氣泡的壽命，從發(fā)生到上升到海面破裂的時(shí)間約為3～4 s。如圖1中③所示，海水薄膜破裂時(shí)產(chǎn)生大量微小液滴排放到空氣當(dāng)中，圖2詳細(xì)描述了其產(chǎn)生方式。如圖所示，根據(jù)氣泡的破裂以兩種發(fā)生方式產(chǎn)生微液滴擴(kuò)散到大氣當(dāng)中。氣泡破裂分裂生成微液滴；氣泡破裂后產(chǎn)生集中的微水柱，水柱尖端生成并放出液滴。

圖1 海鹽粒子生成機(jī)構(gòu)

圖2 海面氣泡破裂產(chǎn)生的Film drop與Jet drop

2 大氣鹽霧含量影響因素

2.1 鹽離海距離影響

大氣中的鹽霧含量以及鹽霧沉降量與測(cè)量點(diǎn)距離海岸的遠(yuǎn)近有關(guān)，通常，其含量隨測(cè)量點(diǎn)離海岸距離變遠(yuǎn)而急劇下降，最后趨于穩(wěn)定。導(dǎo)致這一規(guī)律的原因可能是由于鹽霧在傳送過程中，鹽霧一直在沉降，故而離海岸越遠(yuǎn)含量相對(duì)越低[3,4]，具體原因可能是由海面向陸地傳播過程中部分由于重力的作用而沉降減少，有的被障礙物（山巖、樹木、房屋）阻擋被吸附或降落，有的與大氣其他污染物如灰塵吸附而沉降。中國(guó)電器院早年針對(duì)我國(guó)部分沿海地區(qū)空氣中鹽霧濃度進(jìn)行了多次測(cè)量，表明鹽霧濃度與離海岸距離有關(guān)，通過多次測(cè)試表明鹽霧濃度普遍保持在0.024～1.375 mg/m3范圍[4]。GB/T 4797.6國(guó)標(biāo)起草者對(duì)鹽霧沉降量分析發(fā)現(xiàn)，在內(nèi)陸大約80~1 600 km內(nèi)鹽霧沉降量隨離岸距離變大而減小，最終趨于穩(wěn)定，約0.35 mg/m2.d，沿海地區(qū)鹽霧沉降量可達(dá)122.8 mg/m2.d，而通常在沿海地區(qū)鹽霧沉降量一般為12.3~60 mg/m2.d[5]。離海岸距離鹽霧含量變化主要是離海距離越遠(yuǎn)，傳播過程中鹽霧損失越多的原因。

2.2 風(fēng)速、風(fēng)向影響

研究發(fā)現(xiàn)鹽霧含量受風(fēng)速和風(fēng)向影響較大，研究者發(fā)現(xiàn)大氣中的鹽霧含量依賴于風(fēng)向和風(fēng)速，宋金明等人研究了青島霧水中的鹽霧離子及其分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)大氣中鹽霧離子濃度與風(fēng)速呈正比關(guān)系，鹽霧離子遷移量與風(fēng)的動(dòng)能呈正比。鹽霧離子沉降量與風(fēng)向關(guān)系緊密，當(dāng)風(fēng)吹向岸邊（迎海風(fēng)）時(shí)，通常風(fēng)速增大鹽霧離子含量增加，風(fēng)吹向海面（背海風(fēng)）時(shí)，風(fēng)速增大鹽霧離子濃度也可能降低[1]。GB/T 4797.6-2013相關(guān)數(shù)據(jù)表明，南海無風(fēng)時(shí)，空氣含鹽量為1.0～1.65 mg/m3，風(fēng)力1～3級(jí)（1～5m/s）時(shí)，則達(dá)6.2 mg/m3。在南海3級(jí)風(fēng)（風(fēng)速3.4～5.4m/s）浪中航行的艦船甲板上，曾測(cè)得含鹽量99 mg/m3的紀(jì)錄，“極地”號(hào)科學(xué)考察船在南太平洋上4級(jí)風(fēng)（風(fēng)速5.5～7.9m/s）浪中測(cè)得含鹽量值達(dá)113 mg/m3。在離海岸較遠(yuǎn)的內(nèi)陸，通常空氣中含量在0.01 mg/m3以下，當(dāng)有10 m/s的5級(jí)風(fēng)時(shí)，可達(dá)到0.1～0.5 mg/m3；而在熱帶風(fēng)暴時(shí)，則可上升到30 mg/m3以上[5]。可能原因是由于風(fēng)力增加，浪花增多，使空氣中含鹽量也增大。

2.3 季節(jié)性影響

據(jù)研究季節(jié)變化大氣中鹽霧含量差異也會(huì)很大，主要是由于不同季節(jié)具有典型的環(huán)境特征，比如通常春季空氣濕潤(rùn)，夏季氣溫高濕度大，而多雨，秋季干爽，冬季寒冷干燥。且不同季節(jié)風(fēng)速、風(fēng)向變化較大，通常鹽霧沉降量或鹽霧含量夏季、秋季較高，而冬季、春季相對(duì)較低[6,7]。

2.4 其他因素影響

鹽霧含量與區(qū)域位置存在一定的關(guān)系，如GB/T 4797.6國(guó)標(biāo)起草者調(diào)研發(fā)現(xiàn)，1962-1965年間，我國(guó)東南海最大15 mg/m2.d，最小5~20 mg/m2.d，而同一時(shí)段，英國(guó)海濱記錄的鹽霧沉降量最大136 mg/m2.d，印度孟買和科欽，相應(yīng)分別為20和65 mg/m2.d[5]。有研究者海島與陸地離岸相同距離進(jìn)行鹽霧含量監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)海島鹽霧含量更高。區(qū)域位置影響可能是由于不同海域海水鹽含量高低差異，地貌狀態(tài)不同等因素[8]。

鹽霧含量還與氣溫相關(guān)，主要是由于溫度高，海水蒸發(fā)快，產(chǎn)生的鹽霧量多。鹽霧含量還與受環(huán)境因素影響，大氣溫濕度變化改變空氣中懸浮鹽霧顆粒的性狀[9]。鹽霧離子沉降速率與大氣溫度和相對(duì)濕度的相關(guān)性較差，鹽霧離子沉降速率隨大氣溫度和相對(duì)濕度的升高而增大，大氣中鹽霧離子含量隨季節(jié)的波動(dòng)很大，主要是由于高溫、高濕有利于鹽霧離子的擴(kuò)散作用[1]。同時(shí)與天氣有關(guān)，有霧、有雨?duì)顩r下空氣中海鹽粒子含量較高，主要是雨、霧等天氣濕度大，空氣中的懸浮海水微液滴與純水水滴不同，它具有同水滴鹽分濃度相對(duì)應(yīng)的含鹽液滴表面平衡水汽壓，即水蒸汽壓（相對(duì)濕度）與溶液濃度呈線性關(guān)系，當(dāng)周圍水汽壓低于海水滴上平衡汽壓相對(duì)濕度低于懸浮液滴表面相對(duì)濕度（RH: Relative Humidity）時(shí)，水滴就要蒸發(fā)并變小，而鹽分溶液鹽濃度變大。反之，則發(fā)生凝結(jié)，吸濕，液滴直徑變大，溶液濃度降低，飽和氯化鈉溶液的平衡相對(duì)濕度約為75 %RH。當(dāng)風(fēng)速一定時(shí)，空氣中的鹽分含量會(huì)隨濕度的增加而減少。干燥的空氣干燥濕度小時(shí)，環(huán)境有利于鹽霧水分蒸發(fā)成干鹽核，這有利于鹽分的海鹽粒子的長(zhǎng)距離傳播[10]。另外，鹽霧顆粒大小也是影響鹽霧沉降量的因素[3,11]。

3 鹽霧監(jiān)測(cè)方法

目前，大氣鹽霧含量監(jiān)測(cè)方法包括離線監(jiān)測(cè)和在線監(jiān)測(cè)兩種。常見的離線監(jiān)測(cè)方法主要將大氣樣本通過大氣采氣法、濕燭法、干片法等方法收集并進(jìn)一步處理，再利用分光光度設(shè)備、氯離子選擇性電極等方法進(jìn)行分析，再結(jié)合實(shí)際環(huán)境采樣的其他參數(shù)進(jìn)行換算，從而的到大氣鹽霧含量的方法。這些方法較為普遍，成本低、操作簡(jiǎn)單，且技術(shù)成熟，是當(dāng)前大氣鹽霧含量的主要監(jiān)測(cè)手段[1]。但這些方法也存在一定的缺點(diǎn)，比如由于監(jiān)測(cè)環(huán)境瞬息萬變，時(shí)刻采樣耗費(fèi)較大人力、物力，難以實(shí)現(xiàn)，而間歇性采樣通常以一段時(shí)間的平均值表征大氣鹽霧含量，代表性較差。因此，鹽霧在線監(jiān)測(cè)成為當(dāng)前熱點(diǎn)，如科思特根據(jù)氯離子溶于水中可增大液體導(dǎo)電率這一原理，開發(fā)出CST1604 鹽霧濃度監(jiān)測(cè)儀，通過監(jiān)測(cè)阻抗變化來監(jiān)測(cè)空氣中的鹽霧含量。該方法設(shè)備簡(jiǎn)單，設(shè)備高靈敏度，但其他可溶性污染物對(duì)數(shù)據(jù)影響較大。美國(guó) URG 公司將大氣采樣設(shè)備結(jié)合離子色譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研制出高精度鹽霧在線檢測(cè)設(shè)備，并得到應(yīng)用[12,13]，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)高精度鹽霧在線監(jiān)測(cè)，但產(chǎn)品成本高，設(shè)備體積大，操作專業(yè)性強(qiáng)，不利于大規(guī)模應(yīng)用。中國(guó)電器院利用大氣采樣結(jié)合紫外分光光度設(shè)備開發(fā)出一套高精鹽霧在線監(jiān)測(cè)設(shè)備[14]，該產(chǎn)品測(cè)試精度高，操作簡(jiǎn)單，且成本相對(duì)低廉，但是設(shè)備體積略大，不便于攜帶與移動(dòng)。因此，小巧、輕便、高精的鹽霧在線監(jiān)測(cè)方法是當(dāng)下產(chǎn)品需重點(diǎn)考慮因素。

4 大氣鹽霧含量控制與分級(jí)

鹽霧含量控制目前主要方法包括分離除鹽霧技術(shù)、電除鹽霧技術(shù)以及過濾除鹽霧技術(shù)。

分離除鹽霧技術(shù)主要是利用自沉降、噴淋技術(shù)、離心分離等方式，使得環(huán)境中鹽霧快速沉降，從而達(dá)到環(huán)境鹽霧控制的目的，但是分離除鹽霧技術(shù)存在一些缺陷，比如離心分離、自沉降等技術(shù)為主的去除方式僅對(duì)顆粒較大鹽霧具有較好的去除作用，因此鹽霧去除效率較低，且沉降的鹽霧粒子易受環(huán)境影響，如當(dāng)環(huán)境溫度升高，沉降下來的鹽霧粒子又會(huì)隨水分子揮發(fā)重新進(jìn)入氣流中，造成除鹽霧不穩(wěn)定現(xiàn)象。而以噴淋為主的鹽霧控制方法對(duì)于顆粒物大小無選擇性，且去除效率高，但該方法使得環(huán)境濕度增加，不利于設(shè)備防腐防護(hù)，另外，水分蒸發(fā)可能使鹽霧重新回到環(huán)境中[15]。電除鹽霧技術(shù)主要是利用靜電吸附效應(yīng)，使得環(huán)境中的鹽霧被吸附或聚集沉降，該方法除鹽霧效率高，除鹽霧效率幾乎與粒徑大小無關(guān)，性能穩(wěn)定，但是該方法涉及的設(shè)備一般大而復(fù)雜，且設(shè)備投資成本、運(yùn)行費(fèi)用高，使其應(yīng)用受到了限制[16]。過濾除鹽霧技術(shù)主要是利用無紡布過濾棉、纖維過濾棉、活性炭過濾棉等為過濾芯的一種物理攔截或吸附形式的除鹽霧技術(shù)。該方法設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行費(fèi)用較低，但過濾器模組維護(hù)頻率較高，且對(duì)微小顆粒鹽霧攔截不理想，陳川等人[17]根據(jù)這一問題，開發(fā)出一種長(zhǎng)效免維護(hù)的新型鹽霧過濾設(shè)備，該設(shè)備增加了一層長(zhǎng)效免維護(hù)化學(xué)過濾模塊，該層不僅可溶解鹽霧粒子，還可以其他可溶性污染物，過濾效率更高，且對(duì)鹽霧顆粒大小無選擇性，是一種經(jīng)濟(jì)、高效的除鹽霧技術(shù)。

選擇合適的除鹽霧技術(shù)，需配合鹽霧含量分級(jí)對(duì)環(huán)境進(jìn)行控制，分級(jí)如表1所示[18]。

表1 鹽霧含量分級(jí)

5 結(jié)束語

大氣鹽霧主要是海水中的氣泡在海面破裂時(shí)產(chǎn)生的微小液滴，其含量受離海岸距離、風(fēng)速、風(fēng)向、季節(jié)、環(huán)境溫濕度等因素影響較大。目前，大氣鹽霧監(jiān)測(cè)方法包括離線和在線鹽霧監(jiān)測(cè)兩種方法，鹽霧在線方法由于其可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境鹽霧含量，為當(dāng)前研究熱點(diǎn)。對(duì)于大氣鹽霧含量的控制目前主要包括分離除鹽霧技術(shù)、電除鹽霧技術(shù)以及過濾除鹽霧技術(shù)三種方法，其中，分離除鹽霧技術(shù)存在一些缺陷，比如以離心分離、自沉降為主的分離除鹽霧技術(shù)鹽霧去除效率較低，且除鹽霧效果不穩(wěn)定，而以噴淋為主的鹽霧控制方法對(duì)于顆粒物大小無選擇性，且去除效率高，但該方法使得環(huán)境濕度增加，不利于設(shè)備防腐防護(hù)。電除鹽霧技術(shù)除鹽霧效率高，但是該方法涉及的設(shè)備一般大而復(fù)雜，且設(shè)備投資成本、運(yùn)行費(fèi)用高。過濾除鹽霧技術(shù)中的新型過濾除鹽霧具有經(jīng)濟(jì)、高效的優(yōu)點(diǎn)，是一種經(jīng)濟(jì)、高效的除鹽霧技術(shù)，配合環(huán)境等級(jí)分析，結(jié)合產(chǎn)品實(shí)際使用環(huán)境，對(duì)環(huán)境進(jìn)行控制。