不同種類顆粒物對切割器性能評價的影響研究

劉佳琪，張國城，吳 丹，沈上圯，荊文杰，趙曉寧

(北京市計量檢測科學研究院，北京 100029)

0 引 言

細顆粒物（PM2.5）是指空氣動力學當量直徑不超過2.5 μm的顆粒物，此類顆粒物可由呼吸直接進入人體，并且滯留在肺泡中，可能引起一系列疾病，危害人們的身體健康[1-2]。這類細顆粒物可混合在空氣中，形成氣溶膠，由于具有較大的比表面積，可為各種細菌、病毒進入人體提供可乘之機。PM2.5濃度的監測一直都是環境檢測領域的一項重要工作，有許多研究人員開展了關于該方面的研究[3-4]。

目前市面上常見的顆粒物濃度測量儀器通常由采樣單元、分析單元等部分組成，采樣單元中的切割器可按粒徑大小不同實現顆粒物的篩分，是起到顆粒物分級作用的重要部件。如PM2.5切割器，根據國家標準HJ 93—2013[5]，這種切割器的50%捕集效率對應的空氣動力學當量直徑值應滿足（2.5±0.2）μm的分布范圍，捕集效率曲線的幾何標準偏差應不超過1.2±0.1。已有科研人員針對不同類型的切割器（旋風式、撞擊式、虛擬式等）展開了研究[6-7]，使用不同的方法如分流法、靜態箱法等對各種切割器的性能進行了評價[8-9]。還有針對切割器在粉塵環境中進行長期加載后的性能變化研究[10-11]，及切割器內部壓力變化對其性能的影響[12-13]。

根據標準HJ 93—2013，評價PM2.5切割器需要用到8種不同粒徑范圍的單分散顆粒物，分別測得8種粒徑對應的捕集效率后，結合線性回歸方程對捕集效率曲線進行擬合，從而獲取Da16、Da50及Da84，即捕集效率為16%、50%和84%時對應的空氣動力學當量直徑值。常見的單分散顆粒物選用聚苯乙烯微球標準物質，這種微球都經過了電鏡觀測定值及空氣動力學定值，可得知每種微球的確切粒徑范圍。亞利桑那試驗粉塵(Arizona Test Dust)是一種常見的氣溶膠環境模擬樣本，這種塵的性質與自然環境中的粉塵更加接近，所以探究切割器在這種粉塵環境中表現出的性能是很有必要的。根據ISO 12103—1中的規定[14]，這種多分散粉塵根據粒徑范圍不同，可分為A1～A4四種粗細等級，其中，A1超細試驗粉塵的空氣動力學當量直徑范圍為0～10 μm。由于亞利桑那塵顆粒物的形狀并不規則，且密度與聚苯乙烯也不相同，如果使用亞利桑那塵及聚苯乙烯微球分別測量切割器的捕集效率，其結果應該會存在一定的差異，但目前并未見到針對使用這兩種顆粒物對同一個切割器進行評價的研究。

為了探究評價過程中的顆粒物種類對切割器呈現出的性能指標有何影響，搭建了一套基于擴散腔的切割器捕集效率評價系統，通過霧化器形成濃度穩定的氣溶膠環境，并采用空氣動力學粒徑譜儀分別測量切割器上、下游顆粒物數量濃度，計算出切割器的捕集效率、Da50及幾何標準偏差。本文使用亞利桑那A1塵及8種粒徑的單分散聚苯乙烯微球標準物質分別評價了國產及進口的PM2.5切割器，對比了不同種類顆粒物的評價結果，并根據測量原理分析了出現此現象的原因。

1 評價系統搭建

為了得到濃度穩定的氣溶膠環境，并且實現切割器上、下游的顆粒物數量濃度測量，搭建了如圖1所示的評價系統。此系統主要包括四個部分：霧化發塵、混勻艙、測量艙及空氣動力學粒徑譜儀。其中混勻艙是直徑0.8 m的圓筒結構，測量艙是長1 m左右的立方體箱體結構，兩部分相互連通，測量艙內可安裝切割器及參比管路。為了測量切割器在不同當量粒徑時的捕集效率，需要分別測量未經切割器的顆粒物數量濃度（上游）及經過切割器后的顆粒物數量濃度（下游）。本系統可實現測量艙內顆粒物濃度的實時觀測與閉環控制，使用光散射粉塵儀測量的艙內粉塵濃度作為反饋，應用PID技術調節霧化瓶的發塵流量，從而使艙內濃度達到設定的目標濃度值。

圖1 評價系統結構組成

測量艙內的空氣流動情況可以根據艙內當量直徑d、氣流速度v、密度ρ及粘滯系數μ等參數獲取，從而從理論角度評估艙內顆粒物混合均勻的可能性。測量艙內的雷諾數可按照以下公式進行計算：

本研究評價的切割器采樣流量為16.67 L/min，由于下方的粒徑譜儀采樣流量為5 L/min，為滿足切割器的采樣流量，在粒徑譜儀采樣口上方設置流量控制器及抽氣泵，通過抽出一定量的氣體，使切割器上、下游評價過程中的流量均保持為其工作點流量。

通過使用熱式風速儀（TSI，Air Pro AP500，美國）在常溫下對測量艙內的氣流進行測量，得到平均氣流速度v為0.03 m/s，在本研究的實驗條件下，空氣密度 ρ是 1.205 kg/m3，粘滯系數μ是 1.81×10–5Pa·s，艙內當量直徑d是 0.8 m，由公式（1）可計算出測量艙內的雷諾數Re約為1598。根據流體動力學[15]，雷諾數小于2000的流體可視為層流，故本系統測量艙內的氣流是層流狀態，即混勻在其中的顆粒物僅受到自身重力，其運動過程無氣流擾動的影響，顆粒物與空氣可達到較好的均勻性。

在霧化器中加入待發塵的顆粒物懸浮液，并通入一定流量的潔凈氣體，即可將溶液霧化；再經過另一路潔凈氣體對氣溶膠進行稀釋、干燥，即可形成氣溶膠。氣溶膠在混勻艙內緩慢下降，逐漸與空氣混合均勻，隨后到達測量艙。切割器安裝在測量艙內，與其相對比的是未安裝切割器的參比管路，兩路分別由兩個電動控制閥控制，最終連通至空氣動力學粒徑譜儀。在測量過程中，由粒徑譜儀依次測量測量艙內未經切割器的樣本數量濃度c1及經過切割器后的樣本數量濃度c2，在各粒徑下分別計算二者比值，即可得出切割器的捕集效率。由各粒徑點的捕集效率可擬合得出捕集效率曲線，再通過曲線可獲取Da16/Da50及Da50/Da84的值。

2 結果與討論

2.1 顆粒物形狀觀測及粒徑分布表征

亞利桑那試驗粉塵的主要成分為SiO2，是密度為2.7～2.9 g/cm3的多分散不規則顆粒物；所用的聚苯乙烯微球是密度為1.05 g/cm3的形狀規則的單分散球體顆粒物。為對比多分散A1超細試驗粉塵及單分散聚苯乙烯微球的形狀，使用掃描電子顯微鏡（SEM）分別對這兩種顆粒物進行了掃描，圖2（a）是A1超細試驗粉塵的SEM掃描圖像。為了更清晰地獲取A1超細試驗粉塵的粒徑分布，又使用馬爾文粒徑譜儀對其進行了分析，圖2（b）是其粒徑譜圖。可以看出A1超細試驗粉塵的形狀不規則，粒徑分布不均勻；其粒徑譜圖顯示中值粒徑為4.67 μm，且分布范圍較寬，印證了其多分散的特性。

圖2 A1超細試驗粉塵的SEM圖像及粒徑譜圖（d(0.5)=4.670 μm）

圖3是聚苯乙烯微球的SEM圖像及馬爾文粒徑譜儀測量出的粒徑譜圖，此處選取了8種粒徑中的一種微球進行代表，其標準物質編號為GBW13647。由該微球的SEM圖像可以看出，顆粒呈現規則的球形；由粒徑譜圖可以得知其中值粒徑為2.91 μm，粒徑分布較窄，符合其單分散的特性。

圖3 編號為GBW13647的聚苯乙烯微球標準物質的SEM圖像及粒徑譜圖（d(0.5)=2.910 μm）

2.2 PM2.5切割器評價結果對比

為了探究不同種類的顆粒物對切割器性能評價結果的差異，使用前文描述的評價系統，采用A1超細試驗粉塵及不同粒徑的聚苯乙烯微球分別對進口（美國，型號 VSCC）及國產（型號 VSCC-100）的PM2.5切割器進行了評價，評價結果如圖4所示，擬合得到捕集效率曲線。表1是實驗得到的Da50和幾何標準偏差。可以看出，使用A1粉塵測得的Da50略小于使用微球測得的值。對比使用微球測得的捕集效率曲線，使用A1超細試驗粉塵測得的幾何標準偏差也存在0.8%～6.3%范圍內的偏差，且國產的切割器差異比進口的切割器更加明顯。

圖4 進口及國產PM2.5切割器捕集效率曲線對比

表1 PM2.5切割器評價結果

2.3 PM1切割器評價結果對比

為了進一步探究A1超細試驗粉塵及單分散聚苯乙烯微球對切割器評價結果的影響，本研究使用這兩種顆粒物對PM1切割器（美國，型號VSCC）進行了評價，使用的8種單分散聚苯乙烯微球粒徑分布范圍為0.6～1.7 μm。按照前文所述的實驗步驟，分別在兩種顆粒物環境下獲取了同一個PM1切割器的捕集效率曲線，如圖5所示。根據捕集效率曲線獲取的Da50和幾何標準偏差如表2所示。

圖5 進口（型號VSCC）PM1切割器的捕集效率曲線

表2 PM1切割器評價結果

2.4 造成評價結果差異的原因

觀察兩種顆粒物評價結果的差異，考慮是由于A1超細試驗粉塵的顆粒形狀不規則、尺寸為多分散分布，與聚苯乙烯微球的規則球形、單分散粒徑分布有很大區別，同時這兩種材質的密度也不一致，這些因素共同導致了空氣動力學粒徑譜儀對二者的粒徑識別存在差異。相比來說，聚苯乙烯微球的密度比A1超細試驗粉塵更接近于單位密度1 g/cm3，且本研究選用的標準微球形狀規則，單分散性好，粒徑譜儀對其空氣動力學當量直徑的識別準確性高。

標準微球的空氣動力學當量直徑是采用可溯源至國家長度基準的絕對測量法（顯微鏡觀測及圖像分析）和經典空氣動力學當量直徑測量法定值的，通過使用符合計量學特性的測量方法可保證粒徑量值的可溯源性。使用經過定值的聚苯乙烯標準微球進行切割器的捕集效率測量，可根據微球的準確定值粒徑繪制捕集效率曲線，最終計算出50%切割粒徑（Da50）及幾何標準偏差（Da16/Da50、Da50/Da84）。

使用A1超細試驗粉塵評價切割器的捕集效率時，雖然可以一次性測得全部粒徑范圍內的捕集效率值，但各捕集效率對應的空氣動力學當量直徑依賴于空氣動力學粒徑譜儀的通道識別。由于粒徑譜儀對粒徑的識別是按照分布范圍劃分至不同通道的，各通道顯示一定粒徑范圍內的顆粒物數量濃度，此粒徑值并非單一確切數值。為了盡可能減小粒徑選擇帶來的誤差，本研究使用各通道的中間粒徑值及該通道對應的捕集效率用于數據分析。由此可知，在使用A1超細試驗粉塵的測量結果繪制捕集效率曲線時，粒徑的選擇可能存在偏差，從而導致測得的50%切割粒徑及幾何標準偏差與聚苯乙烯標準微球測得的結果存在差異。因此，從量值溯源及準確性的角度考慮，應該選用準確定值的聚苯乙烯標準微球進行切割器的評價，即依據HJ 93—2013標準的方法作為標準評價方法。

3 結束語

為了探究不同材質的顆粒物在評價PM2.5切割器捕集效率過程中對結果的影響，本文選用A1超細試驗粉塵（多分散）及HJ 93—2013標準中規定的8種粒徑的單分散聚苯乙烯標準微球分別評價了進口（型號VSCC）及國產（型號VSCC-100）的PM2.5切割器，以及進口（型號VSCC）PM1切割器。對比結果發現使用這兩種不同材質的顆粒物評價切割器得到的切割器性能指標是有差異的。使用A1超細試驗粉塵對切割器進行評價時，得到PM2.5及PM1切割器Da50均略小于使用微球測得的值。以微球測得的捕集效率曲線為準，使用A1超細試驗粉塵測得的PM2.5切割器的幾何標準偏差較前者存在0.8%～6.3%的差異，且國產的切割器差異比進口的切割器更加明顯；PM1切割器的幾何標準偏差存在2.5%～6.6%的差異。因此，多分散粒子可以用于切割器切割曲線的快速估測，但不能作為標準方法替代HJ 93—2013中的單分散聚苯乙烯小球，用于切割器切割效率的準確評價。多分散粒子的粒徑高度依賴于動力學粒徑譜儀的粒徑通道數量和粒徑識別誤差，而單分散粒子粒徑可通過掃描電鏡實現量值溯源，準確度更高。本研究可為切割器性能評價過程中的顆粒物選擇提供科學依據。