PM<sub>1</sub>切割器性能测试系统的搭建与应用
  环境科学学报  2018, Vol. 38 Issue (5): 1797-1803
PM1切割器性能测试系统的搭建与应用    [PDF全文]
阮兵 , 李兴华 , 谢岩 , 王威 , 李垚     
北京航空航天大学空间与环境学院, 北京 100191
摘要: 为对PM1切割器的性能进行准确评估,本文设计搭建了两套PM1切割器性能测试系统.结果发现,多分散气溶胶测试系统发生的气溶胶稳定、均匀,符合对数正态分布;单分散气溶胶测试系统发生的气溶胶稳定,单分散性良好.采用上述两套系统对5种PM1旋风切割器进行了性能评价,结果表明,两套系统测试结果基本一致,5种旋风切割器的切割粒径D50均在(1.0±0.1)μm之间,sharp-cut和Stairmand两类结构设计的切割器几何标准偏差σg分别在1.2±0.1和1.4±0.1之间.
关键词: PM1     切割器     性能测试系统     切割粒径     几何标准偏差    
Design and application of performance evaluation system for PM1 size selectors
RUAN Bing, LI Xinghua , XIE Yan, WANG Wei, LI Yao    
School of Space & Environment, Beihang University, Beijing 100191
Received 24 October 2017; received in revised from 27 November 2017; accepted 10 December 2017
Supported by the Program of Beijing Municipal Science & Technology Commission(No.Z161100000716004), the National Natural Science Foundation of China(No.41575119, 41775121) and the National Key Research and Development Program of China (No.2017YFC0211404)
Biography: RUAN Bing (1993—), male, E-mail: ruanbingwdl@buaa.edu.cn
*Corresponding author: LI Xinghua, E-mail:lixinghua@buaa.edu.cn
Abstract: In order to assess performance of PM1 size selectors, two measurement system were designed and evaluated. Polydisperse aerosol measurement system generated stable aerosols and the aerosols in the chamber were in good spatial uniformity. The aerosol generated showed a lognormal distribution. Monodisperse aerosol measurement system generated stable aerosols with excellent monodispersion. The performances of five types of PM1 cyclone were evaluated by the two systems. The results from two system were consistent with each other. Cutting diameter (D50) of five types of PM1 cyclone were (1.0±0.1) μm. Geometric standard deviation (σg) of two groups of the cyclone (sharp-cut and Stairmand) were 1.2±0.1 and 1.4±0.1, respectively.
Key words: PM1     size selectors     performance measurement system     cutting diameter     geometric standard deviation    
1 引言(Introduction)

流行病学研究表明,大气颗粒物浓度的短期增加与呼吸系统疾病发病率有密切的关系(Pope, 2000),而颗粒物的粒径是影响人体健康的一个重要参数,细粒子尤其是亚微细粒子(空气动力学直径≤1 μm的颗粒物,PM1)比粗粒子呈现出更高的健康风险(Oberdörster et al., 2005).由于PM1颗粒物粒径较小、比表面积大,更容易富集有毒有害物质,更容易沉积在呼吸道的支气管和肺泡区域,进而诱导肺部细胞的炎症反应(Mazzarella et al., 2014Filep et al., 2016Zwozdziak et al., 2016Esposito et al., 2012).

国内外学者近年来逐步开展了大气PM1的观测研究(Galinado et al., 2016Qiao et al., 2016Kunwar et al., 2016Lin et al., 2004Tang et al., 2016).例如,李佳琦等(2015)对北京道路交通环境PM1的质量浓度、元素组成及主要来源进行了分析;我国广州、西安大气PM1年平均浓度分别为(52.4±27.3) μg·m-3、(127±62.1) μg·m-3(Tao et al., 2012; Shen et al., 2010).大气PM1的主要来源包括生物质燃烧、机动车排放、燃煤和二次过程等,且观测实验表明,我国大气的PM1在PM2.5中占有很大的比重,在60%~90%之间(Qiao et al., 2016Wang et al., 2015常清等,2015Zhang et al., 2015Li et al., 2015).

在进行大气PM1采样时,需要相应的PM1采样器,而切割器是关键部件,其性能直接影响到采样结果.在上述研究中,人们主要采用BGI公司和URG公司生产的PM1切割器.目前,PM1切割器缺少相应的技术规范,例如,对其切割粒径D50及捕集效率曲线的几何标准偏差σg的规定,导致对PM1切割器的性能不能进行准确的评估,进而影响了PM1采样结果的可靠性和可比性.因此,有必要建立PM1切割器性能测试系统,对现有的PM1切割器进行准确评估.

目前,国内外对于PM2.5及PM10采样器已有较完善的测试方法,主要可分为多分散气溶胶测试和单分散气溶胶测试.Kenny等(2000)用旋转电刷发生多分散的玻璃小球到混合腔室,再采用空气动力学粒径谱仪测量PM2.5旋风切割器进出口的颗粒物浓度,从而得到捕集效率曲线.陈小彤等(2016)设计了一套多分散气溶胶测量仪器标定系统,采用雾化喷头发生蔗糖溶液,雾化干燥后形成固体颗粒物,并用空气动力学粒径谱仪测量PM10/PM2.5双级虚拟撞击器进出口的颗粒物浓度.John等(2003)采用聚苯乙烯小球发生稳定的单分散气溶胶,并采用光学粒子计数器测量PM10/PM2.5多级撞击式采样器进出口的气溶胶浓度.此外,蒋靖坤等(2014)采用振动孔气溶胶发生器发生荧光素胺单分散粒子,洗脱采样膜上及采样器内表面的颗粒物后,测量荧光素胺含量,从而得出PM10/PM2.5双级虚拟撞击采样器的捕集效率;胡国华等(2009)也采用该方法对WY型粒分级仪进行了测试.

对于PM1切割器的性能测试,目前仅发现Gussman等(2002)开展了相关研究,其采用旋转电刷发生多分散的玻璃小球,对一种PM1旋风切割器进行了测试,获得切割器的穿透曲线.

综合参考以上的测试方法,本研究搭建了两套适用于PM1切割器性能测试系统,即多分散气溶胶测试系统和单分散气溶胶测试系统,并采用上述系统对5种PM1旋风切割器进行性能测试.

2 多分散气溶胶测试系统(Polydisperse aerosol measurement system) 2.1 测试系统的组成

设计搭建了一套多分散气溶胶测试系统(图 1),该系统主要由雾化气溶胶发生装置、干燥稀释腔室、洁净稀释空气系统和气溶胶颗粒物测量装置组成(陈小彤等,2016).工作流程为:首先,精密注射泵(美国Sono-Tek公司)注射一定速率、一定浓度的溶液,再由宽频发生器(美国Sono-Tek公司,频率范围20~80 kHz,输出功率20 W)提供超声波能量给超声雾化喷头(美国Sono-Tek公司),从而使溶液雾化喷出,形成雾化的颗粒物;然后进入由有机玻璃制成的干燥稀释腔室内进行蒸发、干燥,形成稳定的气溶胶;为避免流动死角,采用圆筒形结构;空压机和空气净化组件(日本CKD公司)提供洁净稀释空气(约200 L),多路对称通入到干燥稀释腔室顶部,通过布气板上多条环形均匀布置的若干小孔高速喷入干燥稀释腔室内,增强混合程度,停留时间为75 s,提高干燥效果.将空气动力学粒径谱仪(APS,model 3321,TSI公司)置于干燥稀释腔室底部,对腔室内的气溶胶进行实时在线测量.

图 1 多分散气溶胶测试系统示意图 Fig. 1 Schematic of polydisperse aerosol measurement system
2.2 测试系统的评价

从产生气溶胶的粒径分布、稳定性及气溶胶在干燥稀释腔室下部垂直方向和水平方向的均匀性这几个方面来对该系统进行性能评价.

2.2.1 气溶胶的粒径分布

实验中采用无毒无害的氯化钠溶液为气溶胶源,配置浓度为0.01 g·L-1,定容备用.通过上述系统发生的气溶胶粒径分布如图 2所示,其峰值粒径为1 μm.采用对数正态曲线拟合后,得到的R2为0.9978,表明该系统发生的气溶胶服从对数正态分布.

图 2 多分散气溶胶测试系统发生的气溶胶的粒径分布 Fig. 2 Size distribution of the aerosol generated by polydisperse aerosol measurement system
2.2.2 气溶胶的稳定性

采用上述浓度的氯化钠溶液发生的气溶胶的数浓度随时间的变化如图 3所示,在实验的前5 min,腔室中的气溶胶数浓度处于上升阶段;5 min后,系统发生的气溶胶已经趋于稳定.稳定阶段腔室内的气溶胶总浓度随时间变化的相对误差低于8%;且在PM1切割器性能测试所需粒径范围内(0.583~1.843 μm)的颗粒物,各粒径段浓度的相对误差均低于10%,说明该系统能提供粒径分布稳定的气溶胶.

图 3 多分散气溶胶测试系统发生的气溶胶的稳定性 Fig. 3 Stability of the aerosol generated by polydisperse aerosol measurement system
2.1.3 系统气溶胶的均匀性

在腔室中心位置对不同高度的测试点进行气溶胶浓度测量,结果见图 4a.由图可知,5个高度的颗粒物浓度在PM1切割器性能测试所需粒径范围内(0.583~1.843 μm)的相对误差均低于10%,说明该系统能在离腔室底部20~100 cm的垂直范围内提供稳定均匀的气溶胶.

图 4 多分散气溶胶测试系统发生的气溶胶在垂直方向(a)和水平方向(b)均匀性 Fig. 4 Uniformity in vertical (a) and horizontal (b) directions of the aerosol generated by polydisperse aerosol measurement system

对腔室中水平面处的气溶胶浓度进行测量,结果见图 4b.在距离腔室底部40 cm、位于离圆心12.5 cm处及圆心处设置5个采样点.5个采样点的颗粒物浓度在PM1切割器性能测试所需粒径范围内(0.583~1.843 μm)内的相对误差均低于10%,说明该系统能在水平空间上提供稳定均匀的气溶胶.

2.3 测试过程

采用上述多分散测试系统对5种切割器(BGI公司、URG公司、北航设计1(BH1)、北航设计2(BH2)和国内厂家设计(GN))进行性能测试,气路连接如图 5所示.5种切割器均为旋风分离式;工作流量为16.7 L·min-1时,5种切割器的设计切割粒径均为1.0 μm.其中,BH1、BH2切割器分别参考sharp-cut结构(Kenny et al., 2000)和Stairmand结构(Moore et al., 1993)进行设计.

图 5 多分散气溶胶测试系统的气路连接 Fig. 5 Gas path connection of polydisperse aerosol measurement system

将PM1旋风切割器与导电硅胶管的进气口固定于铁架台同一高度上,并放置于干燥稀释腔室中央,连接如图 5所示气路.在测试切割器前,向干燥稀释腔室中通入洁净空气,待腔室中颗粒物的浓度降为0后,启动精密注射泵发生雾化的气溶胶;待气溶胶稳定后,通过切换三通阀,APS分别测定切割器进出口颗粒物的粒径分布.对于空气动力学粒径为Di的颗粒物,测得在该粒径下切割器入口和出口的数浓度分别为C1iC2i,则在该粒径下切割器对颗粒物的捕集效率ηi的计算如式(1)所示.对每种旋风切割器重复进行3次实验,求平均值,从而得到其捕集效率曲线.

(1)
3 单分散气溶胶测试系统(Monodisperse aerosol measurement system)

采用单分散气溶胶发生系统对PM1切割器进行标定,至少需要在0.6~1.6 μm粒径范围发生6种粒径的稳定的单分散气溶胶粒子.振动孔单分散气溶胶发生器(VOAG,model 3450,TSI公司)可发生1 μm以上的单分散颗粒物.本研究采用VOAG发生1.2、1.4和1.6 μm的单分散荧光素铵颗粒物,对PM1切割器进行性能测试.实验装置如图 6a所示,用两路滤膜同时采集切割器进出口颗粒物;固定VOAG振动频率,通过调节荧光素铵溶液的浓度,来获得不同粒径大小的单分散颗粒;采样前后,通过APS来确定VOAG发生的颗粒物粒径大小.采样结束后,利用高纯水将旋风切割器内壁灰斗及两路滤膜上的荧光素铵颗粒物洗脱到不同烧杯,定容后采用荧光分光光度计测定荧光素铵的含量(蒋靖坤等,2014).对于空气动力学粒径为Di的颗粒物,测得在该粒径下切割器入口和出口及内壁灰斗的荧光素铵的含量分别为m1im2imci,则在该粒径下切割器对颗粒物的捕集效率ηi的计算公式为:

图 6 单分散气溶胶测试系统示意图(a.配VOAG系统, b.配雾化气溶胶发生器系统) Fig. 6 Schematic of monodisperse aerosol measurement system
(2)

对于1 μm以下的单分散气溶胶,采用雾化气溶胶发生器(Atomizer,model 3076,TSI公司)发生0.6、0.8和1 μm 3种粒径的聚苯乙烯标准粒子(PSL, Thermo Scientific).实验装置如图 6b所示,在空压机和空气过滤组件提供洁净压缩空气的作用下,雾化气溶胶发生器中的PSL小球溶液雾化喷出,经过硅胶扩散管干燥后形成单分散固态颗粒物,通入缓冲罐后由APS分别测量PM1切割器进出口颗粒物浓度.通过公式(1)即可得到PM1切割器在3种粒径下的捕集效率.

由上述两部分组成了单分散气溶胶测试系统,VOGA发生的单分散气溶胶的几何标准偏差小于1.10,雾化气溶胶发生器产生的单分散气溶胶的几何标准差小于1.08,两部分发生的单分散气溶胶浓度变化相对偏差均小于5%;实现在0.6~1.6 μm粒径范围发生6种粒径的稳定的单分散气溶胶粒子.

4 PM1旋风切割器测试结果(Test results of PM1 cyclones) 4.1 PM1旋风切割器的捕集效率曲线

通过上述两套测试系统,对BGI、URG、BH1、BH2和GN这5种PM1旋风切割器进行性能测试,得到的捕集效率数据如图 7所示.对数据采用Boltzmann-S型函数进行曲线拟合(Philip et al., 2004),方程如下:

图 7 5种切割器的捕集效率(a.BGI,b. URG,c.BH1,d.BH2,e.GN) Fig. 7 Collection efficiencies of five cyclones
(3)

式中,η(Di)表示空气动力学粒径为Di的颗粒物所对应的捕集效率;A1A2分别表示上限值和下限值,分别取0和100;D0表示中值空气动力学粒径;w表示拟合宽度.

多分散气溶胶测试数据拟合曲线的R2在0.98以上,单分散气溶胶测试数据拟合曲线的R2在0.95以上.两种测试系统得到的捕集效率曲线基本一致,仅在上、下末端区域重合度不好,可能由以下原因造成:在下末端区域处于APS测试粒径下限(即0.7 μm以下),误差较大;发生的多分散气溶胶呈正态分布,在上、下末端区域颗粒物浓度低,APS测量误差大;在上末端区域捕集的荧光素铵颗粒量少,洗脱不完全及测量误差大.

4.2 PM1旋风切割器的性能参数

参考国内外的文献,采用切割粒径D50(切割器捕集效率为50%时对应的空气动力学粒径)和几何标准偏差σg这两个指标来评价PM1旋风切割器的性能.根据PM2.5和PM10采样器技术要求(环境保护部,2013),几何标准偏差σg计算公式如式(4)所示.另外,还采用捕集效率曲线的锐度值(S)来评价切割器的性能,其计算公式如式(5)所示(Pholip et al., 2004).

(4)
(5)

式中,D16D84分别表示切割器捕集效率为16%、84%时对应的空气动力学粒径.

根据拟合的捕集效率曲线和以上计算公式,可得出5种旋风切割器性能参数,如表 1所示.经调研分析,上述5种旋风切割器可分为两类结构:BGI、BH1和GN采用sharp-cut结构(Kenny et al., 2000),URG和BH2采用Stairmand结构(Moore et al., 1993).由捕集效率曲线也可看出,sharp-cut结构的曲线比Stairmand结构的曲线更为陡峭.

表 1 5种旋风切割器的性能参数 Table 1 Performance parameter of five cyclones

对于切割粒径D50,5种旋风切割器的D50均在(1.0±0.1) μm,单分散测试和多分散测试结果基本接近,相对误差不超过8%.对于几何标准偏差σg和锐度值(S),sharp-cut结构切割器的σgS值比Stairmand结构切割器的小.采用sharp-cut结构的3号和5号PM1旋风切割器的σgS值基本在(1.2±0.1)之间,采用Stairmand结构的4号PM1旋风切割器的σgS值基本在(1.4±0.1)之间,且多分散测试和单分散测试结果基本接近,相对误差不超过7%.而由于对D16D84的拟合误差较大,1号和2号切割器的部分σg并不在以上范围中.此外,Gussman等(2002)对sharp-cut结构的PM1旋风切割器测试得到的D50=1.0 μm,S=1.17,本文测试结果与其接近.

5 结论(Conclusions)

1) 搭建了一套多分散气溶胶测试系统,主要包括雾化气溶胶发生装置、干燥稀释腔室、洁净稀释空气系统和气溶胶颗粒物测量装置,其发生的气溶胶服从对数正态分布,在稀释腔室中下部分布均匀,且气溶胶浓度波动低于10%.

2) 搭建了一套单分散气溶胶测试系统,采用VOGA发生1 μm以上单分散的荧光素铵颗粒物,采用恒流雾化器发生1 μm以下的PSL标准粒子,结果发现,VOGA发生的单分散气溶胶的几何标准偏差小于1.10,恒流雾化器发生的单分散气溶胶的几何标准差小于1.08,且气溶胶浓度波动小于5%.

3) 利用上述两套系统对5种PM1旋风切割器进行了性能测试,两种系统得到的测试结果基本一致;测试结果显示,5种旋风切割器的切割粒径D50均在(1.0±0.1) μm之间,sharp-cut和Stairmand两类结构设计的切割器几何标准偏差σg分别在1.2±0.1和1.4±0.1之间.

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