1 前言

气溶胶的采样监测对作业人员的吸入危害评价是卫生防护领域的重要课题之一。在采样监测中如不区分气溶胶粒子粒径, 仅给出总尘浓度指标, 进行卫生学评价, 显然是不科学的, 应必须提供气溶胶粒度分布, 尤其是可吸入性粒子的粒度分布参数。

个人可吸入粒子多级采样器的特点在于它能按空气动力学特性, 将气溶胶粒子以粒径大小自动分级。近年来不少学者^〔1-2〕认为可吸入粒子的分级采样方法将势必逐步取代现有总尘采样方法。美国等国家已大力开展该项研究工作^〔3-8〕。目前各国对气溶胶采样器的研究目标是尽可能地提高对不同粒径粒子的收集效率, 并与国际公认的肺区可吸入标准曲线相吻合^〔9〕, 以提高采集样品的可信度与真实性。为进一步研究个人多级采样器在不同条件下的收集效率, 本文将介绍一种新型个人“ 5”级采样器在不同风速与采样入口朝向位置(即与主风流夹角度数)对其收集效率的影响。并将本实验研究结果与国际标准化组织(ISO)已认可^〔10〕的美国工业卫生协会(ACGIH)^〔11〕、英国医学研究协会(BMRC)^〔11〕, 美国原子能委员会(AEC)^〔11〕和国际放射防护委员会(ICRP)^〔12〕等机构所制订的肺区可吸入标准曲线作比较。

2 实验方法

本实验研究装置主要由试验尘发尘室和模拟风速仪所组成。发尘室为高2.4米、宽1.2米的六棱柱体。发尘室选用TSI 3400型气溶胶发生器为试验尘发生装置。试验尘采用已作精筛处理的煤尘, 其空气动力学质量中值直径(M M AD)为5微米。试验尘发生后, 含尘空气流将经过放射性氪-85电荷中和室, 并与洁净干燥压缩空气流混合稀释, 再由发尘室顶部进入而流经室内整个试验区域。模拟风速仪则有呈十字型, 可作水平位旋转的转动轴与一台可调速的马达所构成, 实验时模拟风速仪被安置在发尘室内。

实验测试用的个人可吸入粒子多级采样器是一种新型的“ 5”级撞击式采样器, 每级有一定数量的园孔, 同一级上的园孔等大, 但不同级上的园孔逐级变小。在每级园孔下面, 在固定间隔设置气溶胶粒子截留介质, 当速率稳定的含尘气流通过多级采样器内的“多孔截留介质”平面时, 不同粒径的粒子将按其动力学的特征在不同孔径的截留介质平面上被逐级收集, 以达到气溶胶粒子按空气动力学等效直径自动分级之目的。经刻度确定, 该新型的“ 5”级采样器其各级的有效截留直径Dp(50)值见表 1。

个人多级采样器, 第1至5级均选用铝箔作截留介质, 为减少采样时粒子因撞击产生“反跳”所致的粒子损失, 各级铝箔表面均涂有一层AL型混合油脂。未被各级截留而逃逸出来的微小粒子, 将被设置在采样器末端的高效滤膜所阻留(本实验选用PVC超细微孔滤膜)。各铝箔与PVC微孔滤膜在试验前, 后均需在温度为20℃, 相对湿度为50%的环境中放置24小时平衡后称量, 称量天平为感量0.01mg的微量电子式天平。

个人多级采样器每4只为一个实验组, 其前端均与一个直径为10m m的旋风离心式分离器相连接, 以去除非可吸入粒子, 并被分别安置在模拟风速仪十字型转动轴的各端; 另取4只相同的个人多级采样器则设置在发尘室的底部, 以组成对照组。各个多级采样器均与一个224-PCXRT型袖珍式个人采样泵相连接, 采样流量均为2升/分, 每次实验总采样时间为4小时。各采样泵在采样前、后都需经Gilib型皂膜计进行流量校验或刻度, 整个实验周期内, 采样流量匀控制在2.00± 0.05升/分的范围内。

个人多级采样器在不同风速(0、0.5、1.0、1.5、2.3和3.5米/秒)和不同采样口位置(0°、90°、180°)时的各级粒子收集效率值按以下公式计算:

式中E_i—第i级粒子收集效率, %

M_Ti—实验组第i级截留介质的平均增量, mg。

M_ci—对照组第i级截留介质的平均增量, mg。

3 结果与讨论

发尘室试验尘浓度的稳定性是本实验研究正确、可靠的关键。对试验尘浓度先后共进行了十次重复性采样测定, 每日一次, 每次采样时间均为4小时, 其测定结果见表 2。

发尘室经十次采样测定其试验尘平均浓度为2.54± 0.26毫克/米³。可见试验尘发尘室将能为各实验测试提供较为均一或稳定的的实验条件。

图 1为个人可吸入粒子多级采样器在不同风速条件下, 收集效率与不同采样口位置间的相关曲线, 并与国际上公认推荐的气溶胶肺区可吸入标准曲线进行比较。实验结果表明, 采样口位置在一定程度上将影响采样器的收集效率, 采样口朝向与主风流所夹角度数的大小和采样器对各粒径的收集效率(尤在风速大于1米/秒和对大于2μm的粒子)成正比关系。当采样口直接朝向主风流或处于0°方位时, 其收集效率最低; 而当采样口与主风流呈一定角度时, 采样器的收集效率呈上升趋势; 当采样口背向主风流或处于180°方位时, 则其收集效率为最高。这一实验结果对多年来将采样口直接朝向主风流的传统采样方法和采样头的结构设计为开放式提出了异疑; 并为如何正确设定采样口朝向的最佳位置与采样头的结构与造型设计提供了科学依据。

图 2为个人多级采样器采样口在相同朝向不同风速条件下, 收集效率与外界风速之间的相互关系。结果表明个人多级采样器对各粒径粒子的收集效率。当采样口处于0°、90°或180°方位时, 风速为0.5米/秒, 收集效率为最高。风速大于或等于1米/秒收集效率将随风速的增加逐渐呈下降趋势。

表 3表明, 本文采样器在采样流量为2.0升/分时, 对不同可吸入粒径粒子的平均收集效率曲线十分近似于美国ACGIH机构所提出的肺区可吸入曲线, 并与BMRC, AEC和ICRP组织所推荐的肺区可吸入气溶胶吸入份额值非常接近。上述各机构或组织所提出的可吸入曲线或吸入份额值已分别得到了ISO (国际标准委员会)和WHO (世界卫生组织)的认可^〔12〕, 这进一步验证了本文个人多级采样器用于估算或评价作业人员吸入危害水平的可信性或可靠性。

4 结论

为正确估算或评价职业有害环境中作业人员的吸入危害水平, 个人可吸入粒子多级采样器是一种较理想的气溶胶个人采样器具。本采样器经收集效率特性的综合测试, 在采样流量为2.0升/分时, 可吸入性粒径粒子的收集效率曲线能很好模拟ACGIH, BMRC以及ICRP组织所提出的肺区可吸入曲线。外界风速与采样口位置等因素对采样器的收集效率存在有一定程度的干扰或影响。为尽可能提高采样器的收集效率或采集样品的真实性, 建议当外界风速大于或等于1.0米/秒的情况下, 采样口应避免直接朝向主风流或处于0°方位。本实验研究为今后进一步探讨或研究对可吸入粒子采集技术, 粒度分析方法和个人多级采样器的设计研制提供了科学依据。