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LIU Guangquan
研究大气颗粒物对人体、环境的影响程度及治理对策，颗粒物的粒径分级是重要依据。固定污染源排放的颗粒物是大气污染的重要来源，WY-1尘粒分级仪测定固定污染源排放的颗粒物，可根据测得的各级冲击器接尘纸垫增重，计算出不同粒径下颗粒物的累计重量百分数（包括PM2.5、PM10、TSP），测定结果可与《环境空气质量标准》（GB 3095- 2012） [1]中的PM2.5、PM10、TSP含量相关联。在一定范围内用WY-1尘粒分级仪对污染源巡视检测，可筛选出PM2.5排放超标的污染大户，是测定大气污染的重要工具；WY-1还可测量除尘器粒径分级效率和对污染源选用除尘器的使用效果进行预测，具有明显的环境效益。根据分级仪测得的各级冲击器增重，计算不同粒径的颗粒物累积重量百分数，需经一系列的程序和查表转换，费时费工，急需“数据处理工作站”，为WY-1尘粒分级仪广泛应用创造条件。
1 材料与方法 1.1 仪器 1.1.1 WY-1型冲击式尘粒分级仪该尘粒分级仪由中国预防医学中心卫生研究所刘光銓等研制，吸取了国外同类仪器的优点并有自己的特点，采用国际上通用的单分散相粒子标定，7级冲击式分级仪测量范围为1.3 μm ~ 40 μm，1985年12月经劳动部劳动保护局组织鉴定“为国内领先水平”，已批量生产，获卫生部1987年科技进步三等奖，2000年发展为9级（测量范围为0.38 μm ~ 40 μm），达到国际同类产品的先进水平。已在国内推广应用，目前各环保检测单位、研究所、大专院校测定污染源颗粒物分级，都是使用WY 型尘粒分级仪，现仍有需求。
1.1.2 滤纸各级冲击器接尘纸垫（直径42 mm）和尘粒分级仪末级过滤纸(也称绝对过滤器，直径59 mm)采用天津造纸研究所K49玻璃纤维滤纸加工而成。该滤纸用0.3 μm ~ 0.4 μm 的粒子进行标定，过滤效率不低于99.99%。
1.2 研究方法 1.2.1 理论根据已有的研究结果表明，大多数固定污染源排放颗粒物的累积重量粒度分布服从对数正态概率分布，即在对数正态概率坐标纸(纵坐标为颗粒物小于某一粒径D的累积重量百分数，横坐标为log D值)上，其关系为一直线[2-6]。颗粒物的对数正态累积分布表达式如下[7]：
| $E(P)\times 100=\frac{1}{\sqrt{2\pi }}\int_{-\infty }^{P}{{{e}^{-0.5{{P}^{2}}}}}\cdot dP\times 100$ | (1) |
| $P=(logD-\log {{\text{D}}_{50}})/log{{S}_{\text{g}}}=\text{AlogD-B}$ | (2) |
由式（2）得
| $\text{log}{{\text{S}}_{\text{g }\!\!~\!\!\text{ }}}=\text{ }1/\text{A}$ | (3) |
| $\text{log}{{\text{D}}_{\text{50 }\!\!~\!\!\text{ }}}\text{= B/A}$ | (4) |
| $\text{log}{{\text{S}}_{\text{g }\!\!~\!\!\text{ }}}{{\text{ }\!\!\times\!\!\text{ }}_{\text{ }\!\!~\!\!\text{ }}}\text{P }\!\!~\!\!\text{ = logD}-\text{log}{{\text{D}}_{\text{50}}}$ | (5) |
| $P~=\text{ }0\text{ D = }{{\text{D}}_{50}}$ | (6) |
| $P~=\text{ }1\text{ log}{{\text{D}}_{84}}~=\text{ log}{{\text{D}}_{50~}}+\text{ log}{{\text{S}}_{g}}$ | (7) |
| $P~=-1\text{ log}{{\text{D}}_{16~}}=\text{log}{{\text{D}}_{50~}}-\text{log}{{\text{S}}_{g~}}$ | (8) |
式中：F(P)×100—不同P值下的累积百分数，%；
P—无量纲概率单位；
D—颗粒物粒径，μm；
D50—颗粒物累积分布小于50%的粒径，一般称中位径,μm；
D16—颗粒物累积分布小于16%的粒径，μm；（P = -1,由（1）式可得出F(P)×100 =16%）；
D84—颗粒物累积分布小于84%的粒径，μm；（P = 1,由（1）式可得出F(P)×100 =84%）。
Sg—粒径几何标准差，μm。
以logD为横坐标，概率单位P值为纵坐标作图，可得回归方程式(2)，由A和B值可求得不同D值下的P值,以及D50和Sg值。已知P值，可由式（1）计算得出相应的累积百分数F(P)×100值。由P计算F(P)×100较为烦复，实际应用中多是用概率单位P和累积百分数F(P)×100对照表[7-9]换算。
1.2.2 分析步骤使用冲击式尘粒分级仪测量烟气(或空气)中颗粒物的粒度分布步骤如下[7]：
首先根据冲击器级数、采样流量和烟气温度得出各级冲击器的切割粒径Dc（由分级仪生产厂提供不同流量、不同气温下各级冲击器的切割粒径Dc详表查出）；根据各级冲击器接尘纸垫(包括最后一级绝对过滤器滤纸)的增重按式（9）计算出小于各级冲击器切割粒径Dc的累积重量百分数：
| ${{\text{F}}_{\text{k}}}=\frac{\sum\nolimits_{\text{n}}^{\text{k}+1}{{{\text{M}}_{\text{i}}}}}{\sum\nolimits_{\text{n}}^{1}{{{\text{M}}_{\text{i}}}}}\times 100$ | (9) |
式中：Fk—小于k级冲击器切割粒径Dc的累积重量百分数，相当于F(P)×100，%；
k—取值1，…n-1；
n—分级仪最后一级滤纸过滤器（也称绝对过滤器）；
1—第一级冲击器；
Mi—第i级接尘纸垫的增重，mg；
Mn—最后一级滤纸的增重，mg。
根据所得到的各级冲击器切割粒径Dc下的累积重量百分数，由式（1）或查对照表，得出相应的概率单位P值。以logDc为横坐标，概率单位P值为纵坐标作图，得出回归直线方程式（2），
| $P=\text{A}\log \text{D-B}$ | (2) |
根据公式（2），选择不同粒径D值，可计算得出相对应的概率单位P值。
将上述概率单位P值按式（1）或查对照表换算成F(P)×100,%累积百分数值，最后得出粒径D和小于D的累积重量百分数对应值。
1.2.3 GBSS工作站的建立用计算器手工完成上述计算费时费工。根据分级仪数据处理要求和用对数正态概率分布进行粒度分析的计算方法[7]的要求，使用GPSSS快速计算软件，应用MicrosoftVisual Studio 2013 C#语言 和Microsoft Framework 3.5，自主开发了GBSS “工作站”。程序输出内容包含PNG矢量图片和Excel文件，采用CSV格式输出。程序设计采用界面与控制相结合两层结构，将所有基础算法封装成动态链接库供上层调用。界面部分只负责人机交互相关操作与处理，控制部分负责计算过程、文件输出、错误判别等操作与处理。根据GBSS“工作站”的提问，输入有关测定数据，点“计算”，即可得出小于各种粒径D（包括PM10，PM2.5）的累积重量百分数和中位径D50、几何标准差Sg值。
2 GBSS工作站的应用 2.1 计算其粒度分级组成根据WY-1 型7级尘粒分级仪测量某玉石雕刻厂尾气颗粒物组成，使用GBSS“工作站”计算其粒度分级组成。
①打开GBSS”工作站”，根据表 1的要求填入有关数据。
②出现表 2，在B列出现各级冲击器切割粒径Dc，点击计算。
| A | B | C | D | E | F | G |
| 级别 | 切割粒径Dc | Log Dc | 接尘纸垫增重/mg | 各级增重百分数/% | 小于切割粒径Dc的累积重量百分数/% | 对应各切割粒径Dc的P值 |
| 1 | 17.4 | 1.2405 | 3.6 | 23.08 | 76.92 | 0.7463 |
| 2 | 10.8 | 1.0334 | 3.4 | 21.79 | 55.13 | 0.1289 |
| 3 | 7.5 | 0.8751 | 4.0 | 25.64 | 29.49 | -0.5392 |
| 4 | 5.5 | 0.7404 | 1.6 | 10.26 | 19.23 | -0.8694 |
| 5 | 3.9 | 0.5911 | 1.6 | 10.26 | 8.98 | -1.3423 |
| 6 | 2.7 | 0.4314 | 0.6 | 3.85 | 5.13 | -1.6326 |
| 7 | 1.5 | 0.1761 | 0.6 | 3.85 | 1.28 | -2.2316 |
| 末级 | 0.2 | 1.28 | ||||
| 总计 | 15.6 | 100 |
③在D列输入各级冲击器接尘纸垫增重，点击计算，得出表 2各参数。F列的数据为根据D列数据按式（9）计算得出。G列的数据为根据F列数据按式（1）用Excel计算得出。以logDc值为横坐标，概率单位P值为纵坐标计算回归直线方程式，得出常数A、B值,并按式（3）得出Sg值、按式（4）得出D50值。
| $P~=\text{ A}\left( \text{logD} \right)-\text{B}=2.8131\left( \text{logD} \right)-2.866$ | (10) |
式中： A=2.8131；B=2.8661；相关系数R2 = 0.9866
根据回归方程式，设定不同的粒径D，可计算出不同粒径D的P值（表 3的C列），D列为C列的P值按公式（1）用Excel计算得出的小于不同粒径D的累积重量百分数。
| A 粒径D/μm | B logD | C 概率单位P值 | D 小于D的百分数/% |
| 23.68 | 1.3744 | 1.0 | 84.0 |
| 20 | 1.3010 | 0.7938 | 78.6 |
| 18 | 1.2553 | 0.6651 | 74.7 |
| 16 | 1.2041 | 0.5212 | 69.9 |
| 14 | 1.1461 | 0.3581 | 64.0 |
| 12 | 1.0792 | 0.1697 | 56.7 |
| 10.44 | 1.0189 | 0 | 50.0 |
| 10 | 1 | -0.053 | 47.9 |
| 8 | 0.9031 | -0.3256 | 37.2 |
| 6 | 0.7782 | -0.6771 | 24.9 |
| 4.61 | 0.6334 | -1.0 | 16.0 |
| 4 | 0.6021 | -1.1725 | 12.1 |
| 2.5 | 0.3979 | -1.7466 | 4.03 |
| 2 | 0.3010 | -2.0193 | 2.2 |
| 1 | 0 | -2.8661 | 0.21 |
上述结果表明了某玉石雕刻厂尾气颗粒物的中位径 =10.44，几何标准差 =2.27，及不同粒径D下的累积重量百分数。
中位径D50和几何标准差Sg代表污染源或被测颗粒物分布的特性，D50代表总体上颗粒物的大小，Sg代表总体上颗粒物大小的分散情况。已知颗粒物分布回归直线的D50值和Sg值，可在对数正态概率坐标纸上绘出回归直线，查出不同粒径D下的累积重量百分数。或由（2）式和（1）式计算出不同粒径D下的累积重量百分数。
完成上述全部计算仅需几分钟，以前用手工计算约需3小时。
2.2 GBSS工作站及粒径分级除尘效率的应用测量除尘器的粒径分级除尘效率：在某除尘器的进、出口用WY-1同时采样，可测得该除尘器的分级效率。因除尘器进、出口颗粒物浓度差异很大，采集2组样品要用6台WY-1分级仪采样（每组进口2台，出口一台），利用GBSS“工作站”，可较快的计算出结果。上述方法也适用于湿式除尘器颗粒物分级效率的测量。
现有的用于中小工厂的湿式除尘器都没有分级效率的数据，用传统的发尘、收尘的方法测量湿式除尘器分级效率，需收集除尘器集水池中的全部颗粒物并测其粒径分级组成，难度很大，厂家只能给出该除尘器用于某个污染源的总除尘效率。该除尘器用于其他污染源能否满足排放标准要求？一般凭设计者的经验选定，难免会造成失误。有了GBSS“工作站”，在为某污染源选用除尘器时，根据该除尘器的粒径分级效率数据（生产厂商提供），和用WY-1测得的该污染源烟气的颗粒物分级组成，可计算出除尘器的总除尘效率、除尘后烟气的颗粒物浓度及排放量，预测出其是否满足排放标准的要求，可避免凭经验选定除尘器的失误。
GBSS“工作站”是WY-1尘粒分级仪应用过程中开发的附件，是WY-1分级仪应用中不可缺少的工具。为使GBSS“工作站”在不同情况下均能使用，给出了计算过程中得出的主要数据，供使用者参考。使用其他颗粒物分级仪(包括Andersen Ⅲ 型 尘粒分级仪，Bahco离心式尘粒分级仪等)测量粒度分级组成，若颗粒物组成服从对数正态概率分布，也可使用GBSS“工作站”进行数据处理。
3 结论GBSS“工作站”完成全部计算仅需几分钟，显著缩短了采样数据处理时间。用于巡视检测找出PM2.5污染源大户，测量除尘器分级效率、除尘器使用效果预评价等，均有良好的应用前景。
| [1] | 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.GB 3095-2012环境空气质量标准[S].北京:中国环境科学出版社,2016. |
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| [3] | 许绿薇, 李培省, 薄以匀, 等. 分级采样测定污染源颗粒物排放的探讨[J]. 安全, 2002, 23 (3): 13–15. |
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| [7] | 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.GB/T 15445.5-2011粒度分析结果的表述第5部分:用对数正态概率分布进行粒度分析的计算方法[S].北京:中国标准出版社,2012. |
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