周漪，趙全成，劉聰（西南技術(shù)工程研究所，重慶 400039）

環(huán)境及其效應(yīng)

空氣中沙塵粒子粒度監(jiān)測(cè)方法研究

周漪，趙全成，劉聰
（西南技術(shù)工程研究所，重慶 400039）

目的 研究適用于空氣中沙塵粒子粒度監(jiān)測(cè)方法。方法 對(duì)比研究迎風(fēng)攔截采集和沉降采集兩種采樣方式的采集效果和樣本差異，討論濕法激光粒度分析法和掃描電鏡粒度分析法兩種方法的準(zhǔn)確性和適用性。結(jié)果 沉降采集獲得的樣品量要大于迎風(fēng)攔截采集，兩種采集方式獲得樣品的粒度分布也存在顯著差異。在沙塵樣本粒度分析上，濕法激光粒度分析較掃描電鏡分析更為適用。結(jié)論 可結(jié)合沉降采集與迎風(fēng)攔截采集進(jìn)行沙塵樣本采集，利用濕法激光粒度分析掌握其粒度分布。

沙塵粒子；粒度分布；迎風(fēng)攔截采集；沉降采集

沙漠地區(qū)嚴(yán)酷的沙塵環(huán)境不僅會(huì)加快產(chǎn)品表面磨蝕，還會(huì)造成通風(fēng)管道與過濾裝置堵塞，進(jìn)入內(nèi)部后還可能引起活動(dòng)件卡死、蓄電池自放電、電路劣化等諸多故障[1—5]。因此，沙塵是沙漠自然環(huán)境試驗(yàn)特別是整機(jī)或整車試驗(yàn)必需考慮的重要因素。大氣沙塵粒子的粒度分布是描述沙塵環(huán)境的關(guān)鍵參數(shù)之一，對(duì)密封件與過濾裝置的設(shè)計(jì)、考核具有重要意義[6—7]。目前在自然環(huán)境試驗(yàn)站網(wǎng)，對(duì)于沙塵環(huán)境僅監(jiān)測(cè)沙塵天數(shù)和降塵量，未對(duì)大氣沙塵粒子的粒度進(jìn)行監(jiān)測(cè)[8]。文中通過在敦煌地區(qū)的系列對(duì)比測(cè)試，分別從大氣沙塵粒子采集方式和粒度分析手段上對(duì)沙塵粒度監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行了探討，確定了適合于自然環(huán)境試驗(yàn)站的大氣沙塵粒子監(jiān)測(cè)方案。

1　試驗(yàn)

1.1沙塵樣品采集方式

設(shè)計(jì)了兩種沙塵采樣方式，如圖1所示，分為迎風(fēng)攔截采集和沉降采集。迎風(fēng)采集裝置由風(fēng)向翼板和采樣瓶構(gòu)成。采樣瓶設(shè)進(jìn)風(fēng)管和出風(fēng)管，在風(fēng)向翼板作用下，進(jìn)風(fēng)口始終對(duì)準(zhǔn)來風(fēng)向。由于風(fēng)管內(nèi)徑（7.5 mm）遠(yuǎn)小于瓶?jī)?nèi)徑（瓶底內(nèi)徑為48 mm），攜有沙塵的氣流進(jìn)入瓶?jī)?nèi)后減速，沙塵因重力沉積于瓶底[9]。沉降采集則采用內(nèi)徑為30 cm、高為40 cm的集塵缸，固定于高1 m的平臺(tái)上，內(nèi)置10 mm深乙二醇水溶液。兩種方式在敦煌試驗(yàn)站暴露場(chǎng)同時(shí)采樣，連續(xù)采集30天，每月采集1次。

圖1　兩種沙塵粒子采樣方式Fig.1 Two methods of sand collection

1.2沙塵粒度分析方法

對(duì)兩種沙塵粒度分析方法進(jìn)行對(duì)比研究，即濕法激光粒度分析與掃描電鏡分析。

1）樣品預(yù)處理。除去鹽分：將樣品置于燒杯中加水用玻璃棒攪拌后靜置過夜，第二天將杯中清水吸去，再加蒸餾水，重復(fù)3次即可[10]。除去有機(jī)質(zhì)：加入6%過氧化氫溶液，攪拌，靜置。除去鈣質(zhì)膠結(jié)物：加0.2 mol/L稀鹽酸于樣品燒杯中，用玻璃棒攪拌后，靜置過夜。次日傾去清液，加蒸餾水，攪拌、靜置過夜[11]。

2）濕法激光粒度分析。對(duì)預(yù)處理后的樣品，去除上層清液。然后加入36 g/L的偏磷酸鈉溶液，并通過超聲振蕩或攪拌使顆粒分散，采用激光粒度儀濕法進(jìn)行粒度分析，遮光率控制在10%～12%[12]。，

3）掃描電鏡粒度分析。對(duì)預(yù)處理后的樣品在60℃下進(jìn)行低溫干燥，后在掃描電鏡樣品臺(tái)上加入少量樣品，使用分散劑對(duì)其分散，待其揮發(fā)后對(duì)樣品進(jìn)行觀測(cè)。

2　結(jié)果與討論

2.1沙塵粒子采集方式研究

2.1.1樣品采集效果

就采集樣品的代表性而言，迎風(fēng)攔截采集的主要是沙塵天氣下空氣中被風(fēng)力攜帶的沙塵粒子，這部分沙塵粒子對(duì)產(chǎn)品表面磨蝕、密封防護(hù)、進(jìn)氣系統(tǒng)等影響較大。其粒度分布直接關(guān)系到密封性能和空氣濾清效果。沉降采集的樣品主要是因重力沉降的沙塵粒子，這部分沙塵粒子對(duì)產(chǎn)品表面腐蝕、活動(dòng)件卡滯等具有一定影響[13]。

就采集樣品量而言，沉降采集的樣品量要大于迎風(fēng)攔截采集。2014年3月—9月進(jìn)行的6個(gè)周期采樣中，沉降采集獲得的沙塵樣本均在0.5 g以上，最高可達(dá)1.5 g。迎風(fēng)攔截采集的樣本量均在0.1以下，其中2014年8月—9月因不屬于沙塵季節(jié)，且大風(fēng)揚(yáng)沙天氣明顯少于其他5個(gè)周期，迎風(fēng)攔截采集的沙塵樣品量不足0.01 g。進(jìn)行濕法測(cè)試時(shí)遮光率僅8%，未能滿足10%的遮光率要求，造成散射光強(qiáng)太弱，檢測(cè)信噪比太低，測(cè)試結(jié)果異常偏高[14]。其他5個(gè)周期樣品均能滿足測(cè)試要求。

迎風(fēng)攔截采集獲得的沙塵樣本較少的主要原因在于采集管徑小。在風(fēng)速較小的非沙塵季節(jié)，空氣中沙塵含量低，再加風(fēng)速小、管徑小，單位時(shí)間內(nèi)通過采集瓶的空氣量少，雙重作用下易造成沙塵樣品量不足。鑒于沙塵對(duì)產(chǎn)品的破壞主要集中在沙塵季節(jié)，且迎風(fēng)攔截采集獲得的樣本更能真實(shí)反映被風(fēng)力攜帶的沙塵粒子粒度分布，采用迎風(fēng)攔截采集空氣中沙塵樣本是可行的。

2.1.2不同采集方式對(duì)沙塵樣本粒度分布的影響

以兩種采集方式在2014年3月—4月同期采集的樣本進(jìn)行對(duì)比，均采用濕法激光粒度儀進(jìn)行粒度分析。如圖2所示，兩種方式獲得沙塵樣品的粒度分布存在顯著差異。沉降采集獲得的沙塵樣本粒度分布比迎風(fēng)采集樣本要小，其分布也相對(duì)均勻。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，迎風(fēng)攔截采集的沙塵平均粒徑為36.67 μm，中位徑（D50）為27.93 μm，D95為100.12 μm。沉降采集的沙塵平均粒徑為24.40 μm，中位徑（D50）為14.67 μm，D95為70.08 μm。

圖2　兩種采集方式獲得沙塵粒子的粒徑分布Fig.2 Particle size distribution of sands collected by two methods

2.1.3沙塵粒子采集方式設(shè)計(jì)

為掌握不同影響途徑的沙塵粒子的粒度分布，全面考慮沙塵對(duì)產(chǎn)品的各類影響，在沙漠自然環(huán)境試驗(yàn)場(chǎng)，應(yīng)結(jié)合迎風(fēng)攔截采集和沉降采集兩種采樣方式開展大氣沙塵粒子粒度監(jiān)測(cè)。綜合衡量采集效果和數(shù)據(jù)可靠性，可以在全年每月采用沉降采集進(jìn)行沙塵粒子采樣，在沙塵季節(jié)增設(shè)迎風(fēng)攔截采集方式同時(shí)進(jìn)行采樣。

2.2沙塵粒度分析方法研究

2.2.1濕法激光粒度分析與掃描電鏡分析對(duì)比

沙漠地區(qū)空氣中沙塵粒子主要來自地表沙塵，其粒徑分布因風(fēng)力大小和離地高度會(huì)有較大波動(dòng)[15]，但總體而言，其粒度分布在地表沙塵粒度范圍內(nèi)，且較地表沙塵粒度范圍窄。為確保粒徑分析方法適用于不同采樣條件和采樣時(shí)機(jī)下的沙塵粒度分析，以敦煌試驗(yàn)站2014年5月地表積塵為樣本，對(duì)激光粒度濕法測(cè)試與掃描電鏡圖像分析測(cè)試兩種粒度測(cè)試方法進(jìn)行對(duì)比分析。

激光粒度濕法測(cè)得的樣本粒度區(qū)間分布以及累計(jì)分布如圖3所示。統(tǒng)計(jì)得，地表沙塵樣本體積平均徑為50.64 μm，中位徑（D50）為32.11 μm，D95 為165.48 μm。激光粒度儀測(cè)試范圍為0.02～2000 μm，可充分涵蓋敦煌試驗(yàn)站地表以及大氣中沙塵粒度范圍。此外，同一樣本源、多次抽樣測(cè)量的數(shù)據(jù)重復(fù)性好。3次抽樣測(cè)試中，D50的偏差均在2%以內(nèi)。

采用掃描電鏡獲得的沙塵粒子圖像如圖4所示。測(cè)試表明，敦煌試驗(yàn)站地表沙塵形貌主要以多角狀、片狀為主。在100倍圖像下，觀測(cè)到最大粒徑在150 μm左右，最小粒徑難以識(shí)別。繼續(xù)放大后，在500倍圖像上可知最小粒徑不足5 μm，但難以更準(zhǔn)確地判斷。繼續(xù)提高放大倍數(shù)后，因掃描區(qū)域內(nèi)沙塵粒子樣本有限，粒徑波動(dòng)較大，甚至出現(xiàn)僅獲得單個(gè)或數(shù)個(gè)粒子圖像的情況。

圖3　濕法激光粒度儀測(cè)得沙塵粒子粒徑分布Fig.3 Particle size distribution of sands by laser particle size analyzer through wet pro-cess

圖4　沙塵粒子掃描電鏡圖像Fig.4 SEM images of sand particles

2.2.2粒度分析方法選擇

與濕法激光粒度分析相比，掃描電鏡圖像信息較為直觀，還可以獲得沙塵形貌特征，但由于沙塵樣本的粒度分布很不均勻，最大粒徑和最小粒徑相差數(shù)千倍，難以在同樣的倍數(shù)下確定所有沙塵粒子的粒徑。同時(shí)，掃描電鏡分析所需樣本量極少，易造成抽樣誤差。

濕法激光粒度測(cè)試的測(cè)量范圍能夠滿足敦煌站地表以及大氣中沙塵粒度范圍，且抽樣誤差小，能夠快速、準(zhǔn)確地獲得沙塵樣本的粒度區(qū)間分布以及累計(jì)分布等關(guān)鍵信息，適用性強(qiáng)，測(cè)試效果好。

3　結(jié)論

1）迎風(fēng)攔截采集可用于沙塵季節(jié)空氣中沙塵粒度分析的樣品采集。

2）采用濕法激光粒度分析對(duì)大氣沙塵粒子粒度分布進(jìn)行監(jiān)測(cè)更為適用，在需要了解沙塵形貌特征時(shí)可以利用掃描電鏡作補(bǔ)充性測(cè)試。

[1]段楠楠，趙英俊，周豪.地空導(dǎo)彈裝備環(huán)境適應(yīng)性研究與分析[J].裝備環(huán)境工程，2009，6（6）：91—93.

DUAN Nan-nan，ZHAO Ying-jun，ZHOU Hao.Research and Analysis of Environmental Worthiness of Ground-to-Air Missile Equipment[J].Equipment Environmental Engineering，2009，6（6）：91—93.

[2]汪學(xué)華.自然環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2003.

WANG Xue-hua.Natural Environmental Test Technology[M]. Beijing：Aviation Industry Press，2003.

[3] 馬燕，權(quán)威，周朝霞，等.特殊氣候環(huán)境下國(guó)際維和工程裝備技術(shù)體系[J].裝備環(huán)境工程，2013，12（1）：79—81.

MA Yan，QUAN Wei，ZHOU Zhao-xia，et al.International Peace-keeping Engineering Equipment Technical ManagementunderSpecialClimateEnvironmentConditions[J]. Equipment Environmental Engineering，2013，12（1）：79—81.

[4]何星，韓樹，楊勇.沙漠環(huán)境車輛柴油機(jī)故障分析[J].柴油機(jī)，2010，32（6）：30—33.

HE Xing，HAN Shu，YANG Yong.Fault Analysis for the Vehicle Engine in Desert[J].Diesel Engine，2010，32（6）：30—33.

[5]GJB 150.12—86，軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法 砂塵試驗(yàn)[S].

GJB 150.12—86，Environmental Test of Military Equipment Sand Dust Test[S].

[6]馬志宏，李運(yùn)澤，張華，等.砂塵環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備中顆粒濃度場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)研究[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，31（8）：884—887.

MA Zhi-hong，LI Yun-ze，ZHANG Hua，et al.Experimental Study on Particle Concentration in Sand and Dust Equipment [J].Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics，2015，31（8）：884—887.

[7]翟波，蔡良續(xù)，祝耀昌.實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)條件及其剪裁技術(shù)[J].裝備環(huán)境工程，2014，11（5）：87—91.

ZHAI Bo，CAI Liang-xu，ZHU Yao-chang.The Conditions of Laboratory Environmental Tests and Its Tailoring Techniques [J].Equipment Environmental Engineering，2014，11（5）：87—91.

[8]佚名.敦煌自然環(huán)境試驗(yàn)站[J].裝備環(huán)境工程.2009，6（1）：98—99.

Anonymous.Dunhuang Natural Environmental Tests Site[J]. Equipment Environmental Engineering，2009，6（1）：98—99.

[9]DIRK O，ZVI Y，GARY L.Wind Tunnel and Field Calibration of Five Aeolian Sand Traps[J].Geomorphology，2000，35（3/ 4）：233—252.

[10]吳飛雪，董守平，時(shí)銘顯.激光粒子成像技術(shù)測(cè)定旋風(fēng)分離器內(nèi)顆粒濃度場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)研究[J].石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2000，24（6）：72—76.

WU Fei-xue，DONG Shou-ping，SHI Ming-xian.Experimental Study on Particle Concentration Distribution in a Cyclone by Particle Image Technology[J].Journal of the University of Petroleum（Edition of Natural Science），2000，24（6）：72—76.

[11]孔丹，何清，張瑞軍，等.塔克拉瑪干沙漠腹地沙塵暴過程貼地層梯度輸沙樣粒度特征分析[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，2009，23（1）：29—53.

KONG Dan，HE Qing，ZHANG Rui-jun，et al.Characteristics of Grain Sizes for Samples of Different Grades of Transporting Sediment in the Ground Layer during the Course of Sandstorms in the Hinterland of the Taklimakan Desert[J].Journal of Arid Land Resources and Environment，2009，23（1）：29—53.

[12]WEINER B B.Particle and Spray Sizing Using Laser Diffraction[J].Society Photo-Optical Instrumentation Engineers，1979：53—56.

[13]武通海，刁東風(fēng)，謝友柏.基于摩擦學(xué)的沙塵環(huán)境的研究[J].潤(rùn)滑與密封，2004（6）：49—51.

WU Tong-hai，DIAO Dong-feng，XIE You-bai.Study on the Dust Environment Based on Tribology[J].Lubrication Engineering，2004（6）：49—51.

[14]鄭敏俠，辛芳，劉曉峰.Mastersizer 2000型激光粒度儀技術(shù)參數(shù)對(duì)粒度分布的影響[J].中國(guó)粉體技術(shù)，2013，19（1）：77—79.

ZHENG Min-xia，XIN Fang，LIU Xiao-feng.Influence of Mastersizer 2000 Type Laser Particle Analyzer Technical Parameter on Particle Size Distribution[J].China Powder Science and Technology，2013，19（1）：77—79

[15]師育新，戴雪榮，李節(jié)通，等.蘭州“930505”特大塵暴沉積物特征研究[J].沉積學(xué)報(bào)，1995，13（3）：76—82.

SHI Yu-xin，DAI Xue-rong，LI Jie-tong，et al.On the Wind-blown Deposition from a Heavy Dustfall Numbered "930505"in Lanzhou，north-central China[J].Acta Sedimentologica Sinica，1995，13（3）：76—82.

Monitoring Method of Particle Size of Dust Sands in the Air

ZHOU Yi，ZHAO Quan-cheng，LIU Cong
（Southwest Research Institute of Technology and Engineering，Chongqing 400039，China）

Objective To investigate a monitoring method of particle size of dust sands in the air.Methods The collection effect and sample difference by the two different collection methods,i.e.,the windward intercepting collection way and the static balance collection way,were compared to discuss the accuracy and suitability of the wet laser particle size analysis and the SEM particle size analysis.Results The static balance collection way got a lager sample amount than that by windward intercepting collection way,and also the particles sizes were obviously different by this two collection ways.On the aspect of particles size analysis,the wet laser particle size analysis was more suitable than SEM. Conclusion The static balance collection way can be used in combination with windward intercepting collection way to process sand collection,and the wet laser particle size analysis can be used to grasp the particle size distribution.

sand particles；particle size distribution；windward intercepting collection；static balance collection

2015-09-20；Revised：2015-09-30

10.7643/issn.1672-9242.2016.01.020

TJ06

A

1672－9242（2016）01－0102-04

2015-09-20；

2015-09-30

周漪（1983—），女，重慶人，工程師，主要研究方向?yàn)樽匀画h(huán)境試驗(yàn)。

Biography：ZHOU Yi（1983—），F(xiàn)emale，from Chongqing，Engineer，Research focus：environmental test.