張德峰,陳曉偉,王海容,杜軍,姜久龍,吳九匯

(1.西安交通大學(xué)機械結(jié)構(gòu)強度與振動國家重點實驗室,710049,西安;2.西安交通大學(xué)機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室,710054,西安;3.空軍工程大學(xué)航空航天工程學(xué)院,710038,西安)

霧霾天氣是一種大氣污染狀態(tài)。霧霾是對大氣中各種懸浮顆粒物含量超標(biāo)的籠統(tǒng)表述,其中霾是由灰塵、硫酸、硝酸、碳氫化合物等非水成物組成的氣溶膠系統(tǒng);霧是近地面的微小水滴或冰晶凝結(jié)形成的氣溶膠系統(tǒng)。霧霾使大氣渾濁、能見度下降并對人體呼吸系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)等造成嚴重危害。此外,霧霾污染已經(jīng)阻礙了中國吸引外商投資,并對國際旅游業(yè)造成沖擊,影響遠遠超過經(jīng)濟利益的損失[1]。鑒于霧霾治理的緊迫性,國務(wù)院總理李克強在2017年兩會期間表示,如果有科研團隊能夠把霧霾的形成機理和危害性真正研究透,提出更有效的應(yīng)對良策,愿意拿出總理預(yù)備費給予重獎。

當(dāng)前,政府在治理霧霾等環(huán)境污染方面下定決心,但取得的成效與人們的期待相差甚遠。針對霧霾這個難題,一方面,國內(nèi)外許多專家做了大量研究,Chameides等研究了氣溶膠光學(xué)厚度和區(qū)域霾污染對水稻和小麥產(chǎn)量的影響[2],Shakya等測定了尼泊爾城市居民區(qū)總懸浮顆粒物、PM10、PM2.5、黑碳和顆粒物的化學(xué)成分[3],姚青和蔡子穎等[4]研究了天津冬季霧霾天氣下顆粒物質(zhì)量濃度分布與光學(xué)特性,表明霧霾顆粒物的散射作用是造成大氣能見度降低的主要原因;另一方面,政府也投入了大量資金及人力來研究霧霾治理。

但是,目前這些治理以及防范霧霾的方法及措施,對減輕霧霾污染的效果微乎其微,并且對霧霾粒子能夠長時間懸浮的內(nèi)在本質(zhì)一直沒有深入研究分析。因此,針對霧霾治理這一大難題,我們課題組基于霧霾粒子懸浮的內(nèi)在原因,從力學(xué)角度對其受力進行了深入分析[5],率先提出了基于激光光梯度力破壞氣溶膠霧霾粒子力平衡體系進而消除霧霾的新機理。

本文基于激光光梯度力消除霧霾的新機理,設(shè)計了一個小型霧霾模擬實驗裝置,構(gòu)造了現(xiàn)實中的霧霾環(huán)境,即常溫常壓下,空氣、霧和霾共存的滿足濕度、顆粒物濃度等各項霧霾指標(biāo)的3項體系[6]。霧霾模擬實驗艙能夠產(chǎn)生特定溫濕度、霧霾濃度和粒徑分布與成分的霧霾環(huán)境,同時能監(jiān)測霧霾的參數(shù),并且首次使用激光光梯度力破壞霧霾顆粒的平衡體系,從而使霧霾顆粒沉降的方法進行實驗研究。

1 激光消除霧霾機理

霧霾顆粒在大氣流中所受力為:曳引阻力、旋轉(zhuǎn)升力、Saffman升力、Basset力、范德瓦爾斯斥力、靜電力、虛假質(zhì)量力、重力、浮力等。忽略其他次要力,將霧霾粒子等效為球體,大氣流中霧霾粒子的受力以及與激光作用后的沉降過程如圖1所示。粒子與粒子之間在范德瓦爾斯力的作用下,互相排斥形成了穩(wěn)定的網(wǎng)狀力平衡狀態(tài),懸浮微粒難以擴散而被阻滯在低空和近地面,因此消除霧霾的本質(zhì)就是破壞霧霾粒子的力平衡體系。微粒在激光范圍內(nèi)受到一均勻時變場的作用,在場作用力下,微粒有向光場較強區(qū)域移動的傾向,這種場作用力就是指向光軸的梯度力。當(dāng)激光產(chǎn)生的光梯度力足以打破霧霾粒子的力平衡體系時,粒子便會脫離原有的平衡狀態(tài),在光軸處聚合墜落。

圖1 激光作用下霧霾粒子的受力情況

1.1 光梯度力對霧霾粒子捕獲能力分析

1970年,Ashkin等人在美國貝爾實驗室發(fā)現(xiàn)了微米級聚苯乙烯粒子在光梯度力的作用下被拉入光軸[7],從此開創(chuàng)了光鑷領(lǐng)域的研究[8-9],光鑷不僅可以俘獲小至5 nm[10-11]的物體,還可以施加超過100 pN[12-13]的力。假設(shè)霧霾粒子的折射率n1大于周圍介質(zhì)的折射率n2,當(dāng)光子與微粒相互作用時,光子的部分動量將轉(zhuǎn)移到霧霾粒子上,這種動量轉(zhuǎn)移[14-15]正是產(chǎn)生光梯度力的機理[16]。對光學(xué)捕獲的恰當(dāng)物理描述:依賴于被捕獲粒子的尺寸d相對于捕獲光的波長λ,一般來講,當(dāng)d?λ時應(yīng)用射線光學(xué)理論,當(dāng)d?λ時應(yīng)用瑞麗散射理論。由于霧霾粒子的尺寸與激光波長相當(dāng),因此較為正確的描述應(yīng)介于這兩種理論之間。為了能夠進一步對霧霾粒子的光學(xué)捕獲原理進行一個定性的理解,可以應(yīng)用射線光學(xué)理論,更加直觀地解釋光梯度力。

(a)高斯激光束橫向梯度力 (b)高斯激光束縱向梯度力圖2 射線理論中光學(xué)捕獲粒子的梯度力

應(yīng)用射線光學(xué)理論,可從兩種介質(zhì)折射率不同的角度來理解捕獲力,圖2定性地說明了橫向梯度力和縱向梯度力的產(chǎn)生原因。橫向梯度力可解釋如下:當(dāng)光線I1和I2的強度不同時,光線傳遞的動量量級也不同,將傳遞到霧霾粒子上的動量-dp1和dp2沿x軸分解,從而在霧霾粒子中產(chǎn)生一個反作用力,方向指向光場場強最大區(qū)域[17],即高斯光束的光軸,這個反作用力的x軸分力趨向于遏止粒子偏離光軸。軸向梯度力的產(chǎn)生同樣是由于光折射后的動量傳遞,在霧霾粒子中產(chǎn)生一個指向焦點的回復(fù)力。在z軸方向上,粒子被牢牢地束縛在焦點附近,激光即可實現(xiàn)對霧霾粒子的三維捕獲。

1.2 激光消除霧霾機理分析

將霧霾顆粒等效為球體,大氣流中霧霾顆粒主要受到的力如下。

(1)氣流曳引阻力為

(1)

式中:ρg為流場中氣體的密度;Ag為顆粒物在與空氣主流流速垂直面上的投影;CD為黏性阻力系數(shù),取CD=24/Re;ug、up分別為氣流和霧霾粒子的速度。

(2)顆粒自轉(zhuǎn)形成的旋轉(zhuǎn)升力為

(2)

將霧霾顆粒等效為球體時,需引入修正系數(shù)K

(3)

式中:dp為霧霾粒子直徑;ρp為霧霾粒子密度;ω為霧霾粒子旋轉(zhuǎn)速度。

(3)流場中的速度梯度導(dǎo)致顆粒在運動時上下部分的流速不同,因此顆粒將受到一個沿垂直方向力的作用,當(dāng)顆粒上表面速度大于下表面速度時,形成一個向上的Saffman升力Fs,表達式如下

(4)

式中:μg為氣體動力黏度,Pa·s。

(4)范德瓦爾斯斥力為

(5)

式中:w為黏附功;h為霧霾顆粒的間隙;z0為范德瓦爾斯力平衡間距,取z0=0.4 nm。

光梯度力[18]為

Fgrad(r,t)=[p(r,t)]E(r,t)

(6)

Fgrad(r,t)=[αE(r,t)]E(r,t)

(7)

利用(E(r,t)E2-E(E)和麥克斯韋方程E=0,式(7)可改寫成

(8)

所以,激光場的光梯度力為

(9)

對大氣流中霧霾顆粒主要受到的力進行計算,計算結(jié)果如圖3所示,在不同粒子濃度下,功率為2.6 mW的氦氖激光器對粒徑分布在0.3～2.5 μm的霧霾粒子產(chǎn)生的光梯度力遠大于其處于懸浮狀態(tài)時所受的各種力。光梯度力捕獲霧霾粒子情況如下。

(1)激光光梯度力對霧霾粒子的捕獲能力遠大于大氣對霧霾粒子的懸浮能力,霧霾粒子間原有的力平衡體系被打破,從而加速了霧霾粒子的沉降。

(2)光梯度力隨著粒子半徑遞增,并隨著霧霾濃度的增大而增大,在激光逐漸衰減后而遞減。

(a)霧霾粒子濃度為200 μg/m3

(b)霧霾粒子濃度為500 μg/m3圖3 霧霾粒子所受的各種力

2 激光消除霧霾實驗設(shè)計及驗證

實驗最直接的方法是在霧霾天氣時選取一片空曠的場地并鋪滿白紙,向大氣中的霧霾輻射激光,在激光光梯度力的作用下,霧霾粒子斥力平衡體系被打破從而相互聚合、掉落,對比在有、無激光照射區(qū)域下白紙上顆粒的數(shù)目,分析激光是否能夠消除霧霾。但是,考慮到風(fēng)力的影響,霧霾粒子在墜落過程中會被吹離激光輻射區(qū)域,導(dǎo)致顆粒數(shù)目不準(zhǔn)確。此外,只能選取霧霾天氣的自然因素限制了實驗進行,針對單一的霧霾天氣狀況也難以分析激光光梯度力消除霧霾的主要技術(shù)參數(shù)。鑒于上述諸多因素的影響,實驗難以在室外進行,因此本文實驗的關(guān)鍵在于搭建一個霧霾粒子能夠長時間懸浮的霧霾模擬實驗艙,并配合顆粒物發(fā)生裝置、溫濕度計、顆粒稀釋器、激光粒子計數(shù)器等實驗設(shè)備,實時監(jiān)測實驗區(qū)域的顆粒物濃度、粒徑分布、溫濕度等參數(shù)指標(biāo)。

2.1 實驗布局及實驗原理

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18801—2015《空氣凈化器》,搭建了進行煙霧粒子懸浮實驗的霧霾模擬實驗艙,實驗艙內(nèi)尺寸為1.4 m×1.4 m×1.5 m,容積為3 m3,實驗艙示意圖、實物圖如圖4所示。實驗艙主要分為控制區(qū)、進樣區(qū)和觀察采樣區(qū)。艙內(nèi)設(shè)有高效空氣過濾器,用于凈化實驗艙內(nèi)空氣,在輸入煙霧之前,開啟循環(huán)風(fēng)道的風(fēng)閥,使艙內(nèi)氣體循環(huán)通過高效空氣過濾器,將顆粒物的背景濃度降低到標(biāo)準(zhǔn)值以下。攪拌風(fēng)扇位于艙內(nèi)頂部,主要用于使輸入的煙霧進入攪拌風(fēng)扇形成的空氣渦流中,保證艙內(nèi)煙霧粒子分布均勻。在實驗艙的底部放置硅膠加熱墊,保持溫度恒定在25 ℃。進樣區(qū)與顆粒物發(fā)生裝置相連接,選用標(biāo)準(zhǔn)顆粒物:香煙煙霧(紅塔山經(jīng)典150),焦油量為8 mg,將一支標(biāo)準(zhǔn)香煙放入香煙燃燒器內(nèi),香煙煙霧出口鏈接一根穿過實驗艙壁的輸送管路,空氣壓縮機持續(xù)提供支持燃燒的空氣和動力[19],煙霧經(jīng)過攪拌風(fēng)扇進入空氣渦流中。觀察采樣區(qū)與顆粒稀釋器和激光粒子計數(shù)器相連接,經(jīng)過顆粒稀釋器稀釋采集的氣體,稀釋采樣流量為20 mL,采用的稀釋比為960∶1。將稀釋后的氣體通入粒子計數(shù)器,記錄顆粒數(shù)目,粒子計數(shù)器的示數(shù)打印間隔設(shè)為1 min,計數(shù)器的采樣流量為2.83 L/min,與顆粒稀釋器相匹配。

(a)實物圖(b)示意圖圖4 霧霾模擬實驗艙

激光器布置在實驗艙進樣區(qū)對面的工作臺面上,由激光固定底座夾持,激光通過進樣口從實驗艙外部向?qū)嶒炁搩?nèi)部輻射。為保證實時測量煙霧濃度,調(diào)整激光固定底座支架的角度,使激光入口、煙霧采集口與激光束保持在同一水平高度上。入射的激光光束徑直輻射煙霧采集口,若光梯度力與懸浮顆粒相互作用而起到沉降粒子的效果,則一定是采集口處顆粒濃度最先發(fā)生變化,避免了艙內(nèi)粒子因再次混合造成的時間延遲。使用的激光器為氦氖激光器(HN-250),功率為2.6 mW,波長為632.8 nm。實驗中需要凸透鏡對激光擴束,擴大激光光束的照射范圍,用以提高粒子沉降效率,凸透鏡固定在艙壁的激光入口處,其中凸透鏡焦距為5 cm,采集口到凸透鏡的距離為0.5 m,此時光斑恰好覆蓋整個采集口區(qū)域。

設(shè)計的實驗方案為在煙霧粒子懸浮的中途開啟激光器,觀測各個階段粒子衰減速率。在實驗艙內(nèi)進行多次煙霧懸浮實驗時,由于難以精確控制進煙過程的各個因素,例如香煙的燃燒狀態(tài)不同導(dǎo)致粒徑分布的差異,多次實驗之間的對照分析不夠合理。因此,實驗中采用的方案為在單次實驗的中途開啟激光器,同時觀察顆粒濃度的變化,通過對比每個階段曲線曲率的大小,分析激光與煙霧是否產(chǎn)生相互作用,從而分析光梯度力是否能夠打破煙霧粒子的力平衡體系,達到沉降顆粒的目的。

2.2 霧霾模擬方法

霧霾模擬技術(shù)一直是大氣環(huán)境模擬的一個難點,本文采用燃燒法來模擬霧霾顆粒,選擇香煙作為燃燒物來模擬霧霾環(huán)境,模擬的參數(shù)主要有:霧霾濃度、霧霾成分、粒徑分布、相對濕度和溫度,實驗艙進煙時各個階段如圖5所示。

(1)霧霾濃度。依照國家標(biāo)準(zhǔn)GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》HJ618標(biāo)準(zhǔn),取PM10的二級日平均標(biāo)準(zhǔn),按照一般空氣、輕度霧霾(150 μg/m3)、中度霧霾(300 μg/m3)、重度霧霾(450 μg/m3)劃分。通過控制香煙燃燒量來控制霧霾濃度,根據(jù)香煙顆粒不易聚合、穩(wěn)定懸浮濃度高等特點,選用的測量儀器為激光粒子計數(shù)器。

(2)霧霾成分。霧霾化學(xué)成分主要有硫酸鹽、硝酸鹽、銨鹽,有機碳氫化合物粒子以及礦物顆粒等[20]。香煙經(jīng)燃燒后可生成細顆粒物以及煙焦油,其中煙焦油是有機質(zhì)在缺氧條件下不完全燃燒的產(chǎn)物,是眾多烴類及烴的氧化物、硫化物及氮化物的極其復(fù)雜的混合物。經(jīng)分析得出,香煙煙霧與霧霾在化學(xué)成分上具有一致性。

(3)粒徑分布。霧霾天氣下PM2.5和PM10質(zhì)量比大于74%,說明細污染物是造成冬季污染的主要因素[21-22]。香煙煙霧中PM2.5和PM10質(zhì)量比約為84.44%,且0～1.0 μm的顆粒物約占PM10總質(zhì)量的68.89%[23],與霧霾粒徑分布相似。

(4)相對濕度和溫度。霧霾環(huán)境的相對濕度在80%～90%,取85%為試驗濕度,霧霾環(huán)境的溫度取室外空氣溫度25 ℃。

(a)進煙前(b)進煙1 min

(c)進煙15 min(d)進煙30 min圖5 模擬霧霾的懸浮情況

2.3 實驗結(jié)果及分析

選用以散射法為測量原理的激光塵埃粒子計數(shù)器記錄煙霧粒子的濃度。光學(xué)傳感器的探測激光經(jīng)塵埃粒子散射后被光敏元件接收并產(chǎn)生脈沖信號,微粒散射光的強度隨微粒的表面積增加而增大,將測定散射光的脈沖信號放大,進行數(shù)字化處理,并與標(biāo)準(zhǔn)粒子散射信號進行比較。其中,電脈沖數(shù)量對應(yīng)于微粒的個數(shù),電脈沖的幅度對應(yīng)于微粒的大小,即可推知微粒的個數(shù)和大小。采用在霧霾自然衰減過程中開啟激光器的方式開始顆粒物的衰減實驗,分別觀測煙霧粒子在自然狀態(tài)下的衰減速率以及在激光輻射狀態(tài)下的衰減速率,實驗步驟如下:

(1)將采樣點位置布置好,避開進出風(fēng)口,離玻璃壁距離為0.5 m,相對實驗室地面高度為0.5 m,并與實驗艙外采樣器相連接;

(2)開啟高效空氣過濾器,凈化實驗艙內(nèi)空氣,使顆粒物粒徑在0.3 μm以上的粒子背景濃度小于1 000 L-1,同時啟動溫度控制裝置,使室內(nèi)溫度達到規(guī)定狀態(tài);

(3)待顆粒物背景濃度降低到合適水平,記錄顆粒物背景濃度,關(guān)閉高效空氣過濾器,啟動攪拌風(fēng)扇,煙霧輸送完畢后,關(guān)閉煙霧輸送管閥門,攪拌風(fēng)扇工作10 min,使顆粒污染物混合均勻后關(guān)閉攪拌風(fēng)扇;

(4)待攪拌風(fēng)扇停止轉(zhuǎn)動后,用顆粒計數(shù)器測定顆粒物的初始濃度C0;

(5)實驗艙內(nèi)的初始濃度(自然衰減的第1個取樣點)測定后,每1 min測定1次,并記錄顆粒物的濃度;

(6)在規(guī)定時間內(nèi)開啟激光器,觀測煙霧粒子濃度在激光梯度力的影響下的衰減速率。

本次實驗在觀測煙霧粒子濃度時,同時對直徑為0.3、0.5、1.0 μm的顆粒濃度進行計數(shù),用以分析光梯度力對不同大小微粒的作用情況。在16～39 min時間段內(nèi)開啟激光器,實驗結(jié)果如圖6所示。

(a)直徑為0.3 μm

(b)直徑為0.5 μm

(c)直徑為1.0 μm圖6 霧霾濃度隨時間的變化情況

由圖6可見,開啟激光器,即在16 min處,直徑分別為0.3、0.5、1.0 μm的粒子濃度曲線均有非常明顯的轉(zhuǎn)折,粒子濃度劇烈下降,并且在激光開啟過程中持續(xù)下降。3種不同大小的粒子衰減斜率均大于0～16 min的自然衰減曲線斜率,說明激光對粒子沉降起到了顯著作用,其中對1.0 μm直徑的粒子沉降效果最好。

激光器開啟30 min后,煙霧粒子在有激光作用的情況下衰減不明顯,有以下兩條原因:第一,在30～39 min時間段內(nèi),若此時艙內(nèi)底部的硅膠加熱墊處于加熱狀態(tài),受到激光作用而沉降的煙霧粒子,在自然對流的影響下被艙內(nèi)流體向上托起,導(dǎo)致采樣數(shù)偏大,因此曲線沒有明顯的下降趨勢;第二,衰減速率與粒子濃度有關(guān),艙內(nèi)粒子濃度較低時,受到激光作用的粒子數(shù)目減少,因此曲線趨向于平緩。另外,從曲線中可以發(fā)現(xiàn)粒子濃度上升的現(xiàn)象,原因可能在于加熱墊此時正在加熱,從而影響了粒子濃度。因此,在后續(xù)的實驗中,實驗艙在保溫可以采用設(shè)計外艙的形式,也可以采用設(shè)計保溫層的形式,避免采樣區(qū)受自然對流的影響。

3 結(jié) 論

本文以激光光梯度力破壞霧霾粒子力平衡體系進而消除霧霾的新機理為實驗方案,對粒徑為0.3、0.5、1.0 μm的霧霾粒子做了以下實驗分析。

(1)搭建了霧霾粒子能夠長時間懸浮的霧霾模擬實驗艙,配合顆粒物發(fā)生裝置、溫濕度計、顆粒稀釋器、激光塵埃粒子計數(shù)器等實驗設(shè)備,實時監(jiān)測實驗區(qū)域的顆粒物濃度、粒徑分布、溫濕度等參數(shù)指標(biāo)。

(2)根據(jù)理論計算,選定了額定功率為2.6 mW氦氖激光器,計算得出產(chǎn)生的光梯度力大于霧霾粒子間的斥力,可以打破霧霾粒子的平衡體系,使霧霾粒子達到沉降條件。

(3)進行了利用光梯度力消除霧霾粒子的實驗,證明了光梯度力對霧霾粒子的沉降作用。當(dāng)激光開啟時,實驗艙內(nèi)粒子濃度急劇下降,下降速率明顯高于粒子的自然下降速率,證明了光梯度力對粒子的沉降作用,粒徑越大,沉降的效果也更加明顯,說明利用光梯度力消除霧霾是可行的。該方法同樣也可以用來消除工廠粉塵等。

綜上所述,利用激光光梯度力可以破壞霧霾粒子的網(wǎng)狀平衡體系,消除霧霾,證明了新機理的可行性。