田 瑩, 張國城, 劉佳琪, 沈上圯, 吳 丹, 潘一廷, 荊文杰

(北京市計量檢測科學研究院國家生態(tài)環(huán)境監(jiān)測治理產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，北京100029)

1 引 言

近年來,空氣顆粒物造成的環(huán)境污染已成為急需解決的問題之一。多種有毒、有害物質(zhì)吸附在顆粒物表面,通過支氣管和肺泡溶解在血液中,導(dǎo)致呼吸道和心血管疾病,嚴重危害人體健康[1～3]。為了確保有害氣溶膠的濃度維持在造成健康不良效應(yīng)的閾值以下,大氣顆粒物濃度的準確監(jiān)測非常重要[4,5]。切割器作為顆粒物濃度監(jiān)測儀器的核心部件,對于粒徑分級至關(guān)重要,根據(jù)切割粒徑不同,可分為細顆粒物(PM2.5)切割器,亞微細顆粒物(PM1)切割器等。根據(jù)結(jié)構(gòu)不同,分為撞擊式,虛擬撞擊式和旋風式切割器。切割器的性能直接決定了監(jiān)測結(jié)果的準確性,因此,HJ 93—2013標準對PM2.5等切割器的性能評價方法和指標要求進行了明確規(guī)定[6]。

此前,已有研究人員開展了切割器的評價工作,Barth根據(jù)顆粒物受到的離心力和阻力的相對大小來預(yù)測旋風切割器的采集效率[7]。Iozia和Leith團隊基于旋風切割器入口面積、高度和流速等提出預(yù)測采集效率的方程[8,9]。阮兵等采用多分散和單分散標定裝置對PM1.0/PM2.5旋風切割器的性能進行測試[10,11]。本課題組前期利用空氣動力學粒徑譜儀法獲得了PM1.0/2.5/10.0切割器的物理采集效率[12～14],并通過研究顆粒種類對測量結(jié)果的影響[15],揭示了流量變化會引起切割曲線平移,進而實現(xiàn)PM2.5/PM1.0切割器的切換[13]。

本研究基于靜態(tài)箱法搭建的切割器評價系統(tǒng),通過改變標準流量旋風式切割器、可調(diào)流量旋風式切割器(市場上存在的一種可通過調(diào)整采樣流量,實現(xiàn)PM2.5或PM10切換的切割器)和撞擊式切割器的采樣流量實現(xiàn)PM1.0/PM2.5/PM4.0切割模式的切換,并研究了儀器結(jié)構(gòu)對切換的影響,探索了采樣流量與D50關(guān)系的適用性。

2 實驗方案

實驗采用的旋風切割器為BGI公司生產(chǎn)的VSCC-PM2.5、VSCC-PM1.0切割器、VSCC1.829切割器和VSCC2.654切割器。撞擊式切割器為國產(chǎn)品牌的PM2.5切割器。其中VSCC-PM2.5,VSCC-PM1.0和PM2.5撞擊式切割器的標準工作流量為16.7 L/min,這幾種切割器的實物如圖1所示。

圖1 不同原理的切割器實物圖Fig.1 Pictures of cutters with different principles

實驗基于靜態(tài)箱法的原理搭建了切割器的評價系統(tǒng),包括氣溶膠發(fā)生系統(tǒng),生物氣溶膠混勻艙,切割和參比管路,空氣動力學粒徑譜儀等。通過霧化亞利桑那塵(A1塵)懸浮液,在艙內(nèi)形成連續(xù)粒徑分布的氣溶膠(圖2)。為了保證混勻艙內(nèi)維持合適的氣溶膠濃度,光散射粉塵儀實時監(jiān)測艙內(nèi)氣溶膠濃度,并反饋給控制系統(tǒng),從而完成閉環(huán)調(diào)節(jié)。利用顆粒物傳感器對艙內(nèi)不同位置的氣溶膠濃度均勻性和穩(wěn)定性進行測試,結(jié)果均優(yōu)于規(guī)范中的指標要求,以上結(jié)果表明系統(tǒng)內(nèi)部的氣溶膠濃度穩(wěn)定且分布均勻,為后續(xù)實驗奠定基礎(chǔ)[16～18]。艙內(nèi)安裝待測切割器和參比管路,連接空氣動力學粒徑譜儀,分別記錄切割器切割前后的氣溶膠濃度,即切割器上游顆粒物數(shù)濃度C1和切割器出口的下游顆粒物數(shù)濃度C2,其采集效率E的計算式為:

(1)

將不同粒徑下的濃度比通過擬合繪制出切割器的采集效率曲線。因空氣動力學粒徑譜儀的進氣流量為5 L/min,所以可根據(jù)待測切割器的工作流量進行調(diào)整,移除或者補充氣體,保證空氣動力學粒徑譜儀的正常工作。

圖2 切割器的評價系統(tǒng)Fig.2 Evaluation system of cutter

通過切割器的采集效率曲線可以得到切割器的重要性能指標,例如,D16,D50,D84指的是在切割器采集效率為16%,50%,84%時對應(yīng)的空氣動力學粒徑,銳度值用于描述采集效率曲線的陡峭性。幾何標準差δg及銳度值(S)的計算式如下:

(2)

(3)

3 結(jié)果和討論

3.1 標準流量旋風式切割器D50與流量的關(guān)系

大氣顆粒物監(jiān)測中,大部分使用采樣流量為16.7 L/min的切割器,又稱為標準流量切割器,例如BGI生產(chǎn)的VSCC-PM2.5和VSCC-PM1.0切割器。利用搭建的評價系統(tǒng)對切割器性能測試,結(jié)果如表1所示,在標準的工作流量16.67 L/min的條件下,PM2.5切割器的D50是2.57 μm,符合HJ 93—2013標準中對PM2.5切割器的要求,D50合格范圍(2.5±0.2) μm,幾何標準偏差合格范圍1.2±0.1。PM1.0切割器的D50為1.0 μm,在1.2±0.1的范圍內(nèi),幾何標準偏差分別為1.29和1.28。銳度值可用于表征采集效率曲線的陡峭性,切割器出口直徑越小,流量越大,銳度值越小,采樣效率曲線越陡峭,從而避免在高負荷采樣條件下,切割器切割粒徑的偏移[19]。

表1 VSCC-PM1.0和VSCC-PM2.5旋風式切割器的性能指標Tab.1 Performance indexes of VSCC-PM1 and VSCC-PM2.5 cutters

為研究采樣流量對旋風式切割器性能的影響,調(diào)整切割器的采樣流量,由圖3(a)和(b)可知,采集效率曲線隨著流量增加不斷左移,切割粒徑D50隨著采樣流量的增加不斷降低。因此可以通過改變采樣流量Q得到相應(yīng)的切割粒徑。通過擬合曲線得到D50與采集流量的曲線關(guān)系(圖3(c)和圖3(d)):D50=34.73×Q-0.928,R2=0.997(PM2.5切割器);D50=14.81×Q-0.939,R2=0.976(PM1.0切割器)。

當PM1.0切割器的采樣流量從16.67 L/min調(diào)節(jié)到6.67 L/min和4.00 L/min時,D50由1.00 μm變化到2.70 μm和4.14 μm,即由PM1.0切割器切換為PM2.5和PM4.0采樣;當PM2.5切割器的流量從16.67 L/min變化到10 L/min和40.67 L/min時,D50由2.57 μm變化到4.09 μm和1.05 μm,即由PM2.5切割器切換到PM4.0和PM1.0切割器。因此,對于標況流量為16.7 L/min的PM1.0切割器,流量變化到40%和25%左右時,可以切換到PM2.5和PM4.0切割器。同樣對于旋風式PM2.5切割器,PM1.0、PM2.5和PM4.0切割模式的變換,其對應(yīng)的流量比也是特定的,且比例與PM1.0切割器基本一致。

旋風式切割器通過利用圓柱結(jié)構(gòu)中氣流產(chǎn)生的離心力將顆粒物按粒徑大小分離。在旋風式切割器氣流中運動的氣溶膠粒子會由于離心力作用而脫離運動軌跡。顆粒物粒徑越大受到的離心力越大,從而在內(nèi)壁形成更多沉積,提高切割器的采集效率。切割器切割粒徑隨采樣流量改變的原因主要是采樣流速的增加導(dǎo)致內(nèi)部空氣速度和離心效應(yīng)的增加,從而減小切割粒徑[20]。

圖3 采樣流量對VSCC-PM2.5和VSCC-PM1切割器的影響Fig.3 Influence of sampling flow rate on VSCC-PM2.5 and VSCC-PM1 cutters

3.2 可調(diào)流量旋風式切割器D50與采樣流量的關(guān)系

對于可調(diào)流量BGI旋風式切割器,其設(shè)計目的就是實現(xiàn)不同流量下不同切割模式的切換,為不同場合的使用提供便利。通過選取VSCC2.654和VSCC1.829這2個型號進行驗證,研究流量對切割粒徑D50的影響,結(jié)果如圖4和表2所示。通過擬合曲線得到D50與采集流量的曲線關(guān)系:D50=26.88×Q-1.083,R2=0.999(VSCC2.654切割器);D50=18.95×Q-1.422,R2=0.960(VSCC1.829切割器)。同樣可以通過改變采樣流量來得到相應(yīng)的切割粒徑,拓寬切割器的使用范圍。模型曲線和實驗擬合曲線結(jié)果顯示,VSCC2.654和VSCC1.829在采樣流量較大時呈現(xiàn)出較好的重合度,但采樣流量較小時,偏差逐漸增大。

3.3 切割器D50快速評估方法

多種旋風式切割器中,采樣流量Q與切割器D50的函數(shù)關(guān)系擬合度高,但不同切割器擬合出的參數(shù)有所差異,且復(fù)雜難以記憶。結(jié)合表1和表2的數(shù)據(jù),可以發(fā)現(xiàn)不同流量下,D50和對應(yīng)流量Q的乘積近似相等,即兩者呈現(xiàn)反比關(guān)系,見式(4)。以VSCC-PM1.0切割器為例,D50由1.00 μm增加到2.50 μm和4.00 μm時,可以計算出對應(yīng)的理論采樣流量下降到原來的40%和25%,與實測結(jié)果一致。

D50×Q=常數(shù)

(4)

表2 VSCC2.654和VSCC1.829旋風式切割器在不同采樣流量下的性能指標Tab.2 Performance indexes of VSCC2.654 and VSCC1.829 cutter under different sampling flow rates

根據(jù)式(4)可以快速估算出其他切割粒徑D50對應(yīng)的采樣流量,即通過流量調(diào)節(jié)可快速實現(xiàn)某一切割器在PM1.0、PM2.5或PM4.0等多種切割模式之間的切換。

3.4 撞擊式切割器D50與采樣流量的關(guān)系

同時,撞擊式切割器在長時間采樣過程中,由于氣溶膠顆粒在涂油的撞擊板表面累積導(dǎo)致切割粒徑發(fā)生變化。而且當溫度低于25 ℃時,油層會發(fā)生結(jié)晶,影響切割器的性能,需要較為頻繁地進行清潔[22,23]。因此,旋風式切割器在長時間采樣時,更具有優(yōu)勢。

圖5 流量對PM2.5撞擊式切割器的影響Fig.5 Influence of flow rate on impaction-type PM2.5 cutter

表3 PM2.5撞擊式切割器在不同采樣流量下的性能指標Tab.3 Performance indexes of impaction-type PM2.5 cutter under different sampling flow rates

4 結(jié) 論

本文利用靜態(tài)箱法,研究了多種旋風式切割器和撞擊式切割器采樣流量與切割粒徑D50的關(guān)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn)對于旋風式切割器,無論PM1或PM2.5,還是標準流量或可調(diào)流量,采樣流量Q和切割粒徑D50的乘積均近似相等,即兩者近似呈反比關(guān)系。通過某一額度流量下對應(yīng)的切割器類型,可快速估算出它轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌愋颓懈钇魉鶎?yīng)的采樣流量,通過流量調(diào)節(jié)可快速實現(xiàn)某一切割器在PM1.0、PM2.5或PM4.0等多種切割模式之間的切換,或根據(jù)實際采樣流量的偏差快速評估切割粒徑D50的偏差,這在實際應(yīng)用中具有一定的指導(dǎo)意義。對于撞擊式切割器,本研究中D50的平方根與采集流量近似成反比,但是該函數(shù)關(guān)系對其他型號的切割器,及其他流量的切割器能否適用,有待進一步研究。