Philip Demokritou Ilias G.Kavours,David Harrsion,and Petros Koutrakis
(美國麻薩塞州波士頓哈佛大學公共健康學院環境科學與工程規劃系)
東北大學 苑春苗 孫 熙 譯
0.摘要 對于顆粒物分級采樣器來說，我們開發了一種常規的撞擊器，并在實驗室及現場測試中對其進行了核實。這種類型的采樣器由以下一些部件組成:一個撞擊器，可除去粒徑大于2.5pm的粒子;一個呈蜂窩狀的玻璃溶蝕器；一個厚47mm的濾膜組。該采洋器可在10和16.7L/m兩種采樣風速下工作。我們也對描述撞擊器性能的實驗數據進行了處理，并檢測了撞擊器的捕集效率，它是雷諾數、噴嘴出口與撞擊平板間距以及收集板類型等重要參數的函數。收集板的油脂涂層可使大于切割粒徑的反彈減至最小。另外，我們分別在10和16.7L/M風流下,作了一系列現場實驗，并進行了相互比較。我們也測量了PM2.5的質量和S042-的濃度，并與聯邦參考標準作了對比，兩者對比結果十分相符。同樣，在實驗室內的測量結果也表明撞擊器性能和聯邦參考標準有很好的一致性。
1.引語
現在對測量PM2.5粒子成分方法的需求越來越多。本篇論文主要論述PM分級采樣器的開發以及特性，此采樣器用來對大氣中的顆粒物以及氣體進行采樣，并分析PM2.5的化學組成特性。在實驗室和現場所做的實驗均是為了確定不同的設計參數對撞擊器性能的影響。設計參數如收集板涂層、噴嘴出口與撞擊板的間距。在美國各大城市的研究機構中，改進的撞擊器用來確定大氣中PM2.5粒子的化學組成。
2.簡介
流行病學的研究已經表明了PM與日益嚴重的死亡率和發病率之間的密切關系。最近各研究機構的結果己經指出PM粒子中可吸入部分(PM10和PM2.5)對人體健康有顯著的負面影響。因此，迫切需要用于測量微細PM粒子中下同化學組成的方法。這些方法也可用在美國環保部門的顆垃物分級網絡中。
為了對大氣中顆粒物及氣體進行采樣，我們實驗室開發出了一種分級采樣器，此采樣器的第一部分是一個常規多噴嘴慣性撞擊器，能除去粒徑大于2.5um的粒子，沿撞擊器往下是蜂窩狀的玻璃溶蝕器，用于除去有機或無機的酸性氣體，該溶蝕器是一個高3.8cm的圓柱體，內置212個六面體狀的玻璃試管。它比環型的溶蝕器有更高的容量。通過溶蝕器下游風流中的顆粒物用厚度47mm的濾膜組捕集。兩個溶蝕器可串聯使用，第一個可涂上碳酸鈉或甘油除去酸性氣體，第二個可涂上檸檬酸除去氨氣。
后來sioutas開發出了一個經改進的撞擊器，它是單噴嘴的，用油脂的燒結磁盤作為收集板。雖然這種單噴嘴設計減少丁多個射流之間的相互干擾，但大于切割粒徑粒子的反彈很明顯。并且，與上述的撞擊器相比，這種撞擊器的切割粒徑是2.1um，低于聯邦參考標準(2.5um)。
為了減輕粒子反彈，我們設計并測試了一種新的撞擊器。僅通過簡單地調節其加速噴嘴,它就可在10或16.7L/Min風流下工作。作為這次開發的一部分，我們也對幾種不同涂層類型的收集板進行了測試，包括不同孔徑的油脂金屬盤片和油脂涂層收集板。并且，為了確定不同的設計參數對撞擊器性能的影響，我們也對參數進行了研究，這些參數如噴嘴出口與噴嘴間距和收集板直徑。
3.方法
3.1撞擊器 撞擊器能很好地進行顆粒捕集并對其進行分類，常規的撞擊器包含一個噴嘴，含塵氣流通過該噴嘴撞擊在已含有撞擊塵粒的平面上，其基本原理是由于顆粒物的慣性沉積作用，使處于撞擊區域或者停滯點的氣溶膠粒子發生一種特殊運動。在撞擊過程中，氣流突然改變萬向，大于切割粒徑的顆粒撞擊在于板上被截留，而小于切割粒徑的顆粒將被氣流帶走，不能被捕獲。根據撞擊理論，斯托克斯數Stk是撞擊的主導參數，定義如下:
這里p是噴嘴處氣流的絕對壓強。
在理論和數字方面,慣性撞擊器已被作了廣泛的研究，從納維爾-斯托克斯流體等式,我們可以得到關于其中重要設計參數的幾個準則，對于圓形噴嘴的撞擊器來說，以50%效率被捕獲的顆粒物空氣動力學直徑,也稱切割粒徑或分割粒徑,其對應的值為////的一半。因此，已知風速和噴嘴直徑,由等式(1)可理論上計算出中位徑。
撞擊器設計主要有三個需要注意的地方:搞集表面的粒子反彈、收集板顆粒的過度沉積、分級效果減退(粒子被捕集在表面上不是在收集板上),減輕粒子反彈的常用方法是在撞擊平板上涂上粘性物質如油脂或原油。為駐留這些涂料需要孔狀的收集板。孔狀金屬盤片、孔狀玻璃纖維薄膜、聚四乙烯膜濾器均已被用在多種撞擊器中。
并且，收集板需要在各負載情況下運轉良好。一旦在撞擊平板捕集了一層粒子之后，接著進來的顆粒將撞擊在這些粒子上，發生反彈。因此，收集板的容量要足夠的大，以保證高效的捕集效率，尤其在高負載的情況下。其它一些因素如油脂涂層的厚度、顆粒物的硬度、形狀也會對粒子反彈產生影響。另外一個重要設計參數，S/W，對整個撞擊器的性能有很大的影響。 這里，S為噴嘴出口與撞擊平板的間距，W為噴嘴直徑。根據Marple等人對常規披擊平板的 數字夯析，對于圓形噴嘴來說，S/W應大于1，矩形的應大于1.5。
3.2分級采樣器 分級采樣器(CHEMCOMB)如圖1所示。它第一部分是常規的慣性撞擊器，可截留大于2.5um的顆粒。呈蜂窩狀的玻璃溶蝕器放置在撞擊器的下風側，除去有機或無機酸性氣體。通過溶蝕器的氣體由厚47mm的濾膜組捕集。圖1說明了采樣器的四個主要組成部分;加速噴嘴、收集板、蜂窩溶蝕器、過濾器支架。所有這些部分為鋁質的，內部含有碳，外有特氟隆(聚四氟乙烯)涂層，可減少活性氣體在內表面的粘附。僅簡單地調節噴嘴部分，該采樣器就可在 10和16·7L/min兩種不同的風速下工作。為與哈佛/美環保機構-環形溶蝕系統和聯邦參考標準中的風流及切割點特性相吻合，分別選定了這兩種風速。撞擊部分和過濾器支架通過彈簧夾連接到采樣器殼體上。重要的設計參數如表1所示。
注釋:Re為雷諾數;S為加速噴嘴出口與收集板的距離(cm);加速噴嘴的喉部長度(cm); Stk50為50%撞擊概率的顆粒的斯托克斯數，無量綱;W，對圓形噴嘴為噴嘴直徑，對矩形噴嘴為寬度的一半。
收集板是一個高度為0.13cm，直徑為2.54Cm的中空的鋁質盤片。有兩種類型的收集板:浸油的孔狀金屬盤片和油脂涂層的收集板。孔狀的金屬盤片可緊緊地插入到中空的鋁質盤片中，且沒有礦物油(石蠟油、非流體油類、Malilinckrodt)可減輕粒子反彈。我們對幾種不同孔徑的金屬盤片進行了檢測。油脂表面的收集板是往鋁質盤片的中間空腔填充硅油脂作成的，我們也對其進行了檢測。光滑的油脂表面可使撞擊區的紊流減至最小。撞擊表面的光滑程度對撞擊器的性能來說是非常重要的。 |
