刘佳琪, 张国城, 吴丹, 沈上圯, 荆文杰, 霍胜伟, 赵晓宁
北京市计量检测科学研究院/国家生态环境监测治理产品质量监督检验中心(北京), 北京 100029
收稿日期: 2021-03-04; 修回日期: 2021-03-19; 录用日期: 2021-03-19
基金项目: 国家质量基础的共性技术研究与应用国家重点研发计划（No.2017YFF0205504）；中国博士后科学基金面上资助项目（No.2019M660538）
作者简介: 刘佳琪(1990—), 女, 博士, E-mail: liujq@bjjl.cn;
张国城(1980—), 男, 教授级高工, 北京市计量检测科学研究院生态环境与能源资源研究所所长, 长期从事化学分析与环境监测仪器的计量检测研究.Email: zhanggc@bjjl.cn
通讯作者（责任作者）: 张国城, E-mail: zhanggc@bjjl.cn

摘要：通过搭建基于静态箱法的切割器捕集效率评价系统，分别评价了几种常见国产非国标法颗粒物切割器的性能.结果表明，2~3 L·min^-1的小流量国产切割器的D_a50在2.5 μm附近，但曲线形状与标准形状差异较大，几何标准偏差不符合要求；可调流量国产切割器符合国家标准对PM_2.5切割器的性能要求，但不符合对PM₁₀切割器的性能要求；带切换阀切割器的切换阀如果未能完全切换到预定位置，会影响切割器的性能指标.通过与同类型的进口切割器对比，揭示了国产非国标法颗粒物切割器目前存在的问题较多，并对其提出了改进建议，如提高切割器的加工精度、优化切换阀控制准确度等.
关键词：静态箱法捕集效率颗粒物切割器小流量可调流量
Performance evaluation and problem analysis of several common non-national standard particulate matter cutters
LIU Jiaqi, ZHANG Guocheng, WU Dan, SHEN Shangyi, JING Wenjie, HUO Shengwei, ZHAO Xiaoning
Beijing Institute of Metrology/National Quality Supervision and Inspection Center for Ecological & Environmental Products(Beijing), Beijing 100029
Received 4 March 2021; received in revised from 19 March 2021; accepted 19 March 2021
Abstract: By developing an evaluation system to quantify the cutter's collection efficiency based on static box method, several domestic non-national standard particulate matter cutters were evaluated. The results showed that the Da₅₀ of domestic cutters with small flow rate of 2~3 L·min^-1 is about 2.5 μm, while the curve shape was quite different from the standard shape, and the geometric standard deviation could not meet the requirements. The domestic cutters with adjustable flow met the performance requirements of PM_2.5 cutter in the national standard, but could not meet the performance requirements of PM₁₀ cutter. As for the cutters with switchable valves, the performance of the cutter would be affected if the valves were not fully switched to the preset position. By comparing the performance indicators of domestic and imported cutters, the problems existing in domestic non-national standard particulate cutters were revealed. Several suggestions of advancement were put forward, including improve the machining precision of the cutter, optimize the control accuracy of switching valves, etc.
Keywords: static box methodcollection efficiency evaluationparticulate matter cuttersmall flowrateadjustable flowrate
1 引言(Introduction)随着空气质量的变化, 对于环境颗粒物的采样及其成分、浓度的监测成为了环境监测领域的重要内容(常清等, 2015；Rissler et al., 2017；张国城等, 2017；Wang et al., 2020；Zuo et al., 2020).切割器是扬尘监测系统、各类型粉尘仪前端的重要部件, 可实现不同粒径范围的颗粒物分级、筛选(杜朋等, 2017；刘泽华等, 2017；Le et al., 2017；阮兵等, 2018).近年来, 有研究人员针对不同原理的切割器(旋风式、撞击式、虚拟式等)开展了研究(贾丽娜等, 2017；Wang et al., 2017；Kuo et al., 2018), 主要研究方法有静态箱法、分流法等, 研究内容包括切割器内部结构变化、气流扰动等因素对其性能的影响(Lin et al., 2018；阮兵等, 2018；Du et al., 2020).这些研究大多针对依据HJ 93—2013标准附件中提供的图纸尺寸加工的、额定工作流量为16.67 L·min^-1的PM_2.5或PM₁₀切割器(国家环境保护总局, 2013).随着环境监测领域的技术发展, 市面上除了16.67 L·min^-1的切割器以外, 还出现流量为2~3 L·min^-1的切割器、通过调整采样流量实现PM_2.5或PM₁₀切换的切割器, 以及通过切换阀在PM_2.5或PM₁₀之间切换的切割器等非国标法颗粒物切割器.对于这些非国标法颗粒物切割器, 一方面缺乏可参考的加工图纸, 其性能往往因为加工精度、设计方案的不同而存在一些差异；另一方面, 由于长期缺乏相关检测或评价设备, 无法对颗粒物切割器性能进行评价, 导致其性能是否合格无从可知.为了保障环境监测数据的准确性, 提升相关监测仪器的产品质量, 对这些非国标法颗粒物切割器的评价研究与现状分析是很有必要的.
基于此, 本文通过搭建基于静态箱法的切割器评价系统(潘一廷等, 2020；刘佳琪等, 2021a), 主要针对以上3类比较有代表性的非国标法颗粒物切割器进行评价(刘佳琪等, 2021b; 2021c), 以期为规范切割器的生产、应用, 以及提高我国环境监测数据的准确性提供参考.
2 装置与方法(Device and method)2.1 捕集效率评价装置评价装置的组成结构如图 1所示, 包括雾化器、混匀舱、测试舱、控制系统、空气动力学粒径谱仪(TSI, APS3321, 美国)和抽气泵.采样器和参比管路位于测试舱内, 下方通过两个电磁阀切换控制两路的开关, 实现空气动力学粒径谱仪对采样器上游(参比管路)和下游(采样器后端)的颗粒物数量浓度的测量.
图 1(Fig. 1)

图 1 切割器捕集效率评价装置结构示意图 Fig. 1Schematic diagram of cutter efficiency evaluation device

控制系统可分别控制雾化和洁净气流稀释干燥的流量, 通过与测试舱内的粉尘仪进行通信, 可实时读取测试舱内的粉尘浓度, 作为反馈参与流量的PID闭环调节, 从而实现测试舱内的浓度最终稳定在设定的目标浓度值.粉尘浓度的动态闭环调节在测量全程都处于开启状态, 可满足测试舱内的粉尘浓度稳定性和均匀性偏差均不超过5%.抽气泵的抽气流量可精确调控, 用于满足采样流量符合采样器的标准工作流量.
2.2 测量方法本研究选用的3种类型的切割器为PM₁₀切割器或PM_2.5切割器, 根据HJ 93—2013标准的规定, 评价这两种切割器需要各使用8种空气动力学粒径范围的单分散颗粒物进行捕集效率的测量.本实验选用标准规定范围内的单分散聚苯乙烯微球标准物质进行评价, 分别使用不同的雾化器对各粒径的微球悬浮液进行雾化发尘, 依次测量各粒径下的捕集效率.
捕集效率的测量遵循以下步骤进行, 使用空气动力学粒径谱仪分别对待评价切割器上、下游的颗粒物数量浓度进行测量, 求取二者比值, 得出该粒径下的捕集效率.为了提高测量的准确度, 实验过程中分别对上、下游的数量浓度进行3次测量, 计算3次捕集效率的相对标准偏差, 当偏差不超过10%时, 才认为测量结果有效, 并将3次结果的平均值作为该粒径下的捕集效率值.按照此步骤依次测量8个粒径下的捕集效率后, 依照反向对称S曲线方程, 可拟合出捕集效率曲线(Thomas et al., 2001；修宏宇等, 2017).由曲线可获取捕集效率为84%、50%和16%时的空气动力学粒径值, 即D_a84、D_a50和D_a16, 再计算出该捕集效率曲线的几何标准偏差(D_a16/D_a50和D_a50/D_a84).
根据HJ 93—2013标准的规定, PM₁₀切割器和PM_2.5切割器的D_a50合格范围分别为(10±0.5) μm和(2.5±0.2) μm, 二者的几何标准偏差合格范围分别为1.5±0.1和1.2±0.1, 对比此性能指标即可判定待评价切割器是否合格.
3 结果与讨论(Results and discussion)3.1 小流量切割器为了对比国产及进口的较小流量切割器的捕集效率, 此处分别选择了国产A品牌及进口B品牌的撞击式小流量切割器, 需要说明的是, 此处的“小流量切割器”是本研究为了区分工作流量为2~3 L·min^-1与16.67 L·min^-1的切割器提出的概念, 并不能作为此类型切割器的广义名称.A品牌和B品牌的切割器工作流量分别为2 L·min^-1和3 L·min^-1, 二者的实物如图 2所示.
图 2(Fig. 2)

图 2 小流量切割器实物照片 (a.国产, b.进口) Fig. 2Photos of domestic(a) and imported(b) small flow cutters

评价结果如图 3所示, 国产和进口的PM_2.5切割器的D_a50分别为2.46 μm和2.54 μm, 差异不大, 但二者曲线形状差别较大.进口B品牌的撞击式小流量切割器的捕集效率曲线是与常见的16.67 L·min^-1切割器一致的反向S型曲线, 其几何标准偏差D_a16/D_a50和D_a50/D_a84分别为1.23和1.26, 但国产的该类型切割器捕集效率曲线并不符合此形状, 且在标准规定的8种粒径聚苯乙烯微球标准物质测量范围内, 其捕集效率无法覆盖84%和16%, 以至于无法计算几何标准偏差.本课题组还检测过几家国内其他厂家生产的此类型切割器(刘佳琪等, 2021b; 2021c), 结果与A品牌类似, 即D_a50满足在2.5 μm的要求, 但曲线形状与标准形状差异较大, 几何标准偏差不符合HJ 93—2013标准的要求.可见国产小流量切割器的性能与进口切割器相比还有差距, 需进一步提升结构设计与加工精度.
图 3(Fig. 3)

图 3 国产(a)与进口(b)小流量PM2.5切割器评价结果对比 Fig. 3Comparison of evaluation results between domestic(a) and imported(b) small flow cutters

3.2 可调流量切割器如果颗粒物切割器切采样流量发生变化, 其切割性能也会发生变化, 因此, 市场上存在一种通过调整采样流量, 实现PM_2.5或PM₁₀切换的切割器, 称之为可调流量切割器.此处分别选择了国产的C品牌和进口的D品牌可调流量切割器进行对比, 二者实物如图 4所示.
图 4(Fig. 4)

图 4 可调流量切割器实物照片 (a.国产, b.进口) Fig. 4Photos of domestic(a) and imported(b) adjustable flow cutters

根据产品说明, C品牌和D品牌切割器在1.5 L·min^-1和5 L·min^-1时分别对应PM₁₀切割器及PM_2.5切割器的功能.分别使用这两个流量对两个品牌的切割器进行评价, 其捕集效率曲线如图 5所示.国产的C品牌切割器PM₁₀切割器及PM_2.5切割器的D_a50分别为8.25 μm和2.42 μm, 进口的D品牌切割器PM₁₀切割器及PM_2.5切割器的D_a50分别为10.38 μm和2.4 μm.按照HJ 93—2013标准要求, 国产的C品牌切割器符合PM_2.5性能要求, 但PM₁₀性能不符合要求；相比之下, 进口D品牌PM_2.5和PM₁₀性能均符合要求.测量出的具体性能参数如表 1所示.
图 5(Fig. 5)

图 5 国产(a)与进口(b)可调流量切割器评价结果对比 Fig. 5Comparison of evaluation results between domestic(a) and imported(b) adjustable flow cutters

表 1(Table 1)

表 1 国产与进口可调流量切割器评价结果 Table 1 Evaluation results of domestic and imported adjustable flow cutters

表 1 国产与进口可调流量切割器评价结果 Table 1 Evaluation results of domestic and imported adjustable flow cutters 类型 Da50/μm 几何标准偏差 Da16/Da50 Da50/Da84 国产 PM10 8.25 1.68 1.63 PM2.5 2.42 1.29 1.18 进口 PM10 10.38 1.41 1.59 PM2.5 2.40 1.29 1.27

3.3 可切换通道切割器为了实现在同一台仪器上进行PM_2.5和PM₁₀的测量, 但又不增加硬件成本, 市场上出现了使用同一个采样口、同一个检测器的PM_2.5/PM₁₀监测系统, 在采样口和监测器之间分为两个粒径切割管路, 通过内置切换阀实现PM_2.5或PM₁₀两个管路之间的切换.其外形与常规的切割器类似, 但在内部有一个可切换的部件, 研究发现切换阀调整是否到位将直接影响其作为PM_2.5切割器的性能.本研究评价的可切换双通道切割器为国产某品牌产品, 其实物如图 6所示.
图 6(Fig. 6)

图 6 可切换通道切割器实物照片 Fig. 6Photo of switchable channel cutters

在实验过程中调整前后得到的捕集效率分别如图 7a中的两条曲线所示.准确调整切换阀前测量得到的PM_2.5切割器捕集效率性能指标并不符合标准的规定.经过进一步调整切换阀的位置, 将PM_2.5切割器部分调整至正确位置后, 其性能指标符合标准规定.可见针对此类可切换通道的切割器, 除了切割器本身结构设计与加工精度需要注意外, 切换阀移动的精确程度对切割器体现出的性能指标也是非常重要的.另外, 当切换阀处于关闭状态, 即仅有PM₁₀切割器起作用时, 其捕集效率曲线如图 7b所示, 性能指标符合标准规定.此过程中得到的具体评价结果呈现在表 2中.
图 7(Fig. 7)

图 7 可切换通道切割器评价结果 (a.PM2.5, b.PM10) Fig. 7Evaluation results of switchable channel PM2.5(a) and PM10(b) cutter

表 2(Table 2)

表 2 可切换通道切割器评价结果 Table 2 Evaluation results of switchable channel cutter

表 2 可切换通道切割器评价结果 Table 2 Evaluation results of switchable channel cutter 颗粒物名称 Da50/μm 几何标准偏差 Da16/Da50 Da50/Da84 PM10 10.31 1.41 1.59 PM2.5 调整前 2.99 1.35 1.26 调整后 2.63 1.28 1.12

3.4 讨论本研究参照HJ 93—2013标准的方法, 搭建切割器捕集效率评价系统, 对切割器的捕集效率进行测量, 拟合得出捕集效率曲线, 通过曲线获取D_a50和几何标准偏差.通过实验发现, 国产和进口的小流量PM_2.5切割器的D_a50均符合标准要求, 但二者曲线形状差别较大.进口切割器的捕集效率曲线呈反向S型曲线, 而国产的该类型切割器捕集效率曲线并不符合此形状, 且其捕集效率无法包括84%和16%, 以至于无法计算几何标准偏差.可调流量的国产切割器符合标准对PM_2.5切割器的性能要求, 但PM₁₀性能不符合要求；相比之下, 进口切割器的两种性能均符合要求.对比来看, 前两种进口切割器的性能更优.另外, 可切换通道切割器的切换阀可能出现调节不到位的情况, 会直接影响其性能指标, 需要提高切换阀的调节精度.
4 结论(Conclusions)通过搭建基于静态箱法的切割器捕集效率评价系统, 对几种常见非国标法颗粒物切割器的性能进行评价, 获取这几款切割器的D_a50和几何标准偏差, 并将这些性能参数与进口切割器进行对比.实验结果表明, 2~3 L·min^-1的小流量国产切割器除了D_a50满足在2.5 μm附近的要求外, 曲线形状与标准形状差异较大, 几何标准偏差不符合HJ 93—2013标准的要求；可调流量的国产切割器符合标准对PM_2.5切割器的性能要求, 但其作为PM₁₀切割器的性能不符合要求；相比之下, 比对的两种进口颗粒物采样器均符合要求, 说明国产非国标法切割器结构和加工精度有待改进, 质量有待提高.研究还发现, 带切换阀的可切换通道切割器虽然能降低检测成本, 但如果切换阀未能完全切换到预定位置, 将会影响切割器性能的准确性, 从而影响颗粒物监测结果的可靠性, 这需要引起厂家的重视.

参考文献

常清, 杨复沫, 李兴华, 等. 2015. 北京冬季雾霾天气下颗粒物及其化学组分的粒径分布特征研究[J]. 环境科学学报, 35(2): 363-370.

杜朋, 桂华侨, 刘建国, 等. 2017. 环境空气PM2.5切割器性能测试系统建立及应用[C]. 第十三届全国气溶胶会议. 石家庄

Du P, Liu J G, Gui H Q, et al. 2020. Development of a static test apparatus for evaluating the performance of three PM2.5 separators commonly used in China[J]. Journal of Environmental Sciences, 32: 238-249.

Fredericks S, Saylor J R. 2018. Ring-shaped deposition patterns in small nozzle-to-plate distance impactors[J]. Aerosol Science and Technology, 52: 1. DOI:10.1080/02786826.2018.1418566

国家环境保护总局. 2013. HJ 93-2013, 环境空气颗粒物(PM10和PM2.5)采样器技术要求及检测方法[S]. 北京: 中国环境科学出版社

贾丽娜, 徐有宁, 刘洋, 等. 2017. PM2.5双通道粉尘检测仪采样切割器的设计与评价[J]. 轻工科技, (11): 95-96.

Kuo F Y, Lin Y C, Ke L Y, et al. 2018. Detection of particulate matter of size 2.5 μm with a surface-acoustic-wave sensor combined with a cyclone separator[J]. Micromachines, 9(8): 398-408. DOI:10.3390/mi9080398

Le T C, Tsai C J. 2017. Novel non-bouncing PM2.5 impactor modified from well impactor ninety-six[J]. Aerosol Science Technology, 51: 1287-1295. DOI:10.1080/02786826.2017.1341621

Lin C W, Chen T J, Huang S H, et al. 2018. Effect of aerosol loading on separation performance of PM2.5 cyclone separators[J]. Aerosol Air Quality Research, 18: 1366-1374. DOI:10.4209/aaqr.2017.11.0458

刘佳琪, 张国城, 赵晓宁, 等. 2021a. 进气流量对PM2.5切割器捕集效率的影响分析[J]. 计量学报, 42(4): 532-536.

刘佳琪, 张国城, 吴丹, 等. 2021b. PM10切割器捕集效率评价装置及方法研究[J]. 环境科学学报, 41(6): 2340-2346.

刘佳琪, 张国城, 赵晓宁, 等. 2021c. 针对工作流量为2 L·min-1的切割器的捕集效率评价研究[J]. 环境科学学报, 41(7): 2640-2646.

刘泽华, 聂泽东, 刘攀超, 等. 2017. 基于数值模拟仿真的PM2.5切割器校准装置的研制[J]. 检验检疫学刊, 27(6): 67-70.

潘一廷, 张国城, 杨振琪, 等. 2020. 生物气溶胶监测仪校准方法的研究[J]. 中国测试, 46(10): 18-22. DOI:10.11857/j.issn.1674-5124.2020090001

阮兵, 李兴华, 谢岩, 等. 2018. PM2.5旋风切割器的性能测试与模拟[J]. 环境科学学报, 38(7): 2811-2817.

阮兵, 李兴华, 谢岩, 等. 2018. PM1切割器性能测试系统的搭建与应用[J]. 环境科学学报, 38(5): 1797-1803.

Thomas M P, Robert W V, Russell W W. 2001. Design and calibration of the EPA PM2.5 Well Impactor Nine-Six (WINS)[J]. Aerosol Science and Technology, 34: 389-397. DOI:10.1080/02786820120352

Wang H, Bhambri P, Ivey J, et al. 2017. Design and pharmaceutical applications of a low-flow-rate single-nozzle impactor[J]. International Journal of Pharmaceutics, 533: 14-25. DOI:10.1016/j.ijpharm.2017.09.047

Wang J, Du G Q. 2020. COVID-19 may transmit through aerosol[J]. Irish Journal of Medical Science, 189: 1143-1144. DOI:10.1007/s11845-020-02218-2

修宏宇, 崔伟群, 刘俊杰, 等. 2017. 采用蒙特卡洛法评定PM2.5切割粒径的不确定度[J]. 计量技术, (11): 3-7.

张国城, 沈正生, 赵红达, 等. 2017. 粉尘性质对光散射式粉尘仪测量结果的影响[J]. 计量技术, (7): 46-48.

Zuo Y Y, Uspal W E, Wei T. 2020. Airborne transmission of COVID-19:Aerosol dispersion, lung deposition, and virus-receptor interactions[J]. ACS Nano, 14(12): 16502. DOI:10.1021/acsnano.0c08484