刘佳琪, 张国城, 吴丹, 霍胜伟, 荆文杰, 沈上圯, 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: 2021-03-16; 修回日期: 2021-04-02; 录用日期: 2021-04-02
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
通讯作者（责任作者）: 张国城, E-mail: zhanggc@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

摘要：开展了PM₁切割器的性能评价研究, 通过搭建基于静态箱法的评价系统, 选用8种粒径的单分散聚苯乙烯微球, 结合空气动力学粒径谱仪获取PM₁切割器的捕集效率, 最终得出拟合曲线.通过该方法测量得出某台BGI的PM₁切割器在16.67 L·min^-1工作流量下的50%切割粒径分布在(1.0±0.1) μm范围内, 几何标准偏差分布在1.2±0.1范围内.同时研究了采样流量对PM₁切割器性能的影响, 发现50%切割粒径随流量增大呈现减小趋势, 而几何标准偏差一致性较好, 偏差不超过1%, 尤其当采样流量为6.77 L·min^-1时, PM₁切割器的性能可调整为符合国家标准对PM_2.5切割器的要求, 本研究成果为PM₁切割器评价方法及性能指标的确定提供了参考.
关键词：PM₁切割器性能评价50%切割粒径几何标准偏差
Evaluation of PM₁ cutters and switching between PM_2.5 cutters
LIU Jiaqi, ZHANG Guocheng, WU Dan, HUO Shengwei, JING Wenjie, SHEN Shangyi, ZHAO Xiaoning
Beijing Institute of Metrology/National Quality Supervision and Inspection Center for Ecological & Environmental Products (Beijing), Beijing 100029
Received 16 March 2021; received in revised from 2 April 2021; accepted 2 April 2021
Abstract: The performance evaluation of PM₁ cutter was studied. By building an evaluation system based on static box method, 8 kinds of monodisperse polystyrene microspheres with different particle sizes were selected. Combined with aerodynamic particle size spectrometer, the collecting efficiency of PM₁ cutter was obtained. The fitting curve was deserved eventually. The results show that the 50% cutting size of a BGI PM₁ cutter was in the range of (1.0±0.1) μm and the geometric standard deviation was in the range of (1.2±0.1) at the working flow of 16.67 L·min^-1. The influence of sampling flow rate on PM₁ cutter performance was also studied. It was found that the 50% cutting size decreased with the increase of flow rate, while the geometric standard deviation was consistent and the deviation was less than 1%. The performance of PM₁ cutter can be adjusted to meet the requirements of the national standard for PM_2.5 cutter when the sampling flow was 6.77 L·min^-1. The results of this study provided a reference for the evaluation method and performance indexes of PM₁ cutter.
Keywords: PM₁ cutterperformance evaluation50% cutting sizegeometric standard deviation
1 引言(Introduction)随着我国的工业化进程不断推进, 空气污染问题逐渐增多.PM_2.5浓度监测一直都是环境监测领域的一项重要工作, 同时更加细小的超细颗粒物浓度监测也是其中重要的工作内容(张国城等, 2017；盛涛等, 2019；刘佳媛等, 2020；李亮等, 2021).超细颗粒物(PM₁)是指空气动力学粒径不超过1 μm的颗粒物, 此类颗粒物可由呼吸直接进入人体, 可能引起一系列疾病, 进而危害人们的身体健康(甄泉等, 2019；潘一廷等, 2020；张宝玉等, 2020).
切割器是颗粒物浓度测量仪器前端可拆卸的部件, 对于颗粒物的粒径分级具有重要作用.按照切割器粒径不同, 可分为TSP、PM₁₀、PM_2.5和PM₁切割器等；按照内部结构不同可分为旋风式、撞击式和虚拟撞击式切割器等.采样流量是切割器使用过程中的一个重要参数, 其变化可能影响颗粒物在切割器内部的运动轨迹, 从而影响切割器的性能指标.已有研究人员针对PM_2.5切割器的评价开展了相关研究(Wang et al., 2017；杜朋, 2018；H?flinger et al., 2019；Du et al., 2020), HJ 93—2013标准也已经对于PM₁₀和PM_2.5切割器提出了性能检测方法及指标要求(国家环境保护总局, 2013), 依据静态箱法, 本课题组前期进行了不同工作流量的PM_2.5切割器及PM₁₀切割器评价的相关研究(刘佳琪等, 2021a；2021b), 还分析了进气流量对PM_2.5切割器的性能影响(刘佳琪等, 2021c), 但目前国内外尚无通行的PM₁切割器计量方法和指标.
有研究人员进行了PM₁切割器的性能测试研究, 根据粒径范围不同使用荧光素铵颗粒物及聚苯乙烯微球产生单分散气溶胶环境(阮兵等, 2018).荧光素铵颗粒物的密度是1.35 g·cm^-3, 而聚苯乙烯微球的密度是1.05 g·cm^-3, 其密度更接近标准密度1 g·cm^-3, 光学直径与动力学直径相当, 所以随着HJ 93-2013的发布, 荧光素铵颗粒物逐渐被单分散聚苯乙烯微球所替代.针对此问题, 本文在评价PM₁切割器过程中, 仅使用单分散聚苯乙烯微球, 以实现更加准确的性能评价.开展PM₁切割器的性能评价研究, 对于规范切割器市场、保障我国空气颗粒物浓度测量结果的可靠性, 具有十分重要的意义.同时, 研究采样流量变化对PM₁切割器性能的影响, 对于切割器的使用、安装与维护都是很有必要的.
本文基于静态箱法搭建性能评价系统, 包括气溶胶发生装置、混合箱和测量箱, 利用空气动力学粒径谱仪分别对PM₁切割器上、下游的颗粒物浓度进行测量, 计算不同粒径下的捕集效率, 再拟合得出捕集效率曲线, 最终获取PM₁切割器50%切割粒径D_a50及几何标准偏差δ_g的值.同时, 通过观测不同采样流量下这两个性能指标的变化, 分析采样流量这一重要参数对PM₁切割器性能的影响, 最终通过调整采样流量, 找到能将PM₁切割器切换为PM_2.5切割器的方法.
2 系统与方法(System and methods)2.1 PM₁切割器评价系统组成评价系统主要由3个部分组成(图 1)：气溶胶发生装置、混合箱、空气动力学粒径谱仪(TSI, APS3321, 美国).气溶胶发生装置基于文丘里原理, 通过洁净气流形成负压, 将待雾化的颗粒物悬浮液引导至出口, 再与气流共同形成分散的气溶胶.为了达到混匀和干燥的目的, 在气溶胶发生装置对侧设置了稀释干燥作用的洁净气流.形成的气溶胶在混匀箱内与空气混合, 颗粒物以低雷诺数形式下降, 箱内粉尘浓度由光散射粉尘浓度测量仪进行实时观测, 作为反馈提供给控制系统, 调节气溶胶发生装置的流量, 从而形成粉尘浓度的闭环调节.混匀箱下方的测量箱内安装有待评价的PM₁切割器及参比管路, 二者通过各自接口分别连接至下方的空气动力学粒径谱仪.
图 1(Fig. 1)

图 1 PM1切割器评价系统结构示意图 Fig. 1Diagram of PM1 cutter evaluation system

2.2 系统的粉尘浓度稳定性及均匀性测试对于本研究来说, 系统内部的粉尘浓度稳定性及均匀性对切割器的评价结果是至关重要的(陈小彤等, 2016).为了评价搭建完成的系统, 进行了一系列测试.在测量箱内使用5个校准过的光散射式粉尘仪测量得到粉尘浓度变化曲线, 粉尘仪分别放置于舱内的左上、左下、右上、右下和中心点位置, 待发尘状态稳定后, 观测一个测试周期(20 min), 每隔1 min记录一次粉尘浓度值.根据测试结果, 粉尘浓度平均值为300 μg·m^-3, 相对标准偏差为0.32%, 舱内5个位置的粉尘浓度稳定性均优于标准规定的指标(国家环境保护总局, 2013), 表明系统的粉尘浓度稳定性较好.另外, 舱内5个位置的粉尘浓度平均值的相对标准偏差为0.44%, 表明系统的粉尘浓度分布均匀性较好.该结果表明该评价系统的粉尘浓度稳定且分布均匀, 可供后续评价实验使用.
2.3 切割器采样流量稳定性测试由于实验环节需要观测不同的采样流量给切割器性能指标带来的影响, 所以需要保证同一采样流量观测过程中, 流量值的稳定性符合要求.在16.67 L·min^-1的标准工作流量下, 考察一段时间内切割器的实际采样流量稳定性, 实验结果如图 2所示.实验采用校准过的流量计(TSI, 4046, 美国)每间隔10 s进行一次测量, 测量总时长2 min.该流量计的流量测量范围为0~200 L·min^-1, 对于空气的流量测量误差为0.05 L·min^-1.通过测量得到, 采样器的平均流量是16.69 L·min^-1, 于设定流量的相对标准偏差为0.12%, 流量的相对标准偏差为0.33%, 符合标准HJ 93-2013中规定的平均流量标准偏差不超过设定流量的±5%, 流量相对标准偏差不超过2%的要求.实验结果表明, 流量值的稳定性符合要求.实验过程中采用的采样流量如表 1所示, 分别为PM₁切割器标准工作流量的40%、60%、80%、100%、120%和140%.
图 2(Fig. 2)

图 2 PM1切割器采样流量稳定性 Fig. 2PM1 cutter sampling flow stability

表 1(Table 1)

表 1 参与实验观测的采样流量 Table 1 Sampling flow rates participating in experimental observation

表 1 参与实验观测的采样流量 Table 1 Sampling flow rates participating in experimental observation 编号 1 2 3 4 5 6 采样流量/(L·min-1) 6.77 10.00 13.34 16.67 20.00 23.34

3 测量原理(Principle of measurement)3.1 PM₁切割器的捕集效率测量由于目前尚无国家或行业标准、技术规范规定PM₁切割器评价所适用的颗粒物空气动力学直径, 本研究根据PM₁和PM_2.5捕集效率曲线的相似性, 提出依据PM_2.5切割器评价所用的8种粒径与2.5 μm的比值关系(粒径/2.5), 得到PM₁切割器评价适用粒径, 并根据此粒径范围选取了8种粒径的微球进行检测, 具体见表 2.
表 2(Table 2)

表 2 所用单分散聚苯乙烯微球空气动力学直径 Table 2 The aerodynamic diameters of the monodisperse polystyrene microspheres used

表 2 所用单分散聚苯乙烯微球空气动力学直径 Table 2 The aerodynamic diameters of the monodisperse polystyrene microspheres used PM2.5切割器评价所用粒径/μm 建议PM1切割器评价适用粒径/μm 实际选用微球的粒径值/μm 1.5±0.25 0.6±0.1 0.60 2.0±0.25 0.8±0.1 0.75 2.2±0.25 0.9±0.1 0.80 2.5±0.25 1.0±0.1 1.00 2.8±0.25 1.1±0.1 1.20 3.0±0.25 1.2±0.1 1.30 3.5±0.25 1.4±0.1 1.40 4.0±0.50 1.6±0.2 1.70

切割器捕集效率η_ij计算方法如式(1)所示.

(1)

式中, C_1ij为切割器上游的颗粒物数量浓度(个·cm^-3)；C_2ij为切割器下游颗粒物数量浓度(个·cm^-3)；i为产生气溶胶所用单分散聚苯乙烯微球的序号(i=1~8)；j为每个粒径点测量的次数(j=1~3).对每个粒径点3次测量得到的捕集效率值求取平均值, 作为该粒径点对应的捕集效率.
3.2 捕集效率曲线拟合在3.1节测出的8组捕集效率数据的基础上, 以反向非对称S形方程(A Reverse Asymmetric Sigmoid Equation)(式(2))对捕集效率曲线进行拟合(Thomas et al., 2001；修宏宇等, 2017).

(2)

式中, a、b、c、d、f为5个常数；x为标准粒子粒径；y为该粒径的捕集效率.
在得到捕集效率曲线后, 可以反推出x₅₀, 即D_a50值.取y=50%, 计算得到切割效率为50%处的切割粒径.同样可以根据此公式得到捕集效率为84%和16%时的空气动力学直径D_a84和D_a16, 再按照式(3)和(4)得出曲线的几何标准偏差.

(3)

(4)

4 结果(Results)4.1 PM₁切割器的捕集效率曲线PM₁切割器(BGI, SCC, 美国)图片及拟合的捕集效率曲线如图 3所示, 按照前文描述的测量过程, 使用搭建的评价系统, 可测得在16.67 L·min^-1的标准工作流量下此切割器的D_a50为1.03 μm, 几何标准偏差分别为1.26和1.22.为提高测量结果的准确性, 在同样的实验条件下进行了多次测量, 总结出D_a50测量结果的误差范围为±0.02 μm, 几何标准偏差测量结果的误差范围为±0.03.
图 3(Fig. 3)

图 3 PM1切割器照片及拟合后的捕集效率曲线 Fig. 3Photo of PM1 cutter and the capture efficiency curve after fitting

4.2 采样流量对切割器性能指标的影响为了研究采样流量对PM₁切割器性能的影响, 根据工作流量16.67 L·min^-1对切割器采样流量进行了调节, 分别将抽气流量调节为切割器工作流量的40%~140%, 根据式(1)、式(3)和式(4)分别测定切割器在该流量下的性能指标, 最终得到的结果如表 3所示.从表中数据可以观察到, 当采样流量增大时, D_a50呈减小趋势.捕集效率曲线的几何标准偏差一致性较好, 几个值的偏差都不超过1%.这主要是因为采样流量发生变化时, 改变了颗粒物在切割器内部的运动轨迹, 使切割器的捕集效率发生改变, 当采样流量增大时, 颗粒物在切割器中螺旋状运动速率增大, 受到的离心力作用增大, 从而导致捕集效率降低；而不同流量对捕集效率曲线几何标准偏差的影响很小主要是因为流量变化对各个粒径下捕集效率的影响是一致的, 对于整条捕集效率曲线的形状并未产生太大影响.
表 3(Table 3)

表 3 各观测流量下的PM1切割器性能指标 Table 3 Performance indexes of PM1 cutter at each observed flow rate

表 3 各观测流量下的PM1切割器性能指标 Table 3 Performance indexes of PM1 cutter at each observed flow rate 采样流量/(L·min-1) Da50/μm 几何标准偏差 Da16/Da50 Da50/Da84 6.77 2.55 1.27 1.21 10.00 1.49 1.28 1.22 13.34 1.23 1.25 1.24 16.67 1.04 1.26 1.22 20.00 0.81 1.27 1.21 23.34 0.75 1.26 1.23

根据表 3中的数据, 使用Matlab中的Curve fitting工具可以拟合出符合该变化规律的线性回归方程, 如式(5)所示, 其中, x为采样流量, y为该流量下切割器的D_a50, 拟合后的线性回归决定系数R²为0.9832.根据该线性回归方程及采样流量, 可估算出不同采样流量下的D_a50.

(5)

值得注意的是, 当采样流量降低至6.77 L·min^-1时, 切割器的D_a50为2.55 μm, 几何标准偏差分别为1.27和1.21.根据HJ 93-2013标准中对PM_2.5切割器的要求, PM_2.5切割器的D_a50合格范围为(2.5±0.2) μm, 几何标准偏差合格范围为1.2±0.1.按此标准, 在6.77 L·min^-1流量下, PM₁切割器被调整为PM_2.5切割器, 符合标准对PM_2.5切割器的性能要求.这也为切割器的生产及使用提供了新的思路, 后续可通过调整采样器的工作流量, 使其前端的切割器实现不同粒径范围的分离作用, 拓展切割器的适用需求.
4.3 PM₁切割器性能指标分布范围根据相关报道, 有研究人员发现旋风式PM₁切割器的D_a50分布在(1.0±0.1) μm, sharp-cut和Stairmand两类结构设计的切割器几何标准偏差σ_g分别在1.2±0.1和1.4±0.1之间(阮兵等, 2018).由本研究的实验结果可知, 所测量的BGI的PM₁切割器D_a50为1.03 μm, 几何标准偏差分别为1.26和1.22, 该切割器的型号是SCC, 为sharp-cut结构的旋风切割器, 该测量结果与此研究结果相吻合.由于目前尚无公开的国家计量技术规范对PM₁切割器的性能指标进行规定, 本研究的结果也可为PM₁切割器相关的技术规范的制定与实施提供参考.
5 讨论(Discussion)通过搭建基于静态箱法的PM₁切割器捕集效率评价系统, 使用8种粒径的单分散聚苯乙烯微球, 测出了标准工作流量(16.67 L·min^-1)下旋风式PM₁切割器的D_a50为1.03 μm, 分布在(1.0±0.1) μm范围内, 几何标准偏差分别为1.26和1.22, 分布在1.2±0.1范围内.通过改变旁路的抽气流量, 将切割器的采样流量分别调整为标准工作流量的40%~140%, 总结出PM₁切割器的D_a50随着采样流量增大呈现减小的趋势, 而几何标准偏差一致性较好, 波动不超过1%.当采样流量降低至6.77 L·min^-1时, PM₁切割器被调整为PM_2.5切割器, 符合标准对PM_2.5切割器的性能要求.
本研究不仅建立了PM₁切割器的评价装置和方法, 还讨论了8种微球粒径的选择、计量性能指标的确定, 确定了将PM₁切割器调整为PM_2.5切割器的方法, 为未来PM₁切割器相关标准和技术规范的制定提供了重要的参考依据, 同时, 采样流量对切割器性能指标的影响可为切割器的使用、安装与维护周期等提供参考.

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