Philip Demokritou Ilias G.Kavours,David Harrsion,and Petros Koutrakis
(美国麻萨塞州波士顿哈佛大学公共健康学院环境科学与工程规划系)
东北大学 苑春苗 孙 熙 译
0.摘要 对于颗粒物分级采样器来说，我们开发了一种常规的撞击器，并在实验室及现场测试中对其进行了核实。这种类型的采样器由以下一些部件组成:一个撞击器，可除去粒径大于2.5pm的粒子;一个呈蜂窝状的玻璃溶蚀器；一个厚47mm的滤膜组。该采洋器可在10和16.7L/m两种采样风速下工作。我们也对描述撞击器性能的实验数据进行了处理，并检测了撞击器的捕集效率，它是雷诺数、喷嘴出口与撞击平板间距以及收集板类型等重要参数的函数。收集板的油脂涂层可使大于切割粒径的反弹减至最小。另外，我们分别在10和16.7L/M风流下,作了一系列现场实验，并进行了相互比较。我们也测量了PM2.5的质量和S042-的浓度，并与联邦参考标准作了对比，两者对比结果十分相符。同样，在实验室内的测量结果也表明撞击器性能和联邦参考标准有很好的一致性。
1.引语
现在对测量PM2.5粒子成分方法的需求越来越多。本篇论文主要论述PM分级采样器的开发以及特性，此采样器用来对大气中的颗粒物以及气体进行采样，并分析PM2.5的化学组成特性。在实验室和现场所做的实验均是为了确定不同的设计参数对撞击器性能的影响。设计参数如收集板涂层、喷嘴出口与撞击板的间距。在美国各大城市的研究机构中，改进的撞击器用来确定大气中PM2.5粒子的化学组成。
2.简介
流行病学的研究已经表明了PM与日益严重的死亡率和发病率之间的密切关系。最近各研究机构的结果己经指出PM粒子中可吸入部分(PM10和PM2.5)对人体健康有显著的负面影响。因此，迫切需要用于测量微细PM粒子中下同化学组成的方法。这些方法也可用在美国环保部门的颗垃物分级网络中。
为了对大气中颗粒物及气体进行采样，我们实验室开发出了一种分级采样器，此采样器的第一部分是一个常规多喷嘴惯性撞击器，能除去粒径大于2.5um的粒子，沿撞击器往下是蜂窝状的玻璃溶蚀器，用于除去有机或无机的酸性气体，该溶蚀器是一个高3.8cm的圆柱体，内置212个六面体状的玻璃试管。它比环型的溶蚀器有更高的容量。通过溶蚀器下游风流中的颗粒物用厚度47mm的滤膜组捕集。两个溶蚀器可串联使用，第一个可涂上碳酸钠或甘油除去酸性气体，第二个可涂上柠檬酸除去氨气。
后来sioutas开发出了一个经改进的撞击器，它是单喷嘴的，用油脂的烧结磁盘作为收集板。虽然这种单喷嘴设计减少丁多个射流之间的相互干扰，但大于切割粒径粒子的反弹很明显。并且，与上述的撞击器相比，这种撞击器的切割粒径是2.1um，低于联邦参考标准(2.5um)。
为了减轻粒子反弹，我们设计并测试了一种新的撞击器。仅通过简单地调节其加速喷嘴,它就可在10或16.7L/Min风流下工作。作为这次开发的一部分，我们也对几种不同涂层类型的收集板进行了测试，包括不同孔径的油脂金属盘片和油脂涂层收集板。并且，为了确定不同的设计参数对撞击器性能的影响，我们也对参数进行了研究，这些参数如喷嘴出口与喷嘴间距和收集板直径。
3.方法
3.1撞击器 撞击器能很好地进行颗粒捕集并对其进行分类，常规的撞击器包含一个喷嘴，含尘气流通过该喷嘴撞击在已含有撞击尘粒的平面上，其基本原理是由于颗粒物的惯性沉积作用，使处于撞击区域或者停滞点的气溶胶粒子发生一种特殊运动。在撞击过程中，气流突然改变万向，大于切割粒径的颗粒撞击在于板上被截留，而小于切割粒径的颗粒将被气流带走，不能被捕获。根据撞击理论，斯托克斯数Stk是撞击的主导参数，定义如下:
这里p是喷嘴处气流的绝对压强。
在理论和数字方面,惯性撞击器已被作了广泛的研究，从纳维尔-斯托克斯流体等式,我们可以得到关于其中重要设计参数的几个准则，对于圆形喷嘴的撞击器来说，以50%效率被捕获的颗粒物空气动力学直径,也称切割粒径或分割粒径,其对应的值为////的一半。因此，已知风速和喷嘴直径,由等式(1)可理论上计算出中位径。
撞击器设计主要有三个需要注意的地方:搞集表面的粒子反弹、收集板颗粒的过度沉积、分级效果减退(粒子被捕集在表面上不是在收集板上),减轻粒子反弹的常用方法是在撞击平板上涂上粘性物质如油脂或原油。为驻留这些涂料需要孔状的收集板。孔状金属盘片、孔状玻璃纤维薄膜、聚四乙烯膜滤器均已被用在多种撞击器中。
并且，收集板需要在各负载情况下运转良好。一旦在撞击平板捕集了一层粒子之后，接着进来的颗粒将撞击在这些粒子上，发生反弹。因此，收集板的容量要足够的大，以保证高效的捕集效率，尤其在高负载的情况下。其它一些因素如油脂涂层的厚度、颗粒物的硬度、形状也会对粒子反弹产生影响。另外一个重要设计参数，S/W，对整个撞击器的性能有很大的影响。 这里，S为喷嘴出口与撞击平板的间距，W为喷嘴直径。根据Marple等人对常规披击平板的 数字夯析，对于圆形喷嘴来说，S/W应大于1，矩形的应大于1.5。
3.2分级采样器 分级采样器(CHEMCOMB)如图1所示。它第一部分是常规的惯性撞击器，可截留大于2.5um的颗粒。呈蜂窝状的玻璃溶蚀器放置在撞击器的下风侧，除去有机或无机酸性气体。通过溶蚀器的气体由厚47mm的滤膜组捕集。图1说明了采样器的四个主要组成部分;加速喷嘴、收集板、蜂窝溶蚀器、过滤器支架。所有这些部分为铝质的，内部含有碳，外有特氟隆(聚四氟乙烯)涂层，可减少活性气体在内表面的粘附。仅简单地调节喷嘴部分，该采样器就可在 10和16·7L/min两种不同的风速下工作。为与哈佛/美环保机构-环形溶蚀系统和联邦参考标准中的风流及切割点特性相吻合，分别选定了这两种风速。撞击部分和过滤器支架通过弹簧夹连接到采样器壳体上。重要的设计参数如表1所示。
注释:Re为雷诺数;S为加速喷嘴出口与收集板的距离(cm);加速喷嘴的喉部长度(cm); Stk50为50%撞击概率的颗粒的斯托克斯数，无量纲;W，对圆形喷嘴为喷嘴直径，对矩形喷嘴为宽度的一半。
收集板是一个高度为0.13cm，直径为2.54Cm的中空的铝质盘片。有两种类型的收集板:浸油的孔状金属盘片和油脂涂层的收集板。孔状的金属盘片可紧紧地插入到中空的铝质盘片中，且没有矿物油(石蜡油、非流体油类、Malilinckrodt)可减轻粒子反弹。我们对几种不同孔径的金属盘片进行了检测。油脂表面的收集板是往铝质盘片的中间空腔填充硅油脂作成的，我们也对其进行了检测。光滑的油脂表面可使撞击区的紊流减至最小。撞击表面的光滑程度对撞击器的性能来说是非常重要的。 |
