气溶胶测量5

气溶胶测量原理、技术及应用南开大学环境科学与工程学院2009气溶胶的采样与输送8.1绪论8.2采样8.3样品输送8.4其他采样问题8.1绪论一个气溶胶采样系统包括：1.从周围环境中将气溶胶抽入采样口中（其外形和几何形状各不相同；2.样品输送系统即把气溶胶样品送入测量设备或储存室管道装置（这些元件或流量装置，包括软管、弯头和压缩机等组件）；3.样品储存区（根据需要选择）。8.1绪论使用样品采集系统，最重要的是能采集到人们所希望的粒径范围内的样品。采样过程中影响气溶胶样品代表性的潜在因素可能有：1.样品提取过程中的吸入效率以及样品的沉积性；2.样品储存或输送过程中的粒子沉积；3.外界气溶胶浓度的极端性（极高或极低）或多样性（非均质性）因素；4.粒子在样品输送过程中的凝聚；5.样品输送过程中粒子的蒸发和（或）凝聚；6.已沉积的气溶胶粒子又进入样品气流；7.局部高度沉积限制或阻塞气流；8.在采样口及输送管路中粒子浓度的非均匀性。8.1绪论损失和沉积机制影响了采集和输送的样品的代表性。原理上，这些机制源于重力、惯性和扩散作用。当重力或者惯性作用造成沉积时，空气动力学当量直径起主要作用。当扩散造成沉积时，迁移率当量或扩散直径当量其主要作用。采集和输送较大粒子的代表性样品更加困难，因为它们的惯性较大，这些粒子更不易受采样气流的影响。8.1绪论吸入效率（aspirationefficiency）ηasp定义为：进入入口的这一粒度的粒子浓度与采集外界环境中这种粒子浓度之比。具有某粒度的粒子的传输效率（transmissionefficiency）ηtrans定义为：吸入的该粒度的粒子传输到采样系统其他部分的比例。入口效率ηinlet是提取效率与传输效率之积，也是通过采样系统入口进入采样系统传输部分的气溶胶浓度与外界浓度的比值某粒度的粒子的总输送效率ηtransport是这种粒度的粒子在各种气流部件、各种不同机制下的输送效率之积采样效率ηsample为入口效率与总输送效率之积8.2采样1.监测外界大气的污染情况；2.监测工作环境大气中的有害物质；3.监测废气排放烟囱或管路以检测污染控制设备；4.监测无尘室内的特殊污染；5.监测生产或工业制造过程；6.监测实验研究过程。气溶胶采样中有两个基本情况：1.从静止环境中采集粒子；2.从载携粒子的气流中采集样品。8.2采样8.2.1效率效率取决于外界大气速度U0、入口的几何形状和位置、采样气流速度U及粒子的空气动力学直径d0当入口处的平均采样流速等于气流速度并是同轴采样时，此时的采样称为等速采样。当采样速度不等于气体速度时就是非等速采样，当采样速度高于气体速度时，采样是超等速采样，当采样速度低于气流速度时，采样是次等速采样。在图中，边界线直接位于采样嘴的上下边缘，与采样嘴没有偏差，图a表示的是这种情况下的等速采样。在这种情况下，吸入效率为1（100％）。粒子在采样嘴内部的重力沉降造成了输送中的粒子损失。采样嘴处自由气流的湍流情况同样会造成粒子损失，因为湍流造成粒子的侧向运动使粒子吸附在入口的内壁上。图b表示的是次等速采样，这种采样中，边界线在进入采样嘴处与外界自由气流发生分岔。在边界线外面的惯性足够大的粒子可以越过边界线被吸入采样嘴。在这种情况下，对所有粒子的吸入效率为1（100％）或更大，对较大粒子的吸入效率范围为1~U0/U。造成传输过程中粒子损失的是采样嘴处粒子的重力沉降、自由气流的湍流作用、运动方向朝向采样嘴壁的粒子在采样嘴内壁的惯性碰撞作用，碰撞作用是由流线扩张造成的。图c表示的是超等速采样，边界线从外界自由气流到达采样嘴时发生汇聚。惯性足够大的粒子可以超越边界线而不被吸入。在这种情况下，对全部粒子的吸入效率是1或更小，对较大粒子的吸入效率范围是1~U0/U。传输过程中的损失主要是采样嘴处的重力沉降作用、自由气流的湍流作用以及超等速采样中形成的湍流沉积。图表示的是非同轴采样中可能遇到的U0＝U，U0U，U0U三种气流情况，角表示外界气流速度方向和采样气流速度方向之间的夹角。惯性足够大的粒子越过边界线被吸收。吸入效率与1相差很远。传输损失仍然来自于采样嘴处的重力沉降作用、自由气流的湍流作用和大管道的交汇处的损失。另外的传输损失来自于粒子在采样嘴内部边缘的碰撞作用，采样嘴内部边缘是面对气流方向的。8.2.2用薄壁采样嘴在流动气体中采样薄壁采样嘴的入口效率是吸入效率和传输效率之积同轴等速采样是一种理想的采样状态，而且能以近100％的效率吸入所有粒径的粒子，与此情况不同的非同轴非等速采样采集的样品不具代表性，而且大粒子的吸入效率远远偏离100％。粒子直径越大，差别也越大。同轴采样吸入效率011111aspUUkStk0.182.03Stk00.17/5.6UU0UStkd1020.617UkU非同轴采样吸入效率1'001'1''1120.617(/)1cos1112.617110.55exp(0.25)aspUUStkUUStktkStk'exp(0.022)StkStk00.024,0.5/2,060ooStkUU001cos13UUaspUStkU00.024,0.5/2,4590ooStkUU采样中的传输损失同轴等速采样中的传输损失，原则上只来源于水平气流的重力沉降作用和自由气流的湍流作用若气流既不是同轴的，也不是等速的，就会产生由惯性作用引起的损失，进入采样嘴时气流方向会发生变化，没有沿气流方向运动的较大的粒子将会沉积在管壁上薄壁采样总结薄壁采样嘴采样的入口效率取决于斯托克斯数、外界大气速度和采样气体速度的比值以及采样角度。斯托克斯数取决于外界大气速度和采样嘴直径。为了能够得到具有代表性的样品，应该进行等速（等-平均-速率）同轴采样，并且斯托克斯数应该保持较小值。与粒子沉降速度相比，外界自由气流和采样气流速度应该是比较大的。入口直径较大（1cm级别的）的采样嘴，则不易受到自由气流湍流作用的影响8.2采样8.2.3用Blunt采样器在流动气体中采样Blunt采样器和厚壁采样嘴的缺点是：粒子沉积在采样器表面或入口，已经沉积的物质再次进入入口，难以表征粒子的反弹，难以获得较大粒子的代表性样品同轴采样非同轴采样8.2采样8.2.4静止空气中的采样小管任意方向代表性采样的Davies标准第一是惯性条件，保证粒子被采入采样嘴，表示为Stki0.016。第二是粒子沉降速度条件，要保证采样嘴的方向不会影响采样。这可以由沉降速度与采样速度的比值表示0.04tsVU8.2采样8.2.4静止空气中的采样对于采样效率95%的垂直采样建立一个标准，与入口尺寸和气流有关Q——样品体积流速；d——入口直径；g——重力加速度。21Ugd2.541Qdg8.2采样8.2.5低速气流中的采样在流动空气中，气体流速比粒子沉降速度大；在静止空气中，粒子沉降速度和重力沉降作用显著。在低速空气中，粒子的沉降速度会影响尖锐采样嘴的吸入效率。提出了一个修正系数用于修正粒子沉降对吸收效率的影响，这个修正系数可以放在吸入效率关系式中8.3样品输送1.重力沉降；2.扩散沉积；3.湍流惯性沉积；4.弯管处的惯性沉积；5.气流阻塞器处的惯性沉积；6.静电沉积；7.热传导沉积；8.扩散传导沉积。8.4其他采样问题8.4.1利用稀释满足采样条件8.4.2采样管路与入口处的阻塞8.4.3沉积物的再飞散现象8.4.4入口和传送管道中粒子浓度的不均一性过滤收集9.1绪论9.2过滤样品的基本原则9.3测量滤膜9.4过滤理论9.5选择滤膜9.1绪论过滤技术由于其灵活、简易和经济，而成为应用最广泛的气溶胶测量技术。气溶胶过滤的核心内容是收集，即将具有代表性的样品从气相中收集到多孔介质或滤膜上。使气溶胶便于贮藏、运输并为样品的重量分析、微观分析、微量化学分析及其他分析提供了前提条件。选择合适的气溶胶过滤技术时，最基本的目标是确保样品的代表性。9.2过滤样品的基本原则9.2过滤样品的基本原则为采样进程选择合适的部件及最优的部件顺序，对代表性采样起着关键作用。9.2过滤样品的基本原则1.采样探头：气溶胶动力学行为影响入口的吸入效率；采样探头入口表面与空气流之间的温度梯度引起粒子损失；采样探头，尤其是塑料采样探头，其入口表面带电引起静电沉积。从空气流中采样时，采样探头的方向应与气流方向相反。体积采集速率和采样探头喷嘴的横截面积决定了进入入口的空气流速。要保证等速采样，空气进入入口的速率就应等于入口附近的空气流速，采样探头的方向也应与空气流平行。等速采样的重要性在于能确保人们采集到代表性气溶胶样品。9.2过滤样品的基本原则2.连接采样探头和滤膜托之间的管路输送效率受一系列因素的影响，如管壁的重力沉降、扩散沉积、惯性沉降以及温度梯度和静电作用而造成的粒子损失。在不知道气溶胶粒径分布的情况下，要校正采样偏差非常困难。一般通过以下方法减少损失：滤膜托尽可能接近采样探头；尽可能不使用采样探头或把管直接连到滤膜上。9.2过滤样品的基本原则3.滤膜托使用滤膜托可能会产生滤膜托管壁静电沉积和扩散沉积，并使气溶胶发生聚合或蒸汽，这种变化是由空气流与滤膜托之间的温度梯度引起。当设计气溶胶测量的过滤系统时必须考虑这些因素。克服这些潜在问题的技术包括：使用密闭控温装置套住滤膜托，从而使温度梯度减至最低。滤膜托最重要的功能——确保滤膜与周围环境隔离，必须进行密封性测试以确保样品气体全部通过滤膜托中的滤膜。9.2过滤样品的基本原则4.滤膜选择滤膜的重要参数是：气溶胶（希望采集的粒径范围内的气溶胶）的收集效率；气流通过滤膜时的压力降（决定能通过的气体体积）；滤膜对采样环境及采样中各个过程的适应性。化学反应在滤膜表面形成的矫作（artifact）；一些干扰，如气溶胶重量分析中使用吸湿滤膜可能产生的干扰；受费用限制的采样规模和所需要的滤膜数量。9.2过滤样品的基本原则5.测量和控制通过滤膜的空气流量设计良好的气溶胶测量过滤收集系统应该是：能在合适的滤膜上收集到代表性气溶胶样品，并能准确地知道通过滤膜的空气流度或累计空气体积。9.3测量滤膜用于气溶胶采样的滤膜可以分为纤维滤膜、多孔滤膜、直通孔（straight-throughpore）滤膜和粒子床滤膜。滤膜类型特点滤膜类型特点纤维滤膜由直径为0.1~100μm的纤维组成。可以使用纤维或木材（纸）、玻璃、石英及高聚合物纤维，孔隙率为60%~90%，厚度为0.15~0.5mm，待采粒子经过滤膜时通过拦截、冲击及扩散作用留在滤膜上。空气流速较低时，能高效收集粒子。在可比条件下，压力降是所有滤膜中最低的。多孔膜滤膜微孔膜的小孔是弯曲的，主要结构是高分子聚合物、烧结金属及陶瓷微孔滤膜。空隙大小（由液体过滤量决定）为0.02~10μm，孔隙率小于85%，厚度为0.05~0.2mm。直通孔滤膜聚碳酸酯薄膜（10μm），孔隙为圆柱形，垂直于薄膜表面，直径为0.1~8μm，孔隙率较低，仅为5%~10%。通过孔隙附近的冲击和拦截及孔壁的扩散作用收集粒子。收集效率处于纤维滤膜与微孔滤膜之间。在相同的收集效率下，其压力明显高于纤维滤膜，并与微孔滤膜相当或略高粒子床滤膜特殊采样时，可以使用颗粒状的特殊化学物质、糖类、萘、沙子、金属及玻璃珠。样品通过水洗或蒸发提取。颗粒为200μm~几mm。通过冲击、拦截、扩散和重力作用实现过滤。静态床滤膜孔隙率为40%~60%。由于颗粒比较大，收集效率就比较低。为了提高扩散，就要降低气流，增加床的深度或使用较小的粒子。多孔泡沫滤膜孔隙率大于97%，通常孔径为10~50μm。收集效率低。9.4过滤理论9.4.1过滤机制引起粒子沉降的重要机制是扩散力、惯性碰撞、阻击力和重力沉降。此外，纤维表面上收集的粒子形