气溶胶测量5.ppt

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 asp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 trans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 inlet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 transport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 sample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 非同轴采样吸入效率 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Stki 0 016 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 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 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 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成的枝状结晶形状能够收集其它粒子 9 4过滤理论 在过滤理论中 通常假设上面讨论的单个过滤机制相互独立并可以相加 单个纤维过滤效率 能够写成不同机制作用下的单个过滤效率之和 不同粒度范围内的过滤机制不同 9 4过滤理论 负载作用如果过滤时间较长 可以得到高浓度的粒子 而且粒子的收集率和压力降也会增加 发生这种现象的原因是 粒子在过滤介质上堆积 沉积下来的粒子为进入的粒子提供了沉积面 粒子可以沉积在这些粒子表面上 这种机制本身与时间相关 因为粒子枝状结晶的尺度 形状和形态不断变化 9 4过滤理论 9 4 2最大穿透粒度及最小效率粒度增长时 拦截阻力和惯性碰撞机制引起的过滤增强 而粒度减小时 布朗扩散机制引起的收集增强 结果 存在一个中间粒度区 在此区中 两种或多种机制同时作用但均不占据主导地位 粒子穿过滤膜的量最大而过滤效率最小 当过滤效率最小时 此时的粒度被命名为 最多穿透粒度 mostpenetratingparticalsize 人们一度认为这个粒度大约为0 3 m 9 4 3薄膜滤膜已证明多孔滤膜的过滤机制与纤维膜相同 唯一需要修正的是使用一个有效纤维直径来表示膜结构 9 4 4滤膜的压力降理想滤膜应该是压力降低 过滤效率高的滤膜 9 4 5过滤测试方法以前 滤膜测试是使用传统的DOP测试法 改进了的测试方法 该系统包括一个气溶胶源 该源能够提供一系列已知粒度的单分散性气溶胶 一个滤膜测试区和一个气溶胶检测器 9 4过滤理论 9 5选择滤膜 粒子收集效率 特定气流下通过滤膜的压力降 与所用分析方法的兼容性和花费限制 过滤介质的机械张力的限制及过滤介质与环境采样条件如温度 压力 湿度和腐蚀度等的兼容性也影响选择 9 5选择滤膜 9 5 1重量分析该技术要求 滤膜高效 接近100 收集气溶胶 滤膜的重量随采样增加 且增加的重量全部是收集到的气溶胶 即滤膜重量不受其使用时间 温度和湿度条件的影响 重量过滤分析最易受到湿度 相对湿度 效应及滤膜材料的静电效应得影响 9 5选择滤膜 9 5 1重量分析在重量分析中 最小化相对湿度的标准方法是 在采样前 后使滤膜在常温常湿度条件 如20 相对湿度50 下保持24h使之平衡 克服吸湿性气溶胶所引起的复杂湿度影比较困难 其方法是 在不同的湿度下用 控制样品 来校准重量增量 或是最小化采样与重量测量之间的时间 除此之外别无他法 最小化静电影响的常用方法是 在采样前或重力分析前把这些滤膜暴露在一个产生双极离子的源处 如Po 210或Am 241 使用导体滤膜托可以解决这一问题 9 5选择滤膜 9 5 2微观分析微观分析要求粒子收集在平整的或尽量接近平整的滤膜表面 如微孔和