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凝聚式单分散气溶胶发生方法研究
发布时间:2013-07-23   点击次数:2013次

 摘 要:自行设计建立了一套凝聚式单分散气溶胶发生实验装置。采用蒸发冷凝法,用不同浓度的NaCl溶液作为凝结核源,并分别采用DEHS(癸二酸二异辛酯)、DOP(邻苯二甲酸二辛酯)、PAO-4(聚癸烯,俗称金刚砂3004)作为试剂,进行了气溶胶的发生试验以及气溶胶性能测试。结果表明,严格控制各种影响气溶胶性能的参数,三种试剂均能发生出单分散气溶胶粒子(几何标准偏差σg≤1.25),粒径范围分别为DEHS(0.33~0.36μm)、DOP(0.35~0.37μm)、PAO-4(0.36~0.37μm),粒子数浓度均达到106粒/cm3以上。该装置产生的单分散气溶胶粒径特征和浓度基本符合粒子空气过滤器效率测试要求。
    关键词:气溶胶;单分散;过滤器;蒸发冷凝法
    中图分类号:X513文献标识码:A
    1 前言
    粒子空气过滤器(HEPA filters),通常应用于核空气净化系统中去除气溶胶,该类型过滤器的特点是对于粒径为0.3μm的粒子,过滤效率不低于99.97%[1]。按照美国军用标准MIL-STD-282[2]的要求,每台HEPA过滤器在出厂前要用粒径(0.30±0.03)μm的单分散邻苯二甲酸二辛酯(DOP)气溶胶检测其效率,此法称为DOP法,目前国际通用。国内相关标准GB/T6165—2008《空气过滤器性能试验方法效率和阻力》“计数法”中的试验方法规定:可选择单分散气溶胶计数法进行效率试验,也可选择多分散气溶胶计数法进行试验。当采用单分散气溶胶计数法进行试验时,如过滤器所采用滤料已经过单分散气溶胶计数法试验,并获得zui易透过粒径(MPPS),则过滤器试验中所选择的单分散气溶胶计数中值直径应在MPPS±10%以内[3]。
    蒸发冷凝法(即凝聚法)是目前常用的一种单分散气溶胶发生方法,凝聚式单分散气溶胶发生器能够快速地发生浓度可调的、适用于空气过滤器效率测试的亚微米级单分散(一般要求几何标准偏差σg≤1.25)气溶胶粒子,满足HEPA过滤器效率测试对气溶胶发生装置的要求。我国国内目前还未见研制出该设备的报道,本课题旨在通过探索研究,掌握凝聚式单分散气溶胶发生方法,为研制用于HEPA过滤器检测的单分散气溶胶发生器做好准备。考虑到DOP(邻苯二甲酸二辛酯)试剂有致癌作用和强刺激性,国外有采用无毒的PAO(聚癸烯)液体代替DOP的趋势,因此本项目还研究了用PAO发生单分散气溶胶的方法。
    本文主要介绍了凝聚式单分散气溶胶发生实验装置的设计、建立,重点介绍了发生DEHS(癸二酸二异辛酯)、DOP、PAO-4单分散气溶胶的实验过程,选择了现有条件下zui佳的工艺参数及所发生气溶胶的粒径特征参数。所发生气溶胶粒子的几何平均直径在0.35μm左右,σg≤1.25,粒子浓度106粒/cm3以上。
    2 凝聚式单分散气溶胶发生装置的设计和建立
    2.1 凝聚式单分散气溶胶发生器的基本原理
    凝聚式单分散气溶胶发生器是利用蒸发冷凝法(即凝聚法)来发生气溶胶的。蒸发冷凝技术分为同相凝结和异相凝结,前者在冷凝过程中没有另外提供凝结核,因此蒸汽冷凝环境差异较大,单分散性也较差;后者有凝结核供蒸汽均匀地冷凝,能够发生单分散性更好的气溶胶,因此得到广泛的应用[4]。
    凝聚式单分散气溶胶发生器的发生原理为异核凝结,凝结核源一般为固态氯化钠结晶粒子。图1为其发生原理简图。
    在图1中,以洁净氮气作为载气源,以一定的压力和流量通过装有无机盐溶液(一般为氯化钠溶液)的喷雾器,雾化出来的细小液滴经硅胶干燥后,结晶成固体氯化钠气溶胶粒子作为凝结核。凝结核粒子与有机蒸汽混合后进入再热器加热,然后热混合物(含凝结核粒子、有机蒸汽和氮气)在冷凝管中骤然冷却,其中有机蒸汽凝结在凝结核上形成单分散气溶胶[5]。
    2.2 凝聚式单分散气溶胶发生装置工艺流程
    根据图1的原理简图及调研资料,设计了如下的凝聚式单分散气溶胶发生装置的工艺流程,如图2所示。

    高纯氮气经调压阀后以一定的压力进入喷雾器,将喷雾器里的稀氯化钠溶液喷雾成细小的氯化钠液滴,氯化钠液滴随后进入硅胶干燥柱,除水干燥、结晶后形成非常小的氯化钠固体结晶粒子作为凝结核。随后氯化钠气溶胶被分为两部分,一部分进入盛有液态有机物质(如DEHS)的饱和器中,另一部分直接进入再热器中。加热饱和器液态有机物质使其在一定的压力和温度下蒸发进入再热器,进入再热器的为凝结核粒子、氮气以及有机物质蒸气三者的混合物。该混合物通过再热器进一步加热确保在进入冷凝管之前不会发生冷凝。zui后在冷凝管里有机物质凝结在凝结核上形成单分散气溶胶。
    2.3 凝聚式单分散气溶胶发生装置的主要技术指标
    对于粒径服从对数正态分布的气溶胶,可用几何平均直径dg及几何标准偏差σg来表示:
               
    式(1)、(2)中,d1、d2、…为某相邻两粒径的平均粒径;n1、n2、…为某相邻两粒径间内的粒子数,与d1、d2、…相对应;N=∑ni,为总的粒子数。气溶胶的分散度用相对标准偏差(离差系数)α表示,它是粒子大小的标准偏差σ和粒子平均半径r之比。对单分散气溶胶的判定标准可用α<0.2(lnσg<0.2),或σg<1.25来表示[6]。
    因此,将σg≤1.25的气溶胶作为单分散的条件,也是我们所设计装置的主要技术指标。
    2.4 实验材料和设备
    NaCl试剂,北京华腾化工有限公司生产;癸二酸二异辛酯(DEHS)试剂,上海国药集团化学试剂有限公司生产;DOP试剂,天津市申泰化学试剂有限公司生产;PAO-4试剂,美国ATI公司生产。
    宽范围粒径谱仪(WPS-1000XP A型配置),美国MSP公司生产;电子天平(FA2004N型),上海精密科学仪器有限公司生产;静电采样仪(3100型)美国TSI公司生产;透射电镜(JEM-1000CXⅡ),日本电子公司生产。
    3 实验结果及分析
    3.1 DEHS发生气溶胶实验
    根据文献[7]所介绍的内容,得知氯化钠溶液质量浓度CNaCl,饱和器流流量QBS、旁通流流量QBP以及饱和器温度T饱是影响气溶胶粒子几何平均直径dg大小的主要参数。
    3.1.1 实验内容
    选用文献[7]所推荐的操作参数:NaCl溶液浓度CNaCl=20 mg/L、总流量QT=210 L/h、饱和器流的流量QBS=150 L/h、旁通流的流量QBP=60 L/h,在T饱=120~200℃下调节T再(从100~394℃),用DEHS发生气溶胶。用宽范围粒径谱仪分别对各条件下的样品进行测量,计算出各样品的dg及σg。结果列于表1。
             
    3.1.2 实验结果及其分析
    根据测量样品的结果得到,T饱=150℃是发生单分散DEHS气溶胶的zui佳条件(由于篇幅限制,只选取了T饱=150℃时发生气溶胶的数据,以下的实验也如此),对T再的要求范围较宽,跨度从150~325℃,粒径范围为0.33~0.36μm,σg≤1.25,各温度条件下产生的气溶胶粒子数浓度均达106粒/cm3以上。表1为样品测量计算结果,图3为某一代表样品的粒径分布图,从图中可以看出粒子浓度达3.0×106粒/cm3以上。
              
    3.2 DOP发生气溶胶实验
    3.2.1 实验内容
    选用不同浓度的NaCl溶液,CNaCl分别为(1)10 mg/L;(2)20 mg/L;(3)40 mg/L;(4)250mg/L、总流量QT=210 L/h、饱和器流的流量QBS=150 L/h、旁通流的流量QBP=60 L/h,在T饱=100~160℃下调节T再(从100~394℃),用DOP发生气溶胶。用宽范围粒径谱仪分别对各条件下的样品进行测量,计算出各样品的dg及σg。
    3.2.2 实验结果及其分析
    根据测量样品的结果得到,四种不同浓度NaCl溶液发生的DOP气溶胶在T饱=120℃时,单分散性,σg基本均小于1.20(除极个别样品之外),因此T饱=120℃是zui佳条件。根据所测样品计算出的数据,四种不同浓度的NaCl溶液发生的DOP气溶胶的dg及σg随T再的升高而发生的变化如图4、图5所示。
    
    
    从图4及图5可以看出,用四种不同浓度的NaCl溶液作为凝结核发生的DOP气溶胶在T饱=120℃时:
    ①各浓度下发生的气溶胶的dg在0.35~0.39μm之间;
    ②CNaCl=10、20、40 mg/L时,dg随T再的升高先增大(在T再=150或175℃时出现拐点)后减小,后段几乎成直线,CNaCl=250 mg/L时,从T再=150℃开始,dg随T再的升高呈减小的趋势,在T再=394℃时,dgzui小,为0.35m;
    ③各浓度下发生的气溶胶的σg几乎全在1.25之内(两个点除外);
    ④在T再≥200℃时,各浓度下发生的气溶胶的σg全在1.20之内;
    ⑤T再在100~394℃变化时,CNaCl=250mg/L时发生的气溶胶的σg全在1.20之内,是发生单分散气溶胶的zui佳条件。
    综上,在用四种不同浓度的NaCl溶液作为凝结核发生DOP气溶胶的试验中,控制流量QT=210 L/h、QBS=150 L/h、QBP=60 L/h的条件下,CNaCl=250 mg/L、T饱=120℃是发生单分散DOP气溶胶的zui佳条件,对T再的要求范围很宽,跨度从100~394℃,粒径范围为0.35~0.37μm,σg全在1.20之内,对应的粒子浓度均达106粒/cm3以上。
    3.3 PAO-4(聚癸烯)发生气溶胶实验
    3.3.1 实验内容
    选用不同浓度的NaCl溶液,CNaCl分别为(1)10 mg/L;(2)20 mg/L;(3)250 mg/L、总流量QT=210 L/h、饱和器流量QBS=150 L/h、旁通流的流量QBP=60 L/h,在T饱=100~190℃下调节T再(从100~394℃),用PAO发生气溶胶。用宽范围粒径谱仪分别对各条件下的样品进行测量,计算出各样品的dg及σg。
    3.3.2 实验结果及其分析
    根据测量样品的结果得到,三种不同浓度NaCl溶液发生的PAO-4气溶胶在T饱=150℃时的单分散性,σg除极个别样品之外均小于1.20,因此T饱=150℃是个zui佳条件。根据所测样品计算出的数据,用三种不同浓度的NaCl溶液发生的PAO-4气溶胶的dg及σg随T再的升高而发生的变化,如图6、图7所示。
    
    从图6、图7可以看出,用三种不同浓度的NaCl溶液作为凝结核发生的PAO-4气溶胶在T饱=150℃时:
    ①CNaCl=250 mg/L、T再=100℃时,dgzui大,为0.433 6μm,同时σg也zui大,为1.67,随后dg随T再的升高而减小至几乎成一条直线。CNaCl=10、20 mg/L时,从T再=100℃开始,dg先增大(在T再=125℃出现极大值)后减小至几乎成一条直线,σg的变化趋势也如此;
    ②T再≥150℃时,各浓度下发生的气溶胶的dg及σg曲线基本重合,说明T再在150~394℃间变化时,NaCl溶液的浓度对dg及σg的影响不大;
    ③T再在175~394℃间变化时,各浓度下发生的气溶胶的σg均在1.20之内,尤其是T再=225℃时,dg约为0.36μm,σgzui小,均为1·16左右,单分散性。
    综上,在用三种不同浓度的NaCl溶液作为凝结核发生PAO-4气溶胶的实验中,控制流量QT=210 L/h、QBS=150 L/h、QBP=60 L/h的条件下,T饱=150℃是发生单分散PAO-4气溶胶的zui佳条件,对T再的要求范围较宽,跨度175~394℃,粒径范围为0.36~0.37μm,σg均在1.20之内,对应的粒子浓度均达106粒/cm3以上。
    5 结论
    从前述各节已经给出的数据和分析,可以得出以下结论:
    (1)在所建立的实验装置上,严格控制影响气溶胶性能的参数,使用DEHS、DOP和PAO-4三种试剂均能发生出单分散性很好的气溶胶(σg≤1.25)、且粒子浓度均可达106粒/cm3以上。各自的优化条件略有差别,使用DOP时,饱和器温度为120℃,而DEHS和PAO-4均为150℃;NaCl浓度也有区别,但均容易做到。这三种试剂均可作为核级过滤器出厂效率测试的试剂,其中DOP已广泛应用于生产实践中,PAO-4的综合性能更好一些。
    (2)三种试剂发生的单分散气溶胶粒径范围分别为0.33~0.36μm、0.35~0.37μm、0.36~0.37μm,略大于(0.30±0.03)μm的范围,但对于测试结果的影响并不大;进行进一步实验产生(0.30±0.03)μm的单分散气溶胶粒子是我们下一步的设想和目标。
    (3)该装置产生的气溶胶粒径特征和浓度基本符合HEPA过滤器效率测试要求。
参考文献:
[1] C.A.伯奇斯特,J.E.卡恩,A.B.富勒,著.空气净化手册[M].时友人等译.北京:原子能出版社,1981:46.
[2]USA. MIL-STD-282 Filter units, protective cloth-ing, gas-mask 
components and related products, [S].Department of defense test 
method standard. Washing-ton, 1956.
[3]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,国家标准化管理委员会.GB/T 6165—2008空气过滤器性能试验方法———效率和阻力[S].北京:中国标准出版社, 2009.
[4]陈亮,张振中,江峰,等.蒸发冷凝法气溶胶发生方法研究综述[J].环境污染与防治(网络版),2007,(8).
[5]刘志军,王智超.凝聚式单分散气溶胶发生技术的探讨[J].中国粉体技术, 2007,(2):31—36.
[6]理查特·丹尼斯,编.气溶胶手册[M].梁鸿富等译.北京:原子能出版社, 1988:26.[7]Horton K,Miller R,Mitchell J. Characterization of acondensation-type
 mono-disperse aerosol generator(MAGE)[J]. Aerosol Sci,1991,22(3): 347—363.

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