PM_2.5污染已经成为我国主要的大气环境问题. 目前已开展PM_2.5监测的城市中多数不能满足我国新的环境空气质量标准的要求(PM_2.5日均值75 μg ·m^-3,年均值35 μg ·m^-3)^[1]. 据统计，我国1990～2005年期间排放的一次PM_2.5中约50%来自固定污染源^[2]. 为使PM_2.5达标，各地需对固定污染源烟气中PM_2.5进行监测和控制，但国内目前尚无固定源PM_2.5采样标准方法. 蒋靖坤等^[3]系统总结了国内外现有固定污染源烟气PM_2.5采样方法. 目前商业化的PM_2.5采样器多为基于惯性撞击原理的撞击器(Impactor)，常见的有Johnas-Ⅱ PM₁₀/PM_2.5双级采样器^[4]，以及多级采样器如低压荷电撞击采样器(ELPI)和Anderson采样器^[5,6]. 由于使用收集板收集颗粒物，该类型采样器存在颗粒反弹和再悬浮问题，致使部分粒径较大的颗粒进入到PM_2.5收集级，容易高估PM_2.5浓度. 另一种商业化的PM_2.5采样器为双级旋风采样器，是美国环保署(USEPA)建议的方法^[7]，但该采样器在我国的应用有如下两个方面的限制：①尺寸较大，PM_2.5旋风级要求采样口尺寸为100 mm，PM₁₀旋风尺寸为150 mm，而我国固定源采样口通常为80 mm； ②需要用丙酮清洗，该采样器需要用丙酮清洗采样管路和集成部件，后续需要将丙酮蒸干，然后称重. 操作繁琐复杂，在PM_2.5浓度较低时丙酮清洗容易引入较大误差，此外丙酮对人体有毒害作用.

近年来，为了克服传统撞击器存在的PM_2.5高估问题，虚拟撞击原理已被用于大气环境颗粒物采样，也有研究报道了基于该原理设计的烟尘采样器^{[8, 9, 10]}. 但是，这些虚拟撞击采样器同样由于尺寸较大，不适合于我国固定源采样口，且测量高浓度烟气时滤膜很容易过载. 为了克服上述问题，笔者研制了一种适用于我国固定源PM₁₀/PM_2.5采样的双击虚拟撞击器，并利用实验室发生的标准气溶胶对其切割效率和颗粒物损失进行了评估.

1 虚拟撞击原理

虚拟撞击分级采样的原理与传统的惯性分级采样相似，都是利用不同粒径颗粒物的惯性不同进行分级. 但是虚拟撞击采样器没有集尘板，取而代之的是收尘嘴. 如图 1所示，虚拟惯性撞击采样器由上下同轴的两个喷嘴构成. 上喷嘴为加速喷嘴，下喷嘴为收口. 当气流进入喷嘴后被加速，高速的气流然后一分为二，其中一部分气流，约占总气流的90%，发生90°变向，进入下一级，该部分气流称为主流； 另一部分气流，约占总气流的10%，直接进入收口，该部分气流称为次流. 粒径小的颗粒物，惯性小，容易跟随气流一起运动； 而粒径大的颗粒物惯性大，容易脱离变向气流. 因此，在虚拟撞击采样器中粒径小的颗粒物随着气流一分为二，大部分随主流进入下一级，小部分随次流进入收口. 而粒径大的颗粒物脱离主流，随次流进入收口. 颗粒物的这种按惯性分离的性质可用一个参数来表征，即斯托克斯数(Stk). 小粒径的颗粒物Stk小，大粒径的颗粒物Stk大. 如果某一粒径的颗粒物有50%随主流进入下一级，另外的50%随次流进入收口，则称该粒径为切割粒径(D50)，对应的斯托克斯数为Stk₅₀. D50和Stk₅₀的关系满足如下斯托克斯公式，受流体的性质和采样器几何参数影响^{[11, 12, 13]}. 虚拟撞击器主要的几何参数包括喷嘴直径D0、 收口直径D1、 喷嘴距收口的距离S、 喷嘴长度L、 收口顶端圆角R和喷嘴与收口同轴度δ.

图 1

Fig. 1

图 1 虚拟撞击采样器示意 Fig. 1 Schematics of virtual impactor

以直径不超过我国固定源采样口的常用尺寸(80 mm)为原则进行了PM₁₀/PM_2.5双级虚拟撞击采样器的设计. 首先假设Stk₅₀，确定切割点D50为2.5 μm或10 μm，然后根据斯托克斯公式(1)确定采样流量Q和喷嘴直径D0. 理论和实验结果表明收口直径D1约为D₀的1.3～1.4倍时颗粒物损失最小^[14,15]，基于此比例确定了D1的大小. 本设计采用的基本参数如表 1所示. 实物图和示意图如图 2所示，采样器分为三级，分别收集PM_2.5、 PM_2.5~10和PM_>10. 喷嘴与收口均匀地分布在直径为10～30 mm的圆上，喷嘴分别与收口对应，在加工过程中采用一体化加工，保证了二者同轴. 在收口的下部特别设计了锥状凸出，可以放置滤筒，适用于高浓度烟气的采样； 低浓度时可以放置滤膜. 采样器的气体管路全部内嵌于采样器内部，采样器外径为74 mm，适用于我国固定源采样口.

图 2

Fig. 2

图 2 PM10/PM2.5双级虚拟撞击采样器 Fig. 2 PM10/PM2.5 two stage virtual impactor

表 1(Table 1)

表 1 PM10/PM2.5双级虚拟撞击采样器的基本参数 Table 1 Parameters of PM10/PM2.5 two stage virtual impactor 参数 PM10级 PM2.5级 喷嘴数/个 4 6 加速喷嘴直径D0/mm 4.62 1.50 收集收口直径D1/mm 6.20 2.00 喷嘴距收口的距离S/mm 7 3 入口总流量Q0/L·min-1 9.8 9.0 次流流量Qminor/L·min-1 0.8 0.9 斯托克斯数Stk50 0.32 0.37 喷嘴处雷诺数(25℃ 空气) 682 1297

表 1 PM10/PM2.5双级虚拟撞击采样器的基本参数 Table 1 Parameters of PM10/PM2.5 two stage virtual impactor

3 虚拟撞击采样器的标定 3.1 标定系统

利用实验室搭建的标定系统对虚拟撞击采样器进行了标定. 标定系统包括振动孔气溶胶发生器(VOAG，TSI 3450)、 零空气发生器、 干燥室和空气动力学粒径谱仪(APS，TSI 3321). 用VOAG产生含有荧光素铵的液滴，然后用零空气进行干燥，最后形成单分散的固体荧光素铵颗粒. 固定VOAG的振动频率，调整荧光素铵溶液浓度可获得不同粒径大小的单分散颗粒，即1～20 μm. 用尼龙滤膜收集发生的单分散荧光素铵颗粒，然后用荧光显微镜(Leica，DM6000B)观察其形状，确认其为球形. 用APS实时监测颗粒物的单分散性. 实验前先用聚苯乙烯小球(PSL)对APS进行了标定，测得1、 2和2.5 μm的PSL小球的峰值分别为1.05、 1.98和2.46 μm，表明APS满足测试要求.

将双级虚拟撞击采样器置于干燥室中进行标定. 用石英膜分别收集PM₁₀级与PM_2.5级主流和次流中荧光素铵颗粒，同时收集采样器内表面损失的荧光素铵颗粒，然后用高纯水将滤膜上和损失的荧光素铵洗入不同的烧杯中，用荧光分光光度计(HITACHI,F7000)测定荧光素铵的含量，其中主流中荧光素铵的量记为M1，次流中的记为M2，损失的记为M3，则PM₁₀与PM_2.5级切割效率(η1)和损失(η2)可分别按公式(2)和(3)计算：

如图 3和4所示，虚拟撞击采样器PM₁₀级和PM_2.5级的切割效率曲线均优于国际标准ISO 7708：1995^[16]中规定的PM₁₀/PM_2.5采样器切割效率(本研究开发的采样器切割效率曲线更陡). 两级对应的实际切割粒径分别为2.49 μm和10.0 μm，相应的Stk₅₀分别为0.32和0.37. 虚拟撞击采样器的切割效率曲线不同于传统撞击采样器，由于次流携带一部分粒径小的颗粒物(又称为“小颗粒物污染”)，随着空气动力学直径D_a变小，切割效率曲线不是趋于0，而是趋于次流所占的比值. 但由于小颗粒物的质量较小，其对计算PM_2.5质量浓度的影响可以忽略不计. 从PM₁₀和PM_2.5的损失结果可知，虚拟撞击器的颗粒物损失在切割点附近达到最大. 在清洗采样器内表面时发现颗粒物损失主要发生在喷嘴所在的基面和收口顶端，为此在收口顶端加工半径为R的圆角以及增加喷嘴的长度，可有效降低颗粒物的损失，因为这样主流在收口顶端可以平滑过渡，而且不会撞到喷嘴所在的基面. 采样器PM_2.5级的损失不超过7%，PM₁₀级的损失不超过5%，符合国际标准ISO 13271：2012中对于虚拟撞击采样器的要求^[17].

图 3

Fig. 3

图 3 PM2.5级的切割效率曲线和不同粒径颗粒物的损失 Fig. 3 Collection efficiency of PM2.5 stage and loss of different sized particles

图 4

Fig. 4

图 4 PM10级的切割效率曲线和不同粒径颗粒物的损失 Fig. 4 Collection efficiency of PM10 stage and loss of different sized particles

Marple等^[14,18,19]的模拟计算发现虚拟撞击器Stk₅₀ 的理论值只取决于次流与主流的比值(次流比)，而撞击器的几何参数可通过影响颗粒物的损失进而影响Stk₅₀的真实值. 本研究固定了VOAG产生颗粒物的粒径(2.48 μm)，总流量保持在9 L ·min^-1，改变次流比研究了其对切割点的影响. 结果如图 5所示，随着次流比变小，2.48 μm颗粒物的切割效率下降，其损失变化不大. 基于斯托克斯公式推算，Stk₅₀的值将增大. 此结果与报道的结果相符^{[20, 21, 22, 23, 24, 25]}.

图 5

Fig. 5

图 5 次流比对固定粒径颗粒物的切割效率和损失的影响 Fig. 5 Collection efficiency and loss as a function of the minor to major flow ratio

固定PM_2.5级采样流量和其他几何参数，调整喷嘴到收口的距离(分别取2、 2.5和3 mm)，按上述方法确定切割效率曲线，结果如图 6所示. 当距离为2 mm时颗粒物损失严重，切割效率曲线严重右移. 但是当距离大于等于2.5 mm时切割效率曲线没有明显的差别. 这说明喷嘴距收口的距离应大于一定的数值，对于本研究中的虚拟撞击器，距离至少应为喷嘴直径的1.5～2倍.

图 6

Fig. 6

图 6 喷嘴距收口的距离对切割效率和损失的影响 Fig. 6 Collection efficiency and loss as a function of the distance from the accelerating nozzle to the collecting nozzle

(1)研制了一种适用于我国固定源PM₁₀/PM_2.5采样的双级虚拟撞击采样器，该采样器的切割效率曲线优于国际标准ISO 7708:1995对采样器的规定，采样器横截面直径为74 mm，满足我国固定源采样口尺寸要求. 采样器既可以安装滤膜，也可以安装滤筒，适用于不同浓度的烟尘测量.

(2)虚拟撞击器的切割粒径与次流比呈负相关； 为降低颗粒物的损失，虚拟撞击器喷嘴距收口的距离至少应为喷嘴直径的1.5～2倍.

致谢： 感谢中国科学院安徽光学精密机械研究所桂华侨博士提供VOAG支持.