一种亚微米微粒超声波增强凝并效应测试系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种空气污染物测试装置和方法，具体涉及一种气溶胶亚微米微粒超 声波增强凝并效应的测试系统和分析方法。
【背景技术】
[0002] 随着我国工业化和城市化进程的加快，环境污染日益严重，加上室内装修和装饰 材料的污染，空气源已成为影响人体健康的隐形杀手。人类68%的疾病与空气污染有关； 世界卫生组织把室内空气污染列为18类致癌物质之首。全球污染最严重的20个城市，有 16个在中国。随着人们环境意识的增强和生活水平的提高，越发认识到清洁空气对人身健 康的重要性。
[0003]目前在我国，气溶胶颗粒物污染是绝大部分城市的首要污染物。颗粒物质（PM) 是由酸类、有机化学、金属、和土壤或尘埃粒子组成的颗粒和液滴。人们根据颗粒的产生及 在人体呼吸道沉积位置将颗粒分为3类：超细微粒（颗粒直径<=0. 1μm)，亚微米颗粒 PM1 (0. 1μm< =颗粒直径< 1μm)，粗颗粒（颗粒直径> =1μm)。大多燃烧源PM2. 5并非 直接生成，而是由超细微粒经过凝并以及一系列大气化学反应转化而成。
[0004] 亚微米颗粒物通常并非直接生成，而是由纳米级和超细微粒经过凝并以及一系列 大气化学反应转化而成。亚微米颗粒物的扩散性能不如超细微粒，重力沉降速度又不如微 米级颗粒物。对于任何净化除尘装置来说，亚微米颗粒物都是除尘的难点。又由于其粒径 覆盖可见光波长范围（0. 4~0. 8μm)，亚微米颗粒物能够吸收太阳光中的可见光，是影响 大气能见度的主要因素，高浓度的亚微米会直接导致雾霾天气的形成。因此，研究亚微米的 净化机理，对分析雾霾天气的形成以及设计新型空气净化装置具有重要意义。
[0005] 亚微米颗粒物由于粒径比较超细微粒大，在空气里的传输过程中，会同时发生扩 散沉积、重力沉降与凝并的现象，这里沉降与沉积的不同点仅在于沉降是在重力作用下，颗 粒物附着到物体朝上的表面或壁面，也可以笼统称为沉积。亚微米颗粒物的沉积是在布朗 运动、重力、热泳力、以及静电力作用下撞击到壁面的现象，很难直接测量；凝并是细微颗粒 物之间相互碰撞而团聚形成新的颗粒物的现象。从目前的研究来看，要想有效清除亚微米 颗粒物，传统的除尘技术如惯性碰撞、拦截、过滤以及静电作用效果都不大，其除尘效率在 0. 1~1μm的粒径范围往往呈现一个倒V型。因为，相对超细微粒的扩散沉积，亚微米颗 粒物的扩散系数偏小，相对微米级颗粒物的重力沉降速度同样偏小。可以考虑采取的一个 有效思路是通过引入超声波对空气的震荡作用，增加亚微米颗粒物的碰撞，以致发生凝并 作用，其粒径增加至微米级，常规的除尘技术就可以发挥作用。在引入超声波改变其粒径谱 的过程中，需要评估凝并作用的大小，主要指标就是平均粒径大小，这是超声波发射器的安 装、数量的设计依据，并对设计新型空气净化器非常重要。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的设计一种亚微米微粒超声波增强凝并效应测试系统及分析方法，具 体技术方案如下：
[0007] -种亚微米微粒超声波增强凝并效应测试系统，主要包括气溶胶发生器、Kr-85中 和器、超声波发射器、凝并发生箱、真空栗、粒径谱测试仪、电脑、通讯电缆、环境温湿度及压 力测试仪、各种连接管道及阀门。真空栗通过一个阀门连接到凝并发生箱，产生整个系统 的流动压力。气溶胶发生器产生亚微米级的气溶胶微粒，通过管道进入Kr-85中和器进行 电荷中和化处理；处理后的气流进入凝并发生箱，上部安装了超声波发射器，产生超声波促 凝并效应。粒径谱测试仪通过阀门切换可以测量超声波效应前后的颗粒物粒径分布，所测 得数据通过通讯电缆传输到电脑；环境温湿度及压力测试仪放置在箱体内检测箱体内的温 度、湿度及压力。
[0008] 本发明通过气溶胶发生器生成多分散的气溶胶微粒，气溶胶微粒生成数量的多少 可由气溶胶发生器控制。
[0009] 所述的气溶胶发生器产生的微粒数浓度范围在0~10s个/cm3，
[0010] 所述的粒径谱测试仪测量的细微颗粒物浓度范围在〇~10s个/cm3,测量的颗粒 物粒径范围在5nm~1μπι，粒径谱分段数在32个以上。
[0011] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：1)凝并发生箱体洁净：关闭气溶胶发 生器及通道阀门，打开ΗΕΡΑ阀门，启动真空栗，并启动粒径谱测试仪监测凝并箱体内颗粒 物数浓度的同时，从外部进入的空气经过ΗΕΡΑ净化后进入箱体内，当粒径谱测试仪监测到 箱体内数浓度接近于零的时候，可以认为密闭箱体已经被净空，这时关闭真空栗以及连接 阀门，关闭ΗΕΡΑ通道阀门，关闭粒径谱测试仪。
[0012] 2)无超声波效应凝并效率测试：启动气溶胶发生器，打开阀门，同时启动粒径谱 测试仪，当发现凝并发生箱上部细微粒数浓度值达到1〇 6个/cm3级别时，开始记录数据，每 间隔5秒切换监测凝并发生箱上下部位，持续3分钟左右，确定GMD(几何平均直径），按照 下面公式计算平均凝并率k。。
[0013] 上面公式中，第一行是超细微粒同时发生通风和凝并的微分方程，是一个典型的 Bernouli方程，第二行的为求解结果。其中，N为超细微粒总数浓度，单位个/cm3;k为平均 凝并系数，无量纲。
[0014] 重复步骤1，洁净凝并箱体发生器
[0015] 超声波促进凝并效率测试：启动气溶胶发生器，打开阀门，同时启动粒径谱测试 仪，当发现凝并发生箱上部细微粒数浓度值达到106个/cm3级别时，启动超声波发射器，开 始记录数据，每间隔5秒切换监测凝并发生箱上下部位，持续3分钟左右，确定GMD(几何平 均直径），同样按照下面公式计算平均凝并率k。。
[0016] 让气溶胶发生器产生不同浓度和不同分布的气溶胶，或者改变超声波发射器参 数，比如安装个数和位置，超声波发射功率，发射频率等，可以测试得到各种情况的凝并效 率。
[0017] 本发明的有益效果是：本发明提供了一种亚微米微粒超声波促凝并效应的测试装 置和计算方法，由伯努利公式计算出有、无超声波效应的平均凝并系数，并通过测试仪器得 到经过超声波效应后GMD的变化。本发明的所提供的测试系统和方法可用于设计超声波除 尘设计以及新型空气净化器洁净效率分析。
【附图说明】
[0018] 图1是测试系统结构示意图。
[0019] 图中1气溶胶发生器、2阀门a、3K-85中性器、4阀门b、5超声波发射器、6凝并发 生箱、7阀门c、8HEPA过滤器、9三通阀门、10粒粒径谱测试仪、11电脑、12真空栗、13阀门 d、14环境温湿度及压力测试仪。
【具体实施方式】
[0020] 下面结合附图，用实施例来进一步说明本发明。但这个实施例仅是说明性的，本发 明的保护范围并不受这个实施例的限制。
[0021] 如图1所示，一种亚微米微粒超声波增强凝并效应测试系统