摘　要:自行設(shè)計(jì)建立了一套凝聚式單分散氣溶膠發(fā)生實(shí)驗(yàn)裝置。采用蒸發(fā)冷凝法,用不同濃度的NaCl溶液作為凝結(jié)核源,并分別采用DEHS（癸二酸二異辛酯）、DOP（鄰苯二甲酸二辛酯）、PAO-4（聚癸烯,俗稱金剛砂3004）作為試劑,進(jìn)行了氣溶膠的發(fā)生試驗(yàn)以及氣溶膠性能測(cè)試。結(jié)果表明,嚴(yán)格控制各種影響氣溶膠性能的參數(shù),三種試劑均能發(fā)生出單分散氣溶膠粒子（幾何標(biāo)準(zhǔn)偏差σg≤1.25）,粒徑范圍分別為DEHS（0.33~0.36μm）、DOP（0.35~0.37μm）、PAO-4（0.36~0.37μm）,粒子數(shù)濃度均達(dá)到106粒/cm3以上。該裝置產(chǎn)生的單分散氣溶膠粒徑特征和濃度基本符合粒子空氣過(guò)濾器效率測(cè)試要求。
    關(guān)鍵詞:氣溶膠;單分散;過(guò)濾器;蒸發(fā)冷凝法
    中圖分類號(hào):X513文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
    1　前言
    粒子空氣過(guò)濾器（HEPA filters）,通常應(yīng)用于核空氣凈化系統(tǒng)中去除氣溶膠,該類型過(guò)濾器的特點(diǎn)是對(duì)于粒徑為0.3μm的粒子,過(guò)濾效率不低于99.97%[1]。按照美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-282[2]的要求,每臺(tái)HEPA過(guò)濾器在出廠前要用粒徑（0.30±0.03）μm的單分散鄰苯二甲酸二辛酯（DOP）氣溶膠檢測(cè)其效率,此法稱為DOP法,目前通用。國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)GB/T6165—2008《空氣過(guò)濾器性能試驗(yàn)方法效率和阻力》“計(jì)數(shù)法”中的試驗(yàn)方法規(guī)定:可選擇單分散氣溶膠計(jì)數(shù)法進(jìn)行效率試驗(yàn),也可選擇多分散氣溶膠計(jì)數(shù)法進(jìn)行試驗(yàn)。當(dāng)采用單分散氣溶膠計(jì)數(shù)法進(jìn)行試驗(yàn)時(shí),如過(guò)濾器所采用濾料已經(jīng)過(guò)單分散氣溶膠計(jì)數(shù)法試驗(yàn),并獲得zui易透過(guò)粒徑（MPPS）,則過(guò)濾器試驗(yàn)中所選擇的單分散氣溶膠計(jì)數(shù)中值直徑應(yīng)在MPPS±10%以內(nèi)[3]。
    蒸發(fā)冷凝法（即凝聚法）是目前常用的一種單分散氣溶膠發(fā)生方法,凝聚式單分散氣溶膠發(fā)生器能夠快速地發(fā)生濃度可調(diào)的、適用于空氣過(guò)濾器效率測(cè)試的亞微米級(jí)單分散（一般要求幾何標(biāo)準(zhǔn)偏差σg≤1.25）氣溶膠粒子,滿足HEPA過(guò)濾器效率測(cè)試對(duì)氣溶膠發(fā)生裝置的要求。我國(guó)國(guó)內(nèi)目前還未見研制出該設(shè)備的報(bào)道,本課題旨在通過(guò)探索研究,掌握凝聚式單分散氣溶膠發(fā)生方法,為研制用于HEPA過(guò)濾器檢測(cè)的單分散氣溶膠發(fā)生器做好準(zhǔn)備?？紤]到DOP（鄰苯二甲酸二辛酯）試劑有致癌作用和強(qiáng)刺激性,國(guó)外有采用無(wú)毒的PAO（聚癸烯）液體代替DOP的趨勢(shì),因此本項(xiàng)目還研究了用PAO發(fā)生單分散氣溶膠的方法。
    本文主要介紹了凝聚式單分散氣溶膠發(fā)生實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)、建立,重點(diǎn)介紹了發(fā)生DEHS（癸二酸二異辛酯）、DOP、PAO-4單分散氣溶膠的實(shí)驗(yàn)過(guò)程,選擇了現(xiàn)有條件下*的工藝參數(shù)及所發(fā)生氣溶膠的粒徑特征參數(shù)。所發(fā)生氣溶膠粒子的幾何平均直徑在0.35μm左右,σg≤1.25,粒子濃度106粒/cm3以上。
    2　凝聚式單分散氣溶膠發(fā)生裝置的設(shè)計(jì)和建立
    2.1　凝聚式單分散氣溶膠發(fā)生器的基本原理
    凝聚式單分散氣溶膠發(fā)生器是利用蒸發(fā)冷凝法（即凝聚法）來(lái)發(fā)生氣溶膠的。蒸發(fā)冷凝技術(shù)分為同相凝結(jié)和異相凝結(jié),前者在冷凝過(guò)程中沒(méi)有另外提供凝結(jié)核,因此蒸汽冷凝環(huán)境差異較大,單分散性也較差;后者有凝結(jié)核供蒸汽均勻地冷凝,能夠發(fā)生單分散性更好的氣溶膠,因此得到廣泛的應(yīng)用[4]。
    凝聚式單分散氣溶膠發(fā)生器的發(fā)生原理為異核凝結(jié),凝結(jié)核源一般為固態(tài)氯化鈉結(jié)晶粒子。圖1為其發(fā)生原理簡(jiǎn)圖。
    在圖1中,以潔凈氮?dú)庾鳛檩d氣源,以一定的壓力和流量通過(guò)裝有無(wú)機(jī)鹽溶液（一般為氯化鈉溶液）的噴霧器,霧化出來(lái)的細(xì)小液滴經(jīng)硅膠干燥后,結(jié)晶成固體氯化鈉氣溶膠粒子作為凝結(jié)核。凝結(jié)核粒子與有機(jī)蒸汽混合后進(jìn)入再熱器加熱,然后熱混合物（含凝結(jié)核粒子、有機(jī)蒸汽和氮?dú)猓┰诶淠苤畜E然冷卻,其中有機(jī)蒸汽凝結(jié)在凝結(jié)核上形成單分散氣溶膠[5]。
    2.2　凝聚式單分散氣溶膠發(fā)生裝置工藝流程
    根據(jù)圖1的原理簡(jiǎn)圖及調(diào)研資料,設(shè)計(jì)了如下的凝聚式單分散氣溶膠發(fā)生裝置的工藝流程,如圖2所示。

    高純氮?dú)饨?jīng)調(diào)壓閥后以一定的壓力進(jìn)入噴霧器,將噴霧器里的稀氯化鈉溶液噴霧成細(xì)小的氯化鈉液滴,氯化鈉液滴隨后進(jìn)入硅膠干燥柱,除水干燥、結(jié)晶后形成非常小的氯化鈉固體結(jié)晶粒子作為凝結(jié)核。隨后氯化鈉氣溶膠被分為兩部分,一部分進(jìn)入盛有液態(tài)有機(jī)物質(zhì)（如DEHS）的飽和器中,另一部分直接進(jìn)入再熱器中。加熱飽和器液態(tài)有機(jī)物質(zhì)使其在一定的壓力和溫度下蒸發(fā)進(jìn)入再熱器,進(jìn)入再熱器的為凝結(jié)核粒子、氮?dú)庖约坝袡C(jī)物質(zhì)蒸氣三者的混合物。該混合物通過(guò)再熱器進(jìn)一步加熱確保在進(jìn)入冷凝管之前不會(huì)發(fā)生冷凝。zui后在冷凝管里有機(jī)物質(zhì)凝結(jié)在凝結(jié)核上形成單分散氣溶膠。
    2.3　凝聚式單分散氣溶膠發(fā)生裝置的主要技術(shù)指標(biāo)
    對(duì)于粒徑服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布的氣溶膠,可用幾何平均直徑dg及幾何標(biāo)準(zhǔn)偏差σg來(lái)表示:
               
    式（1）、（2）中,d1、d2、…為某相鄰兩粒徑的平均粒徑;n1、n2、…為某相鄰兩粒徑間內(nèi)的粒子數(shù),與d1、d2、…相對(duì)應(yīng);N=∑ni,為總的粒子數(shù)。氣溶膠的分散度用相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（離差系數(shù)）α表示,它是粒子大小的標(biāo)準(zhǔn)偏差σ和粒子平均半徑r之比。對(duì)單分散氣溶膠的判定標(biāo)準(zhǔn)可用α<0.2（lnσg<0.2）,或σg<1.25來(lái)表示[6]。
    因此,將σg≤1.25的氣溶膠作為單分散的條件,也是我們所設(shè)計(jì)裝置的主要技術(shù)指標(biāo)。
    2.4　實(shí)驗(yàn)材料和設(shè)備
    NaCl試劑,北京華騰化工有限公司生產(chǎn);癸二酸二異辛酯（DEHS）試劑,上海國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn);DOP試劑,天津市申泰化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn);PAO-4試劑,美國(guó)ATI公司生產(chǎn)。
    寬范圍粒徑譜儀（WPS-1000XP A型配置）,美國(guó)MSP公司生產(chǎn);電子天平（FA2004N型）,上海精密科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn);靜電采樣儀（3100型）美國(guó)TSI公司生產(chǎn);透射電鏡（JEM-1000CXⅡ）,日本電子公司生產(chǎn)。
    3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
    3.1　DEHS發(fā)生氣溶膠實(shí)驗(yàn)
    根據(jù)文獻(xiàn)[7]所介紹的內(nèi)容,得知氯化鈉溶液質(zhì)量濃度CNaCl,飽和器流流量QBS、旁通流流量QBP以及飽和器溫度T飽是影響氣溶膠粒子幾何平均直徑dg大小的主要參數(shù)。
    3.1.1　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
    選用文獻(xiàn)[7]所推薦的操作參數(shù):NaCl溶液濃度CNaCl=20 mg/L、總流量QT=210 L/h、飽和器流的流量QBS=150 L/h、旁通流的流量QBP=60 L/h,在T飽=120~200℃下調(diào)節(jié)T再（從100~394℃）,用DEHS發(fā)生氣溶膠。用寬范圍粒徑譜儀分別對(duì)各條件下的樣品進(jìn)行測(cè)量,計(jì)算出各樣品的dg及σg。結(jié)果列于表1。
             
    3.1.2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析
    根據(jù)測(cè)量樣品的結(jié)果得到,T飽=150℃是發(fā)生單分散DEHS氣溶膠的*條件（由于篇幅限制,只選取了T飽=150℃時(shí)發(fā)生氣溶膠的數(shù)據(jù),以下的實(shí)驗(yàn)也如此）,對(duì)T再的要求范圍較寬,跨度從150~325℃,粒徑范圍為0.33~0.36μm,σg≤1.25,各溫度條件下產(chǎn)生的氣溶膠粒子數(shù)濃度均達(dá)106粒/cm3以上。表1為樣品測(cè)量計(jì)算結(jié)果,圖3為某一代表樣品的粒徑分布圖,從圖中可以看出粒子濃度達(dá)3.0×106粒/cm3以上。
              
    3.2　DOP發(fā)生氣溶膠實(shí)驗(yàn)
    3.2.1　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
    選用不同濃度的NaCl溶液,CNaCl分別為（1）10 mg/L;（2）20 mg/L;（3）40 mg/L;（4）250mg/L、總流量QT=210 L/h、飽和器流的流量QBS=150 L/h、旁通流的流量QBP=60 L/h,在T飽=100~160℃下調(diào)節(jié)T再（從100~394℃）,用DOP發(fā)生氣溶膠。用寬范圍粒徑譜儀分別對(duì)各條件下的樣品進(jìn)行測(cè)量,計(jì)算出各樣品的dg及σg。
    3.2.2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析
    根據(jù)測(cè)量樣品的結(jié)果得到,四種不同濃度NaCl溶液發(fā)生的DOP氣溶膠在T飽=120℃時(shí),單分散性,σg基本均小于1.20（除極個(gè)別樣品之外）,因此T飽=120℃是*條件。根據(jù)所測(cè)樣品計(jì)算出的數(shù)據(jù),四種不同濃度的NaCl溶液發(fā)生的DOP氣溶膠的dg及σg隨T再的升高而發(fā)生的變化如圖4、圖5所示。
    
    
    從圖4及圖5可以看出,用四種不同濃度的NaCl溶液作為凝結(jié)核發(fā)生的DOP氣溶膠在T飽=120℃時(shí):
    ①各濃度下發(fā)生的氣溶膠的dg在0.35~0.39μm之間;
    ②CNaCl=10、20、40 mg/L時(shí),dg隨T再的升高先增大（在T再=150或175℃時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)）后減小,后段幾乎成直線,CNaCl=250 mg/L時(shí),從T再=150℃開始,dg隨T再的升高呈減小的趨勢(shì),在T再=394℃時(shí),dgzui小,為0.35m;
    ③各濃度下發(fā)生的氣溶膠的σg幾乎全在1.25之內(nèi)（兩個(gè)點(diǎn)除外）;
    ④在T再≥200℃時(shí),各濃度下發(fā)生的氣溶膠的σg全在1.20之內(nèi);
    ⑤T再在100~394℃變化時(shí),CNaCl=250mg/L時(shí)發(fā)生的氣溶膠的σg全在1.20之內(nèi),是發(fā)生單分散氣溶膠的*條件。
    綜上,在用四種不同濃度的NaCl溶液作為凝結(jié)核發(fā)生DOP氣溶膠的試驗(yàn)中,控制流量QT=210 L/h、QBS=150 L/h、QBP=60 L/h的條件下,CNaCl=250 mg/L、T飽=120℃是發(fā)生單分散DOP氣溶膠的*條件,對(duì)T再的要求范圍很寬,跨度從100~394℃,粒徑范圍為0.35~0.37μm,σg全在1.20之內(nèi),對(duì)應(yīng)的粒子濃度均達(dá)106粒/cm3以上。
    3.3　PAO-4（聚癸烯）發(fā)生氣溶膠實(shí)驗(yàn)
    3.3.1　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
    選用不同濃度的NaCl溶液,CNaCl分別為（1）10 mg/L;（2）20 mg/L;（3）250 mg/L、總流量QT=210 L/h、飽和器流量QBS=150 L/h、旁通流的流量QBP=60 L/h,在T飽=100~190℃下調(diào)節(jié)T再（從100~394℃）,用PAO發(fā)生氣溶膠。用寬范圍粒徑譜儀分別對(duì)各條件下的樣品進(jìn)行測(cè)量,計(jì)算出各樣品的dg及σg。
    3.3.2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析
    根據(jù)測(cè)量樣品的結(jié)果得到,三種不同濃度NaCl溶液發(fā)生的PAO-4氣溶膠在T飽=150℃時(shí)的單分散性,σg除極個(gè)別樣品之外均小于1.20,因此T飽=150℃是個(gè)*條件。根據(jù)所測(cè)樣品計(jì)算出的數(shù)據(jù),用三種不同濃度的NaCl溶液發(fā)生的PAO-4氣溶膠的dg及σg隨T再的升高而發(fā)生的變化,如圖6、圖7所示。
    
    從圖6、圖7可以看出,用三種不同濃度的NaCl溶液作為凝結(jié)核發(fā)生的PAO-4氣溶膠在T飽=150℃時(shí):
    ①CNaCl=250 mg/L、T再=100℃時(shí),dgzui大,為0.433 6μm,同時(shí)σg也zui大,為1.67,隨后dg隨T再的升高而減小至幾乎成一條直線。CNaCl=10、20 mg/L時(shí),從T再=100℃開始,dg先增大（在T再=125℃出現(xiàn)極大值）后減小至幾乎成一條直線,σg的變化趨勢(shì)也如此;
    ②T再≥150℃時(shí),各濃度下發(fā)生的氣溶膠的dg及σg曲線基本重合,說(shuō)明T再在150~394℃間變化時(shí),NaCl溶液的濃度對(duì)dg及σg的影響不大;
    ③T再在175~394℃間變化時(shí),各濃度下發(fā)生的氣溶膠的σg均在1.20之內(nèi),尤其是T再=225℃時(shí),dg約為0.36μm,σgzui小,均為1·16左右,單分散性。
    綜上,在用三種不同濃度的NaCl溶液作為凝結(jié)核發(fā)生PAO-4氣溶膠的實(shí)驗(yàn)中,控制流量QT=210 L/h、QBS=150 L/h、QBP=60 L/h的條件下,T飽=150℃是發(fā)生單分散PAO-4氣溶膠的*條件,對(duì)T再的要求范圍較寬,跨度175~394℃,粒徑范圍為0.36~0.37μm,σg均在1.20之內(nèi),對(duì)應(yīng)的粒子濃度均達(dá)106粒/cm3以上。
    5　結(jié)論
    從前述各節(jié)已經(jīng)給出的數(shù)據(jù)和分析,可以得出以下結(jié)論:
    （1）在所建立的實(shí)驗(yàn)裝置上,嚴(yán)格控制影響氣溶膠性能的參數(shù),使用DEHS、DOP和PAO-4三種試劑均能發(fā)生出單分散性很好的氣溶膠（σg≤1.25）、且粒子濃度均可達(dá)106粒/cm3以上。各自的優(yōu)化條件略有差別,使用DOP時(shí),飽和器溫度為120℃,而DEHS和PAO-4均為150℃;NaCl濃度也有區(qū)別,但均容易做到。這三種試劑均可作為核級(jí)過(guò)濾器出廠效率測(cè)試的試劑,其中DOP已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐中,PAO-4的綜合性能更好一些。
    （2）三種試劑發(fā)生的單分散氣溶膠粒徑范圍分別為0.33~0.36μm、0.35~0.37μm、0.36~0.37μm,略大于（0.30±0.03）μm的范圍,但對(duì)于測(cè)試結(jié)果的影響并不大;進(jìn)行進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生（0.30±0.03）μm的單分散氣溶膠粒子是我們下一步的設(shè)想和目標(biāo)。
    （3）該裝置產(chǎn)生的氣溶膠粒徑特征和濃度基本符合HEPA過(guò)濾器效率測(cè)試要求。
參考文獻(xiàn):
[1]　C.A.伯奇斯特,J.E.卡恩,A.B.富勒,著.空氣凈化手冊(cè)[M].時(shí)友人等譯.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]中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局,國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T 6165—2008空氣過(guò)濾器性能試驗(yàn)方法———效率和阻力[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2009.
[4]陳亮,張振中,江峰,等.蒸發(fā)冷凝法氣溶膠發(fā)生方法研究綜述[J].環(huán)境污染與防治（網(wǎng)絡(luò)版）,2007,（8）.
[5]劉志軍,王智超.凝聚式單分散氣溶膠發(fā)生技術(shù)的探討[J].中國(guó)粉體技術(shù), 2007,（2）:31—36.
[6]理查特·丹尼斯,編.氣溶膠手冊(cè)[M].梁鴻富等譯.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.