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濾器效率測試要求。
    關(guān)鍵詞:氣溶膠;單分散;過濾器;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,該類型過濾器的特點(diǎn)是對于粒徑為0.3μm的粒子,過濾效率不低于99.97%[1]。按照美國軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-282[2]的要求,每臺(tái)HEPA過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）氣溶膠檢測其效率,此法稱為DOP法,目前通用。國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)GB/T6165—2008《空氣過濾器性能試驗(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),如過濾器所采用濾料已經(jīng)過單分散氣溶膠計(jì)數(shù)法試驗(yàn),并獲得zui易透過粒徑（MPPS）,則過濾器試驗(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、適用于空氣過濾器效率測試的亞微米級單分散（一般要求幾何標(biāo)準(zhǔn)偏差σg≤1.25）氣溶膠粒子,滿足HEPA過濾器效率測試對氣溶膠發(fā)生裝置的要求。我國國內(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過濾器檢測的單分散氣溶膠發(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,國外有采用無毒的PAO（聚癸烯）液體代替DOP的趨勢,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),前者在冷凝過程中沒有另外提供凝結(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裝有無機(jī)鹽溶液（一般為氯化鈉溶液）的噴霧器,霧化出來的細(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)
    對于粒徑服從對數(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、…相對應(yīng);N=∑ni,為總的粒子數(shù)。氣溶膠的分散度用相對標(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ATI公司生產(chǎn)。
    寬范圍粒徑譜儀（WPS-1000XP A型配置）,美國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各條件下的樣品進(jìn)行測量,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各條件下的樣品進(jìn)行測量,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,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各條件下的樣品進(jìn)行測量,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,說明T再在150~394℃間變化時(shí),NaCl溶液的濃度對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過濾器出廠效率測試的試劑,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,但對于測試結(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過濾器效率測試要求。
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