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室内可吸入颗粒物动态分散方法研究

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刘红丽赵永安

摘要：近来来，室内空气质量成为大家广泛关注的问题，而室内可吸入颗粒物是影响室内空气质量的重要因素，对人体健康产生很大危害。因此对室内可吸入颗粒物的物理化特征进行研究，可以分析其来源，从根本上减少浓度，优化室内空气质量，对人体健康有着重要意义。文章主要研究了一种室内可吸入颗粒物样品液的制备方法。首先采用小流量空气采样器采集室内颗粒物，利用分散剂甘油和超声波振子的震动同时作用对其分散，完成样品液的制备，然后通过电泵和电磁阀使样品液循环流动，供高速摄像机成像。克服了以往静态颗粒物分散的分散不均匀、取样代表性差等问题。

关键词：可吸入颗粒物；样品液制备；超声波；分散；动态成像

引言

据调查，居民平均三分之二的时间生活在各种室内环境，比如办公室、教室、卧室等，室内的空气质量和人体健康有着密切的联系，而室内可吸入颗粒物是室内空气的首要污染物，对人体健康产生很大危害，其粒径分布影响着颗粒物的所有理化特征，因此研究颗粒物的粒径分布具有重要意义。目前对颗粒物的研究大多都是通过显微镜静态成像，然后再对图片进行分析处理，虽然操作简单，但存在的问题就是样品的分散不充分，成像样品代表性差，为了克服这些弊端，文章设计了一种新颖的颗粒物动态分散的方法，颗粒物放在分散剂（甘油+水）中，通过超声波驱动振子振动和搅拌电机的共同作用使颗粒物均匀分散。然后通过电泵和电磁阀使分散均匀的样品液循环流动，供高速摄像机成像，成功的解决了以上问题。

1颗粒物分散系统方案设计

文章颗粒物收集是通过小流量采样器吸取室内空气，采用的采样器型号是ZR-3930B，采样流量为16.67L/min。空气中的悬浮颗粒物经过冲击式切割机分级，使之通过已恒重的微孔滤膜，使悬浮颗粒被阻留在滤膜上，被微孔滤膜吸附。

由于可吸入室内悬浮颗粒物粒径一般在10μm或以下（PM2.5），

颗粒在各种引力作用下会出现凝聚现象，因此测量单个颗粒的粒径大小比较困难。因此为了获得单个颗粒物的信息，必须对采集到的颗粒物进行分散。颗粒凝聚是颗粒本身固有的性质，也是妨碍准确测量颗粒粒径分布的主要原因。克服颗粒凝聚的有效方法是加分散剂和实施外力分散。分散剂的作用是能显著降低颗粒物的表面粘连，减弱颗粒间的引力，从而缓解甚至消除颗粒的凝聚现象。分散剂的选择非常重要，水和酒精的分散能力虽然较强，但颗粒物在水和酒精中布朗运动较强烈，导致摄像机成像有明显的拖尾效果。相比之下，甘油作为分散剂是由于其粘滞系数大使得颗粒的布朗运动不明显，并且当颗粒分散均匀后不易发生沉淀现象，所以文章选择甘油作为样品的分散剂。而外力分散效果最好的是超声波分散，它是利用超声波振子的震荡作用使凝聚在一起的“团粒”分离的更彻底，在文章中，采用两种方法同时作用。[1]

现有的颗粒物分析都是直接把吸附有颗粒物的滤膜放在载玻片上用显微镜成像观察，如果是静态的，只能观察到颗粒物的某一个方向，取样代表性差，且无法使颗粒物单独均匀的分布，会使分析的准确度受到影响。为了克服以上问题，文章研究了一种新型的颗粒物的分散方法，先将收集到的颗粒物样品放入加有分散剂的样品搅拌桶中，利用搅拌电机搅拌和超声波振子的震荡共同作用，使颗粒物分散均匀，然后用电泵驱动样品液循环流动通过透光样品池，高速摄像机按一定频率对其成像，然后对图像进行分析和处理。总体设计图如图1所示。

其中，样品搅拌桶环节是成功实现颗粒物动态分散的关键，其结构示意图如图2所示。（不仅仅包含搅拌桶部分）

实验时，将收集到的颗粒物样品加入装有分散剂（本项目选用水和甘油）的搅拌桶中，打开搅拌电机和超声波发生器驱动器，搅拌3-5分钟，打开循环泵和电磁阀使分散后的样品液沿导管缓慢流经透光样品池，供高速摄像机成像，为了提高成像的清晰度和分辨率，特地增加了凸透镜对样品液放大。然后利用计算机对得到的图像进行分析和处理，观察样品液的分散效果，如果分散不理想，则继续搅拌，直到样品液分散达标为止[2]。

采用高速摄像机成像是因为高速摄像机具有很高的成像速度，每一个微秒即可采集一副图像，配合缓慢流动的样品液，可以使取样代表性更强，且图像清晰，无拖尾现象，具有很好的分析价值。

此动态颗粒图像分析和现有技术相比，具有以下特点：

（1）有效克服了样品团聚和粘连，简化了制样操作，提高测量精度。

（2）克服了传统静态成像的弊端，实现了三维颗粒测量。

（3）运动测试提高了采样数量，因而提高了测试结果的代表性与重复性。

2超声波发生器硬件电路设计

超声波发生器的实质是一个功率发生器，它产生一定频率的正弦（或类似正弦）信号，通过匹配电路与换能器相连，换能器将超声波发生器提供的电能转换为机械能振动。超声波发生器的结构图如图3所示。[3]

工作过程如下：先由信号发生器来产生一个特定频率