高效过滤器钠焰效率试验中NaCl浓度对测量精度的影响

张振中，庄子威，江 锋

(清华大学 核能与新能源技术研究院，北京 100084)

在核级空气净化系统中，核级高效过滤器作为系统的最后一级设备，是避免放射性气溶胶排入大气的最后一道安全屏障。其典型尺寸为610 mm×610 mm×292 mm，迎风截面尺寸为610 mm×610 mm，额定风量为1 700 m3/h。

对放射性颗粒物的过滤效率是核级高效过滤器性能的重要指标之一，不同国家的标准中效率检测方法不同。中国国家标准使用钠焰法[1-2]，具体描述为：首先使用Collison喷嘴喷雾NaCl水溶液，然后干燥产生NaCl固态气溶胶，在被测过滤器的前、后进行含气溶胶空气采样，使用钠焰光度计测量NaCl气溶胶的浓度，从而计算出过滤效率。在整个效率测量过程中，含NaCl的空气的相对湿度小于40%；NaCl气溶胶的计重中值直径约为0.5 μm。采用钠焰法，核级高效过滤器的效率指标不小于99.99%。

钠焰光度的测量包括燃烧器、光电转换单元及微电流信号测量单元3部分。燃烧器主要解决NaCl气溶胶完全、持续燃烧的技术；光电转换单元主要将燃烧产生的特征黄光通过光电倍增管转换成可测量的电流信号；微电流信号测量单元则主要对转换后的电流信号进行准确测量。其中，NaCl浓度与电流信号间的关系非常重要。

本文将通过实验来讨论NaCl浓度与光电流测量值间的关系，研究钠焰效率的精确测量。

1 钠焰法过滤效率的计算

赛伯-罗马金公式给出了元素的谱线强度I与该元素的浓度c之间的关系：

I=AcB

(1)

其中，A、B为常数，常数A与元素的蒸发、激发过程和元素组成等有关，常数B为自吸收系数，它的数值与谱线的自吸收有关[3]。

在获得光电流I后，对钠焰法过滤效率的计算使用如下公式：

(2)

其中：E为过滤器效率，%；P为过滤器透过率，%；I1为过滤器前NaCl燃烧产生的光电流，nA；I2为过滤器后NaCl燃烧产生的光电流，nA；I0为检测系统本底空气的光电流，nA；n为过滤器前NaCl气溶胶稀释倍数，对高效过滤器用钠焰光度计，n为50。

从过滤器效率计算公式可看出，NaCl的浓度与光电流测量值呈线性关系。

2 实验系统

NaCl气溶胶的产生使用中国国家标准GB/T 6165—2008描述的方法。

NaCl气溶胶浓度的变化与光电流的关系实验采用图1所示的标定系统。其中，NaCl气溶胶使用三级稀释，每级稀释的稀释比例可达到100倍，总的稀释倍数可达106倍。

1——一级稀释；2,4,6——混合器；3——二级稀释； 5——三级稀释； 7——流量计；8——放气阀；9——高效过滤器；10——空气泵

实验中使用两台相同的钠焰光度计进行平行实验。钠焰光度计中的微电流测量单元使用RIGOL公司制造的DM3058型数字万用表[4]来标定，其主要性能参数列于表1。

通常情况下，过滤器测试时的滤前NaCl浓度(原始浓度)约为2 mg/m3，稀释50倍后，进入钠焰光度计的浓度约为0.04 mg/m3，因为高效过滤器的过滤效率为99.99%，所以滤后浓度约为4 ng/m3。为进一步说明NaCl浓度对测量精度的影响，本文实验中将测量浓度的范围上限拓宽至13 mg/m3。

表1 DM3058型数字万用表的主要性能参数

3 实验结果分析

在4 ng/m3～0.067 mg/m3范围内，NaCl浓度与光电流间的关系如图2所示。分别对NaCl浓度和光电流取自然对数，拟合后的曲线如图3所示。

图2 低浓度区光电流与NaCl浓度的关系曲线

图3 低浓度区光电流与NaCl浓度关系的对数曲线

从图2、3可知，在NaCl低浓度区，光电流和浓度间有很好的对数线性关系，即：

lnI=lnA+Blnc

(3)

因B接近1，进而式(3)可写成：

I=Ac

(4)

对于两台钠焰光度计，分别为：

I1=4.840c1

I2=5.091c2

将浓度扩展到2 mg/m3以上时，测量的NaCl浓度与光电流间的关系如图4所示。分别对NaCl浓度和光电流取自然对数，拟合后的曲线如图5所示。

图4 低、中浓度区光电流与NaCl浓度的关系曲线

从图4、5可知，在低、中浓度区，NaCl浓度与光电流间的对数线性关系已不明显，相关系数较低浓度区的减小，写成表达式为：

对比图5a、b可知，在低、中浓度区，使用式(5)描述光电流和浓度间的关系较式(3)更加准确。

lnI=lnA+Blnc+Cln2c

(5)

继续将浓度扩展至13 mg/m3以上，测量的NaCl浓度与光电流间的关系如图6所示。分别对NaCl浓度和光电流取自然对数，拟合后的曲线如图7所示。

从图6、7可知，在中、高浓度区，NaCl浓度与光电流间的对数线性关系已不能成立，相关系数继续减小。NaCl浓度由单位mg/m3调整到单位ng/m3后，上述关系写成表达式为：

a——一次曲线；b——二次曲线

图6 中、高浓度区光电流与NaCl浓度的关系曲线

对比图7a、b可知，在中、高浓度区，使用式(6)描述光电流与NaCl浓度间的关系较式(3)更具优势。

lnI=lnA+Blnc+Cln2c

(6)

从上述实验结果可看出，在低浓度区时，NaCl气溶胶燃烧后的光谱的自吸收系数为1，但随着浓度的增大，光谱的自吸收系数不断减小。

国标中的效率计算公式是基于NaCl浓度和光电流间是线性关系的，当滤前NaCl浓度为中、高浓度时再使用国标中的计算公式，导致公式中分母使用值较实际值小，从而效率计算结果较实际效率偏小，显然已不能满足测量精度的要求。

a——一次曲线；b——二次曲线

4 结论

对于过滤器的效率测量，系统管道内进入钠焰光电测量装置的NaCl的浓度不宜超过0.05 mg/m3，此时国家标准中的效率计算公式是适用的；当浓度高于0.05 mg/m3时，光电流已不随NaCl浓度的增加而线性增加，此时再使用国标中的公式计算效率，公式计算值将会小于实际值。

对于过滤材料的效率测量，因为其可测效率要求高于高效过滤器，所以滤前NaCl的浓度更高，将达到20 mg/m3，这样采用国标中的计算公式将使计算结果偏差更大，所以通过校准曲线来代替使用简单的吸收常数，可获得更好的测量精度和更加精确的测量结果。

此外，口罩及口罩密合性的效率测试中中国国家标准和欧盟标准均采用钠焰法[5-8]，所以本文的研究结果同样可应用到劳保和医疗等其他领域。

参考文献：

[1] 全国暖通空调及净化设备标准化技术委员会. GB/T 6165 高效空气过滤器性能试验方法：效率和阻力[S]. 北京：中国标准出版社，2008.

[2] 全国核能标准化技术委员会. GB/T 17939 核级高效空气过滤器[S]. 北京：中国标准出版社，2008.

[3] 分析化学[M]. 北京：高等教育出版社，2010.

[4] DM3058数字万用表用户手册[M]. 北京：北京普源精电科技有限公司，2009.

[5] 全国医用临床检验实验室和体外诊断系统标准化技术委员会. GB 19083 医用防护口罩技术要求[S]. 北京：中国标准出版社，2010.

[6] 全国个体防护装备标准化技术委员会. GB 2626呼吸防护用品自吸过滤式防颗粒物呼吸器[S]. 北京：中国标准出版社，2006.

[7] EN 149 Respiratory protective devices-filtering half masks to protect against particles-requirements, testing, marking[S]. Berlin: Beuth Verlag GmbH, 2009.

[8] EN1073-2 Protective clothing against radioactive contamination, Part 2: Requirements and test methods for non-ventilated protective clothing against particulate radioactive contamination[S]. Berlin: Beuth Verlag GmbH, 2002.