大气颗粒物湿法采样装置的设计与实现

陈光明，古嘉怡，陈健丽，郭苡闻，刘美娇，彭 力,2*

(1.华南师范大学 物理与电信工程学院，广东 广州 510006；2.华南师大(清远)科技创新研究院有限公司，广东 清远 511517)

捕集大气环境中的细颗粒物并对其进行成分、来源分析已成为目前大气颗粒物污染防治工作研究的热点。然而传统的大气颗粒物样品获取方法为滤膜法，先通过气泵使颗粒物吸附在滤膜上，然后把剪碎的滤膜在水溶液进行超声震荡，从滤膜上分离出颗粒物，最后过滤掉滤膜碎片，得到样品溶液[1,2]。滤膜法采样具有制样过程复杂、样品获取量少且耗时长、容易引入其它杂质污染样品等缺点。

本文基于雾滴捕获细颗粒物的基本理论，搭建了一套大气颗粒物湿法采样装置，本装置具有实时制样、样品获取量大、采样过程无污染等优点。

1 湿法捕集装置原理

1.1 湿法捕集大气颗粒物理论分析

细雾滴能够捕获微小颗粒物，其捕获机理主要包括惯性碰撞、截留、布朗扩散、重力沉降，原理图如图1所示[3-6]。

当带有细颗粒物的气流在流动的过程中遇到雾滴时，气流就会改变流动轨迹，绕过物体流动。而惯性碰撞是指粒径在1 μm左右的细颗粒物在惯性作用下，仍保持了原来的运动方向运动，因而与雾滴发生碰撞；截留作用是指当气流流线离雾滴表面的距离非常小的时候，流线上的细颗粒物与雾滴接触，并被雾滴所捕获；布朗扩散则是指直径小于1 μm的细颗粒物，在气体流动的过程中，受到气体分子的撞击而跟随气体流线在气流中作无规则的布朗运动，在雾滴附近，粒径较小的细颗粒物可能与雾滴相碰撞而被雾滴所捕获。

图1 湿法捕集大气颗粒物原理图

1.2 湿法捕集装置结构原理

根据雾滴滴对大气颗粒物的捕获原理，设置湿法捕集装置进行对大气颗粒物的捕集，其工作的流程图和结构示意图分别如图2和图3所示。

图2 湿法捕集装置工作流程图图3 湿法捕集装置结构示意图

首先在雾化腔中使用超声雾化片产生一定粒径的雾滴，然后在混合腔内使雾滴与细颗粒物混合并捕获颗粒，最后在水幕腔中通过水洗法对捕获颗粒物的雾滴进行收集，从而得到大气颗粒物的样品溶液。

2 实验装置

本实验所用到的实验装置主要包括三个重要的组成部分：产生雾滴的雾化腔、将雾滴与细颗粒混合并捕获颗粒的混合腔、用于收集样品的水幕腔，将这三部分连接成为细颗粒物湿法捕集装置，如图4所示。此装置的正常运行，还需要其他附属配件部分，包括气泵、胶管、转子流量计等。

图4 实验装置实物图

混合腔装置进气口部分主要包括两个，一路是含有细颗粒物的空气样品，另外一路是雾滴，而且两者进气口的夹角为90°，增加雾滴与环境空气中的细颗粒物的接触，并且加大了其混合的几率，有效地提高捕获效率。

如图5所示，此装置的一大特点是在水幕腔部分采用两个蠕动泵产生可循环的自上而下的水幕。混合腔中，混合后的液滴在惯性的作用下保持原来的运动方向而撞击到撞击壁上，而撞击壁上面有循环流动的洗脱液，会形成一层类似于“水幕”的薄层，捕获液滴。洗脱液将携带含有细颗粒物的液滴而收集起来，形成样品溶液。

图5 混合腔和水幕腔结构图

3 实验结果与分析

3.1 实验条件

2021年8月19日，在广州市番禺区利用湿法捕集装置对大气颗粒物进行采样实验。先对装置进行清洗，确保实验开始时装置内部没有其他颗粒物存在。然后调试装置的气密性，接通装置的电源，启动装置进行8 h的采样。此外，由于天气状况会对采样实验的结果带来一定的影响，因此在实验过程中，需要定时记录当时的天气状况，包括天气、风力、风向、AQI、PM2.5和PM10的浓度等参数。

大气颗粒物主要是由大气中的PM2.5和PM10构成，在采样时间段的浓度变化如表1所示，从表中可以看出，在采样时间段内，大气中的颗粒物浓度基本保持稳定。采样当天相对湿度71%，南风一级，采样时样气的流速为9 L/min。

表1 采样时间段内不同时刻大气颗粒物的浓度

3.2 湿法采样结果

在湿法采样装置运行8h后，获得约120mL(采样前后，样品溶液的体积基本不变)样品溶液。样品在光学显微镜下的照片如图6所示。

图6 样品的显微图像(40X)

在显微镜下可观察到许多形状不规则、分布较为密集的细颗粒物，可知湿法捕集装置捕获颗粒效果良好。

另外，为了研究样品中大气颗粒物的浓度随随采样时间的变化，我们用样品溶液散射光的光子数大小来表征其浓度的大小。使用激光对样品溶液进行照射，在90度方向放置光电倍增管接受样品中颗粒的的散射光信号。根据Mie散射理论，在溶液中颗粒粒径分布一定的情况下，散射光越强，则样品中大气颗粒物的浓度就越大。因此，采样过程中每隔一段时间对样品散射光的光强进行测量，光子数的变化就可以反应采到的大气颗粒物的数量的变化。

在样品收集瓶中放入120mL超纯水，初始以及开始实验后每小时使用动态光散射装置测量样品的光子数。测量结果如图7和表2，初始光子数为689，经过1h的湿法捕集后，光子数为3 099，随后每捕集1h，样品池中光子数都有500～700的增加。

图7 样品溶液散射光光子数随采样时间的变化

从图7中可以看出，湿法采集1h后光子数发生了较大变化。这是由于超纯水的光子数较低，但随着湿法捕集时间的增加，光子数也随之逐步增加，说明样品池中的细颗粒物浓度随着捕集时间的增加而越来越大；在捕集的后半阶段，结合表1可知采样时间段内大气中颗粒物的含量基本保持稳定，而每个时刻测得的样品散射光光子数的增加数也基本稳定，说明捕获效率基本不变，本湿法捕集装置可以在长时间运行下保持稳定采样。

表2 不同时刻样品溶液的散射光光子数

综上所述，可以得出以下结论：当前雾滴粒径具有捕获细颗粒物的能力；随着时间的增加，光子数逐步增加，湿法捕集装置能在长时间运行下保持良好的捕获效率；在天气条件适宜情况下，湿法捕集装置能够获得较好的大气颗粒物样品，湿法捕集装置可行。

4 结 语

本文主要研究了环境空气中大气颗粒物的湿法捕集技术，并自行设计了湿法采样装置通过现场采样实验来验证理论的可行性。样品溶液散射光光子数随采样时间的变化趋势和溶液中颗粒物的显微图像都符合实验预期，由此可以认为本湿法采样装置能对大气颗粒物进行有效的捕获。本装置运用蠕动泵，并结合相关结构的设计产生水幕，能有效地提高传统湿法采样装置捕获颗粒的效率。但在雾化片的控制电路设计、雾化腔的结构设计、气路的密封等方面尚需进一步优化。除此之外，如何通过改进湿法采样装置的结构，优化气流流速、水幕流速等系统运行参数提高湿法采样的捕集效率，是未来研究工作的重点方向。