激光粒度仪测试城市开放源颗粒物的关键参数优化研究

2023-01-12张桂芹魏小峰孙友敏

中国测试 2022年12期

朱丽，范晶，张桂芹，魏小峰，孙友敏

(山东建筑大学市政与环境工程学院，山东济南 250101)

0 引言

城市区域环境空气中的颗粒物来源复杂，属于复合源，其源强、排放程度和排放位置均具有不确定性[1]。在城市中包括露天堆场、裸露地表、硬化地面、建筑工地和农田荒山等的不经过排气筒无组织、无规则排放的颗粒物排放源统称为城市空气颗粒物开放源，其中硬化地面通常指硬化道路、单位庭院内硬地面、房屋屋顶等，是城市里最普遍的开放源类型，也是城市扬尘重要的尘源[2-3]。另外，各种电站锅炉除尘器的排灰及贮存过程会再次形成二次扬尘，是不可忽略的城市扬尘源之一[2]。根据李经纬[3]的研究大庆市开放源对PM10和PM2.5的分担率可达到24.0%和19.6%。粒径是颗粒物的重要特性之一，颗粒物的大小及分布会直接影响颗粒物在大气中流动性，并且越小的颗粒物表面所能携带的有毒有害物质越多，也越容易进入人体呼吸道，影响人体健康[4]，根据黄欢[5]等的研究，大气中二次形成的无机和有机组分主要集中在小颗粒上。因此研究分析颗粒物的危害首先需要了解其粒径分布特征。

激光粒度仪的主要原理是利用激光照射到微粉颗粒上产生光的衍射效应，颗粒物粒径的不同会导致激光衍射角度的变化，表现为衍射光环大小的变化，进而投影到探测器上。光环的大小用于分析粒度的粗细，光环的强弱用以判断某一粒度数量的多少，按照预定的数学关系拟合近似分析，从而得到粒径分布的结果[6]。激光粒度仪具有测量范围宽、重复性好、速度快、中值粒径分析结果比较准确，稳定、操作容易等显著优点[7]，所以在众多行业被得以应用。但随着激光粒度分析仪的广泛[8]，用于粒度分析使用过程中存在的问题也被逐渐发现。例如研究过程中所呈现的仪器对几何或者光学性质的敏感性问题[9]，无法对颗粒物准确分析，粒度组成的变化无法有效且准确地反映，仪器可校准和可溯源性差等，这些问题严重影响了测试结果的准确和可靠性。而粒度测量的准确性是保证开放源颗粒物以及城市扬尘研究的重要基础条件，但测量结果的准确度与仪器类型及测定条件密切相关，目前为止，虽说激光粒度分布仪还有所缺陷，但由于缺乏替代方法，通过多次的实验依旧能得出某类颗粒物最适宜的测量条件，进而得以得出准确而客观的测量结果[10]。但大多数的测量条件的选择都是基于折线率等的变化，而对于遮光率对于粒度分布测量结果影响的大小，研究报道较少。本文提出激光粒度仪湿法测试城市扬尘的关键参数最佳范围，采集4种代表性开放源颗粒物样品（除尘灰、楼顶积尘、拆迁尘和道路尘），研究进样量大小与遮光率的相关性，以及遮光率对测试结果的影响，从而获得不同城市开放源颗粒物粒径湿法实验的优化测量条件。

1 材料与方法

1.1 样品的采集与仪器设备

将电厂除尘灰、楼顶积尘、建筑拆迁尘和建大道路尘作为实验对象，除尘灰采自于济南市某电厂吸尘器中的尘袋中，属于细小颗粒物尘埃；楼顶积尘为使用毛刷或簸箕采自于建工学院某一教学楼楼顶的楼顶尘，属于高空颗粒物尘埃；建筑拆迁尘为使用毛刷或簸箕采自于济南市某建筑工地拆迁场地的建筑尘，属于存在大颗粒物并且易造成扬尘污染的颗粒物尘埃；建大道路尘使用毛刷或簸箕采自建工学院道路旁的道路尘埃，属于机动车等人流流动带来的颗粒物扬尘。本次实验中选择四种不同高度或不同地区的开放源放在一起进行研究其粒径分布和粒径分布对激光粒度仪的影响。

本文使用的粒度测试仪器型号为bettersize 2600激光粒度分布仪，颗粒物粒度测量方法分为湿法和干法，湿法分散进行粒度测定是迄今为止用于获得可重现的激光衍射结果最广泛的方法，湿法中采用湿分散剂，能确保测定无偏差，能容易地克服颗粒沉降的影响，相较于干法对颗粒物的破坏性更小，并且能通过某些方法对实验进行优化[10]，并且湿法的重复性相较于干法较好[11]，这样的特性使得我们能采取改变参数的方式对实验进行优化，故粒度测试采用湿法，测试粒径范围 0.02 ～2 600 µm。称重设备为万分之一电子分析天平。

不同材料的样品需要使用不同的分散介质，在实验中采用纯净水作为分散介质。

1.2 方法

1.2.1 实验样品的处理和制备

将 4 种样品分别称取 0.1 g、0.2 g、0.3 g、0.4 g、0.6 g、0.8 g 和 1.0 g，通过预实验，进样量低于 0.1 g的遮光率小于3%，反映样品中介质颗粒的浓度太低，可能导致测试结果无效，故样品克数从0.1 g开始，样品克数的增加按照0.2 g的基数增加，增设0.3 g，观察激光粒度仪在遮光率较小时的测量情况，建筑拆迁尘由于粗粒径占比较大导致取1.0 g时无法达到预计遮光率，故对其增加对1.2 g的测量，测试时按由低到高的顺序投加。

1.2.2 样品的测试与分析

试验中采取湿法的自动测试模式，系统将自动完成进水、消泡、对中、背景测试、浓度调整、分散、测试、结果显示、排水、清洗（反复）、进水等步骤，当系统提示“请加入样品”即可加入所准确称量好的样品。系统自动测试三次颗粒物的粒度分布。

2 数据处理与结果讨论

2.1 数据处理

在国标规定（GBT 19077—2016 或 ISO 13320—2009）中，在1次合适样品浓度的进样下，测试3次以上的粒度分布，并计算D10、D50、D90特征粒径的平均值和变异系数（简称CV，又称作相对标准偏差），用来表征重复性的度量[12]，相对标准偏差越小，说明重复性越好。测试结果的重复性反映了样品测量结果的准确性。重复性越好，说明样品测量结果的准确性越高，

2.2 不同投加量对于测量结果的影响

样品进样量的大小直接决定了测试时的遮光率指标，该指标对测试结果具有重要影响。一般激光粒度仪的遮光率范围为5%～40% 之间，该范围比较宽泛，实际应用时应根据不同类型颗粒物样品，匹配最佳的遮光率范围。激光粒度仪湿法测试，不能手动改变遮光率，而是通过调整不同的进样量以达到合适的遮光率，进而得到满意且客观的测试结果。固定其他的测定条件不变，通过改变样品加入量来改变样品遮光率，以分析其对粒度测试结果的影响。

设置样品投加量系列为 0.1 g、0.2 g、0.3 g、0.4 g、0.6 g、0.8 g、1.0 g 和 1.2 g，获得不同遮光率下的样品粒度分布，各样品的粒度频率分布结果见图1。

不同遮光率下曲线变化趋势的一致性水平反映了样品的均匀性程度，一致性越好，样品越均匀，由图1可知电厂除尘灰和楼顶积尘样品粒径较建筑拆迁尘和建大道路尘样品的均匀性好，电厂除尘灰和楼顶积尘的样品粒径的范围分别为0.02～300 µm和 0.02～1 100 µm，而建筑拆迁尘和建大道路尘的样品的粒径范围均是 0.02～2 600 µm。从投加量变化反映出来的遮光率看，投加量相同条件下样品细颗粒物占比越大，遮光率越高，如样品投加量均为0.1 g，电厂除尘灰粒度测量的遮光率为12%，而建大道路尘和楼顶积尘则分别为3%和7%，可见，粒径越小，获得的遮光率越大，细颗粒为主的样品进样量要设计小些，粗颗粒且不均匀的样品进样量要大些。

图1 不同遮光率下各样品的粒径频率分布图

图2为不同遮光率（进样量）下的各样品的D10、D50和D90变化情况。颗粒越细、粒径范围越窄，遮光率对D10、D50和D90的影响愈不明显，如图2中4种样品不同遮光率对D10、D50的影响并不明显，但对D90的影响却较为显著，如建大道路尘和建筑拆迁尘的D90变化较大。

图2 遮光率对各样品D10、D50、D90的影响

图3 反映了投加量为 0.1 g、0.3 g、0.6 g 和 1.0 g时4种样品的频率分布，除尘灰和楼顶积尘的曲线变化基本一致，但拆迁尘和建大道路尘样品不同进样量的曲线变化差异性较大，特别是300 µm以上的情况，结合图1，样品均匀程度由大到小分别为建大道路尘、建筑拆迁尘、楼顶积尘和电厂除尘灰，图3反映了样品不均匀，会导致每一次投加的颗粒物从粒径大小到范围都存在较大差异。开放源主要是城市扬尘的重要来源，根据HJ/T 393—2007《防治城市扬尘污染技术规范》，道路表面积尘负荷指标关注的是粒径75 µm以下的颗粒物，研究过程中样品采集的数量有限，所以进样量应在0.1～0.6 g之间且满足遮光率在10%～20%即可。遮光率过大，意味着样品投加量过多，此时被前方颗粒所散射回来的光又会被后方颗粒物再次被散射，散射的角度进一步增大，多次散射现象的存在可能会造成颗粒物粒径测量结果偏小。这一结果与胡华[13]等人采用激光粒度仪的进行粒径测量上限的结论相一致。

图3 不同投加量下各样品的粒径频率分布图

根据以上4种样品的粒度分布曲线可知除尘灰粒径的均匀性最好，而拆迁尘最差，样品粒度的均匀性对测定的影响可体现在相同投加量的测定结果重复性水平上，见图4。可知，样品均匀性好相应的粒度测定结果的重复性也较好，如除尘灰D90的重复性范围为0.05%～1.72%，而拆迁尘D90的重复性范围为8.14%～49.64%，拆迁尘D90的重复性误差远远高于除尘灰。从遮光率对重复性的影响看，除尘灰遮光率在12%～71%重复性误差均低于5%，建大楼顶扬尘遮光率在7%～48%时测定结果重复性基本低于6%（除折光率为42%时的D90以外），而拆迁尘和道路尘由于颗粒极不均匀，遮光率对重复性影响没有明显规律，相对而言在10%～30%时重复性较好。

图4 不同投加量下各样品粒度测量的重复性对比

2.3 提高颗粒物均匀性对实验结果重复性的影响

为考察粒度的均匀性对实验结果重复性的影响，将均匀性最差的拆迁尘首先过60目的标准筛，将样品和筛下物分别进行粒度测试，进样量取0.2 g、0.4 g、0.6 g，结果见表 1 和表 2。

表1 过60目标准筛前的粒径测试结果及重复性 µm

表2 过60目标准筛后的粒径测试结果及重复性 µm

从表1、2看，过筛前后的颗粒物的测试结果对比，相同投加量下，筛除后的遮光率要比筛除前的大，并且重复性在筛除大颗粒后，结果明显变好，以上结果反映了扬尘样品激光粒度仪湿法测试时应设置最佳测定范围的上限，该值与机器本身的内部结构等有关系，当数据反演时的代表径粒上边界大于或接近于测量上限时，会在部分区域内出现虚假的粒径分布[14]。因此在使用激光粒度仪对颗粒物粒径进行测量时，应注意筛除大颗粒物，以保证较为合理的结果。同时，颗粒粒径若大于 1 000 µm，其流动性较差，基本沉降在产生源附近，对空气质量的影响要小于细粒子。一般激光粒度仪的测量范围在 0.1～340 µm，测试快速、结果重复性好[15]，考虑到筛分的便利与可行，并从扬尘的产生机理与危害角度，结合已有测量范围和筛子的目数，选取160目的筛子（相当于几何粒径300 µm）进行筛选。故本研究去除了300 µm以上的大颗粒后再进行测试，实验结果较为理想，也可以反映客观的粒径分布特征。不同种类样品的测定上限应根据实验研究结果给出。