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氣溶膠粒徑計(jì)數(shù)法檢測空氣過濾器效率的探討

 (1中國建筑科學(xué)研究院空調(diào)所  2北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院)

    摘要:本文介紹了國內(nèi)現(xiàn)行空氣過濾器效率的標(biāo)準(zhǔn)檢測方法— 大氣塵計(jì)數(shù)法，指出了該效率檢測方法的優(yōu)缺點(diǎn)。詳細(xì)介紹了當(dāng)前歐、美等國家空氣過濾器效率的標(biāo)準(zhǔn)檢測方法一氣溶膠粒徑計(jì)數(shù)法，并從試驗(yàn)用氣溶膠、檢測儀器和效率標(biāo)識三個方面對歐、美的效率檢測方法進(jìn)行了詳細(xì)的分析比較。列出了氣溶膠粒徑計(jì)數(shù)法較大氣塵計(jì)數(shù)法的優(yōu)越性，進(jìn)而提出了用氣溶膠粒徑計(jì)數(shù)法來檢測空氣過濾器效率的觀點(diǎn)。并詳細(xì)說明了用氣溶膠粒徑計(jì)數(shù)法檢測空氣過濾器效率的操作方法。
    關(guān)鍵詞:大氣塵計(jì)數(shù)法空氣過濾器過濾效率
    0 前言
    我國在20世紀(jì)60年代就已經(jīng)開始從事空氣潔凈技術(shù)的研究，并可以制造空氣過濾器。隨著現(xiàn)代工業(yè)和公共安全意識的提高，潔凈技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，過濾器等凈化設(shè)備的檢測標(biāo)準(zhǔn)也在不斷發(fā)展。但是目前國內(nèi)檢測體系還不完善，國標(biāo)中空氣過濾器的檢測方法一大氣塵計(jì)數(shù)法沒有得到修訂，存在一定缺陷，無法滿足目前過濾器行業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。因此，在空氣過濾器標(biāo)準(zhǔn)的修訂工作中，尋找更可靠、更合理的空氣過濾器檢測方法是一項(xiàng)很重要的工作。
    1 大氣塵計(jì)數(shù)法
    1.1大氣塵計(jì)數(shù)法的原理
    20世紀(jì)80年代初，國內(nèi)科研工作者提出了采用大氣塵粒徑計(jì)數(shù)法作為一般通風(fēng)用空氣過濾器檢測方法的思想，并列人國家標(biāo)準(zhǔn)即GB 12218-89((一般通風(fēng)用空氣過濾器性能試驗(yàn)方法》。1993年對該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修訂并沿用至今。
    用大氣塵計(jì)數(shù)法檢測空氣過濾器的效率，所用塵源為大氣塵。國內(nèi)現(xiàn)行檢測空氣過濾器的標(biāo)準(zhǔn)(GB 12218-89)對試驗(yàn)用大氣塵作了具體規(guī)定:室外或與室外相同的室內(nèi)空氣;大氣中粒徑)0.5 wm粒子的計(jì)數(shù)濃度)20000粒/升;空氣相對濕度蕊75%，溫度)5℃
    具體 方 法 為:在額定風(fēng)量下，一般用兩臺粒子計(jì)數(shù)器同時測出受試過濾器上、下風(fēng)側(cè)空氣中粒徑)0.5Wm,>- 1.Owm,}-> 2 .Owm,3 5 .OFLm粒子的計(jì)數(shù)濃度。受試過濾器的大氣塵計(jì)數(shù)效率計(jì)算公式如下:
            
其中，E;為粒徑分組效率()0.5w m,〕1R m,)2w m,}->5 N,m),%;N,，為上風(fēng)側(cè)大于或等于某粒徑粒子計(jì)數(shù)濃度的平均值，粒/升;Ny為下風(fēng)側(cè)大于或等于某粒徑粒子計(jì)數(shù)濃度的平均值，粒/升。
    1.2大氣塵計(jì)數(shù)法的優(yōu)缺點(diǎn)
    中國計(jì)數(shù)法的應(yīng)用比歐、美國家早十幾年，就當(dāng)時來說，大氣塵計(jì)數(shù)法比比色法、計(jì)重法等全效率測試方法更準(zhǔn)確:由于凈化行業(yè)中凈化的對象主要是室外空氣，以大氣塵為塵源測得的過濾器效率與實(shí)際情況比較一致;由于潔凈室的潔凈級別是依據(jù)計(jì)數(shù)濃度劃分的，因此可以直接使用大氣塵計(jì)數(shù)法的效率檢測結(jié)果，而比色法、計(jì)重法測試的結(jié)果則不行。
    但是大氣塵計(jì)數(shù)法是建立在二十多年前國內(nèi)過濾器的制造水平基礎(chǔ)上的，存在一定的不足:大氣塵具有不穩(wěn)定性，大氣塵的計(jì)數(shù)濃度并不是在掃封可時間任何地區(qū)都能滿足粒徑)0.5 wm粒子的計(jì)數(shù)濃度〕20000粒/升的要求，檢測人員只能根據(jù)天氣情況來檢測，給檢測工作帶來了很大的不便;由于大氣塵隨時隨地都在變化，造成效率檢測試驗(yàn)的不可重復(fù)性以及檢測結(jié)果的不確定性;再者在試驗(yàn)中，不能對粒子濃度和分散度加以控制，這一點(diǎn)對于檢測和實(shí)驗(yàn)研究是很不利的。由于大氣塵計(jì)數(shù)法的上述缺點(diǎn)，尋找新的檢測方法是很有必要的。
    2 歐美國家檢測空氣過濾器的方法
    目前，歐美國家檢測空氣過濾器的方法均為粒徑計(jì)數(shù)法，所用塵源為氣溶膠。具體方法是:氣溶膠在被測過濾器的上游風(fēng)道均勻分散，利用光學(xué)粒子計(jì)數(shù)器檢測上下游有代表性的氣樣，得出過濾器粒徑效率數(shù)據(jù)。粒徑計(jì)數(shù)法給出的效率值不再是一個單一的效率值，而是一條沿不同粒徑分布的效率曲線，能夠更全面的反應(yīng)過濾器的性能。
    然而歐 、美國家的檢測方法中，所用的氣溶膠，檢測用粒子計(jì)數(shù)器，過濾器效率的標(biāo)識等方面有較大的差別。對二者的試驗(yàn)塵源、檢測儀器以及效率標(biāo)識進(jìn)行比較，比較內(nèi)容列人表1.
                                   表1歐美空氣過濾器檢測方法的比較
                 
    2.1試驗(yàn)用氣溶膠的比較
    由表1可以看出，歐美空氣過濾器的效率檢測中制備氣溶膠的方法相同，均為壓縮空氣霧化器的方法。但是二者所用的氣溶膠并不相同:美國選用的氣溶膠為非球形多分散固相干燥氯化鉀，歐洲所用氣溶膠為球形單分散霧化DEHS(DOS /DES)液滴。
    氣溶膠制備系統(tǒng)都包括盛裝溶液的容器和噴嘴。高速的無塵壓縮空氣將溶液引射進(jìn)人噴嘴，溶液被霧化生成氣溶膠。通過調(diào)整噴嘴的氣壓和流量來控制氣溶膠濃度。這樣就實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)塵源顆粒分散度及濃度的靈活控制，測試結(jié)果重復(fù)性好。歐洲所用溶液為未經(jīng)稀釋或處理的DEHS(DOS /DES)溶液，并直接將霧化的DEHS液滴注人實(shí)驗(yàn)臺[31。而美國所用溶液為氯化鉀溶液，生成的霧化液滴通過一個1300 mm的高塔，大尺寸粒子沉降脫離出來。并在高塔中用潔凈干空氣對鹽液小滴進(jìn)行干燥，再將固相干燥的氯化鉀逆流送人試驗(yàn)管道中，使其與氣流充分混合.
    此外，歐美所用氣溶膠的粒徑分布也不同。美國選用的氯化鉀粒徑為0.3 wm-10 wm，歐洲所用DEHS(DOS /DES)液滴粒徑范圍為0.2 }Lm-3.0 wm。可以看出，美國所用氣溶膠粒徑較大?？諝膺^濾器效率檢測中粒徑范圍的確定與過濾器的應(yīng)用場合、衛(wèi)生要求及檢測設(shè)備的現(xiàn)狀密切相關(guān)?？諝膺^濾器凈化的主要對象是工業(yè)粉塵或大氣塵，其粒徑范圍一般為10-3wm ^-102pm 。在湍流的情況下，小于等于10[L M的粒子可以懸浮于大氣中，而大于10 wm的粒子由于其沉降速度較大很難發(fā)生穩(wěn)定懸浮，也就很少被氣流攜帶到過濾器[s1。所以，試驗(yàn)氣溶膠的粒徑范圍的上限取10 wm就可以滿足空氣過濾器應(yīng)用場合的要求。
    另外，對于粒徑為10'3}Lm ^-1R m的粒子主要通過高效過濾的方法去除。很多大氣中的工業(yè)污染物諸如:煤炭、混凝土的細(xì)粉，大氣塵中的一些能危害到肺部的灰塵、細(xì)菌，粒徑均大于3.0 [Lm，出于環(huán)境和人體健康的要求，這些都需要由空氣過濾器處理網(wǎng)。而歐洲所選的氣溶膠粒徑范圍為0.2 wm-3.0 [Lm,粒徑過小，不符合過濾器的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境。這樣，測出的過濾器的效率與實(shí)際情況差別較大，測試結(jié)果實(shí)際應(yīng)用意義不大。美國選用的氣溶膠則更接近室外空氣的粒徑范圍，符合過濾器的實(shí)際應(yīng)用情況。
    2.2采樣儀器的比較
    歐美標(biāo)準(zhǔn)中所用的采樣儀器均為光學(xué)粒子計(jì)數(shù)器，但二者對所用粒子計(jì)數(shù)器的要求卻有很大的差別。美標(biāo)要求，采樣用計(jì)數(shù)器能對0.3}L m一 10 w m粒徑范圍內(nèi)的粒子進(jìn)行計(jì)數(shù)，并能將粒子分成12個粒徑范圍。歐標(biāo)中要求，粒子計(jì)數(shù)器的粒徑測量范圍至少為0.2 wm-3.0 wm，且在該范圍內(nèi)至少有五個粒徑檔?？梢姡罉?biāo)中所用粒子計(jì)數(shù)器的粒徑通道要求的更細(xì)，而歐標(biāo)中所用的粒子計(jì)數(shù)器測試粒徑更小。歐美標(biāo)準(zhǔn)中粒子計(jì)數(shù)器的選用均與各自的試驗(yàn)用氣溶膠密切相關(guān)。
    2.3效率標(biāo)識的比較
    歐美標(biāo)準(zhǔn)在效率標(biāo)識上也不相同，美國的實(shí)驗(yàn)報(bào)告中分別給出了0.3 wm-1.0 wm,1.0 wm; 3.0 }Lm,3.0 uLm-10 u,m三個粒徑范圍的平均最低粒徑效率，歐洲則以對粒徑0.4 wm粒子的初始捕集效率和平均捕集效率為依據(jù)。在空氣過濾器的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，般情況下，重點(diǎn)關(guān)注過濾器對某一粒徑范圍粒子的過濾效率。美標(biāo)中給出了過濾器對粒徑范圍在0.3 }Lm^-10 Jim粒子的分級效率，全面的反映了過濾器在三個粒徑范圍內(nèi)的效率。便于設(shè)計(jì)者和用戶根據(jù)應(yīng)用的實(shí)際環(huán)境，選擇效率合適的過濾器，從而高效的除去環(huán)境中產(chǎn)生的粒子。歐標(biāo)中，所用氣溶膠的粒徑范圍為0.2 Rm^-3.0[tm，給出的是空氣過濾器對0.4 wm粒子的捕集效率。按照這種效率標(biāo)識方法，兩臺效率相同的空氣過濾器，在0.4 t,m一1.0 AM或者0.2 l,m-3.0 }tm的粒徑范圍內(nèi)，過濾效率還是可能不同?？梢?，歐標(biāo)的這種效率標(biāo)識，不利于全面的反映過濾器的效率特J性，可能會影響過濾器的選用。
    3 氣溶膠粒徑計(jì)數(shù)法的效率檢測
    與大氣塵計(jì)數(shù)法相比，氣溶膠粒徑計(jì)數(shù)法塵源穩(wěn)定性好，顆粒分散度及濃度易于控制;檢測結(jié)果準(zhǔn)確性高，重復(fù)性好。因此，用氣溶膠粒徑計(jì)數(shù)法代替大氣塵計(jì)數(shù)法檢測空氣過濾器的效率，檢測結(jié)果更可靠，能夠滿足過濾器行業(yè)對檢測工作提出的更高要求。國內(nèi)空氣過濾器主要用于去除大氣中的工業(yè)污染物，一般為粉塵。在氣溶膠的選用上，與霧化液滴相比固體粒子更接近過濾器的應(yīng)用環(huán)境，能夠更準(zhǔn)確地模擬過濾過程中粒子反彈，再飛散以及粉塵與濾料之間的靜電效應(yīng)等因素對過濾效率產(chǎn)生的影響。
    3.1氣溶膠計(jì)數(shù)法的工作原理
    用氣溶膠粒徑計(jì)數(shù)法檢測空氣過濾器的效率，一般測試裝置主要包括:風(fēng)道系統(tǒng)、氣溶膠發(fā)生裝置和檢測裝置三部分。效率測試可以在如圖1所示的試驗(yàn)風(fēng)道上進(jìn)行。
                  
    室外含塵空氣經(jīng)過高效過濾器7，去除空氣中的粒子，成為潔凈空氣。由氣溶膠發(fā)生裝置產(chǎn)生的氣溶膠，通過發(fā)塵管8進(jìn)人測試風(fēng)道，為了使氣溶膠和潔凈空氣充分混合，氣溶膠逆流進(jìn)人風(fēng)道，其方向與潔凈空氣氣流方向相反。氣溶膠和進(jìn)人的潔凈空氣充分混和，使氣溶膠粒子在受試過濾器3上游均勻分布。氣溶膠經(jīng)過受試過濾器，除去部分粒子，用光學(xué)粒子計(jì)數(shù)器分別對受試過濾器上、下游采樣，測出某幾個粒徑范圍內(nèi)氣溶膠的計(jì)數(shù)濃度，從而得出受試過濾器的效率。透過受試過濾器的氣溶膠粒子，通過高效過濾器后大多數(shù)被去除，干凈空氣通過風(fēng)機(jī)排至室外，避免了試驗(yàn)氣溶膠進(jìn)人大氣，對環(huán)境造成破壞。
    3.2兩種方法的比較
    用氣溶膠粒徑計(jì)數(shù)法與用大氣塵計(jì)數(shù)法檢測空氣過濾器的效率，二者的測試風(fēng)道和檢測裝置基本上一致。只是氣溶膠計(jì)數(shù)法中，為了實(shí)現(xiàn)氣溶膠與潔凈空氣的充分混合，其混合段較大氣塵計(jì)數(shù)法的試驗(yàn)風(fēng)道更長些。檢測裝置都為光學(xué)粒子計(jì)數(shù)器，氣溶膠計(jì)數(shù)法要求可測粒徑范圍為0.3 wm-10 wm;大氣塵計(jì)數(shù)法要求粒子計(jì)數(shù)器至少應(yīng)有)0.5 wm,)1.0 wm,)2.0R m,? 5 .0}L m四個粒徑檔。國內(nèi)現(xiàn)有的光學(xué)粒子計(jì)數(shù)器大多數(shù)都可以同時滿足兩種檢測方法的要求。
    兩種方法最主要的區(qū)別在于所用的試驗(yàn)塵源不同。氣溶膠計(jì)數(shù)法中的試驗(yàn)塵源為固相干燥的氣溶膠粒子，而大氣塵計(jì)數(shù)法中的塵源為大氣塵。這樣，前者需要考慮氣溶膠的制備，而后者直接引人滿足要求的室外空氣即可。前者的塵源穩(wěn)定性好，檢測結(jié)果準(zhǔn)確性高。另外，由于試驗(yàn)塵源不同，氣溶膠計(jì)數(shù)法與大氣塵計(jì)數(shù)法的檢測結(jié)果之間存在差異，為了方便用戶，統(tǒng)一市場，應(yīng)該通過試驗(yàn)建立兩者之間的聯(lián)系。
    4 結(jié)論
    ①大氣塵計(jì)數(shù)法檢測空氣過濾器的效率，由于大氣塵的組成和分散度的不穩(wěn)定性導(dǎo)致檢測結(jié)果重復(fù)性和可比性差。隨著過濾器行業(yè)的發(fā)展，對檢測的要求越來越高，大氣塵計(jì)數(shù)法已經(jīng)不能滿足過濾器發(fā)展的要求。研究更準(zhǔn)確地空氣過濾器檢測方法代替大氣塵計(jì)數(shù)法，成為《空氣過濾器》標(biāo)準(zhǔn)修訂中一項(xiàng)非常重要的任務(wù)。
    ② 歐美國家現(xiàn)行的檢測空氣過濾器效率的方法都是氣溶膠粒徑計(jì)數(shù)法，而兩者在實(shí)驗(yàn)塵源，檢測設(shè)備和效率標(biāo)示方面有較大差別。美國選用的氣溶膠為固相粒子，且粒徑較大，而歐洲所用氣溶膠為霧化液滴，粒徑較小;美標(biāo)中所用粒子計(jì)數(shù)器的粒徑通道要求的更細(xì)，而歐標(biāo)中的粒子計(jì)數(shù)器測試粒徑更小;美國的效率標(biāo)識比歐洲更全面。
    ③用氣溶膠粒徑計(jì)數(shù)法和大氣塵計(jì)數(shù)法檢測過濾器的效率，在試驗(yàn)風(fēng)道和檢測方法上基本一致。兩種方法的主要區(qū)別在于所用試驗(yàn)塵源不同。
    ④與大氣塵計(jì)數(shù)法相比，氣溶膠粒徑計(jì)數(shù)法的試驗(yàn)塵源穩(wěn)定性好，濃度和粒徑分布可以控制;試驗(yàn)具有可重復(fù)性，檢測結(jié)果準(zhǔn)確度更高，可靠性更強(qiáng)，符合國際空氣過濾器檢測方法的發(fā)展趨勢。