高湿环境下盐雾气溶胶动态取样系统

马平昌，李 红，刘 玥，高 飞，赖天明，徐海博

(1.北京强度环境研究所，北京 100076；2.天津航天瑞莱科技有限公司北京分部，北京 101102)

0 引言

气溶胶动态取样分析是指针对流动气体中掺混的气溶胶进行取样分析，这对于衡量气溶胶过滤器效率、气溶胶分离装置能力以及模拟大气气溶胶含量等问题至关重要。海洋大气作为一种典型的大气气溶胶环境，其中所含有的海洋气溶胶动态取样分析问题对于气溶胶动态取样分析方面的研究至关重要。海洋气溶胶主要来自海水溅射源、大陆地壳风化源的长距离输送和近岸污染物迁移等，这也造成了海洋气溶胶成分复杂、形态多样、体系复杂等特点。海洋气溶胶中的重要成分为盐雾气溶胶，而且盐雾也是造成海洋大气环境中工业设备腐蚀的重要成分，目前的气溶胶动态取样分析的主要方法为过滤称重法、光散射式气溶胶光度法、钠焰法、粒子计数法等，并且大多数研究是针对于固体粒子气溶胶[1-3]，对于盐雾这类液体气溶胶的动态取样分析研究相对较少。

兰爱叶使用钠焰法分析高效过滤器对于盐雾气溶胶的过滤效果，分析装置预先将含有盐雾气溶胶的气流进行高温干燥，从而形成固体NaCl尘，随后通过取样管将气流引入检测装置分析，其本质依然为固体粒子气溶胶取样分析[4]；李伟等设计船载风控大容量气溶胶采集系统，提出海洋气溶胶取样分析的关键技术在于海洋气溶胶含量很低，采用过滤称重法必须要吸收几千立方米的空气才能检测出来[5]；黄正明分别采用粒子多谱勒分析仪器PDA与等速取样溶解法测定燃气轮机进气分离装置对于盐雾气溶胶的分离效率[6]；石宝龙提出采用等速取样溶解法抽取含盐雾空气样品的过程中，会出现部分盐雾气溶胶附着于样品输送管壁上无法进入采样瓶中，从而造成取样误差[7]。综上所述，对于盐雾气溶胶粒子的动态取样分析主要有非接触光学测量、过滤称重法以及等速取样溶解法。非接触光学测量对于光路要求较高，且盐雾气溶胶浓度测量容易受到其他粒子的干扰，而且光学设备价格较高，不利于工业试验推广；过滤称重法对于低浓度气溶胶测量有一定的局限性；等速取样溶解法对于可溶性盐雾气溶胶的取样吸收最适合，但是盐雾气溶胶容易附着于样品输送管壁产生误差。

对于海洋盐雾气溶胶的取样分析，不但需要考虑液相气溶胶的特点，还需要考虑海洋特有高湿环境的影响。张娜娜等研究了高温空气和水蒸气混合介质条件下的固体粒子气溶胶取样测试系统，并指出采用疏水聚四氟乙烯滤膜并配合称重法可以消除水蒸气的存在对固体粒子气溶胶测量造成的影响[8]。文献[9]采用撞击型等速取样探针对环境相对湿度为73%时的盐雾气溶胶进行动态取样，结果表明取样误差高达200%，并且取样重复性较差。本文针对高湿环境下盐雾气溶胶的取样需求，设计一套盐雾气溶胶动态取样系统，采用疏水聚四氟乙烯取样器并配合清洗流道设计，从而消除高湿环境水蒸气凝结以及盐雾气溶胶输送过程中的附壁所产生的测量误差。

1 参数说明

为保证文中数据分析的一致性和准确性，给出文中涉及有关参数的说明、单位、定义，如表1所示。

2 取样测试原理

由于气溶胶粒子在运动空气中，自身存在一定的惯性，所以取样气流速度v2与空气流动速度v1的差异对于取样结果影响很大，如图1所示，因此遵循等速取样原理是气溶胶定量取样的基本原则[10]，有研究表明，对于10 μm以上的粒子非等速取样造成的误差甚至可以高达50%[11]。

表1 参数说明

取样系统依据等速取样原理将具有代表性的气体抽取进入取样系统后，使用空白溶液吸收气溶胶中的典型离子，通过对样品液中典型离子浓度的检测，从而确定空气中对应气溶胶的含量。对于盐雾气溶胶取样，空白吸收液选择去离子水，典型离子选择氯离子进行吸收分析。

对样品液中氯离子浓度检测采用分光光度法，使用分光光度法对于检测溶液中微量氯离子具有较高的分辨率[12-13]。检测氯离子浓度时，向溶液中加入显色溶液硫酸铁铵溶液和硫氰酸汞溶液生成红色络合物硫氰酸铁作为显色剂，检测具体方法步骤依据标准GB/T 10593.2—2012[14]。检测过程如下：

(1)绘制氯离子浓度-吸光值标准曲线，如图2所示，以去离子水为参比，可得吸光值回归方程为y=0.048x+0.031，其线性相关系数r=0.999 5>0.999，满足标准曲线精度要求[15]。

(2)取10 mL待测样品，并加入显色溶液后稀释至50 mL进行吸光值测试，得到分析液中氯离子浓度，继而求得原样品液中氯离子浓度；

(3)根据样品液中氯离子浓度以及取样状态计算空气中的盐雾含量，计算公式如下：

(1)

V=V吸收+V清洗+V冷凝

(2)

3 取样系统设计

取样系统由取样器、吸收瓶组、缓冲瓶、调节阀、流量计、压差传感器、真空泵组成，结构示意如图3所示。

取样器前端设计为薄壁锥角形状，从而减小取样器对原有空气流动的影响。取样器壁面设计取压孔，测量取样器内部流动以及外部流动的差压，如图4所示。图中，p1、p2分别为对应位置引出的静压强。由于取样器前向流动总压一定，所以当取样器内外流动静压一致，即可代表取样器实现等速取样。

高湿空气进入取样系统后会发生冷凝，附着在沿程壁面上，进而吸附盐雾，造成取样测试结果偏低，为了尽可能减小冷凝附壁效应的影响，取样器以及沿程输送软管均采用疏水聚四氟乙烯材料[16]，并且取样器特别设计有清洗口，取样结束后，使用去离子水从清洗口注入，清洗取样器及沿程软管内壁面，使得清洗液进入冲击式吸收瓶内，形成最终的样品液，取样器的具体结构形式如图4所示。

真空泵用于实现待测空气的抽吸，使其进入取样系统，抽样气路上安装调节阀，并根据压差传感器的反馈信号进行实时调节，从而实现取样器等速取样功能。待测空气进入取样器与输送软管后进入吸收瓶，吸收瓶内装有一定量的去离子水，用于吸收样品气体中的氯离子形成样品液，吸收瓶采用冲击式吸收瓶，大流量气体通过时，其相对于其他类型吸收瓶，离子的吸收效率更高[17]。

此外抽样气路上还安装有流量计以及缓冲瓶。其中流量计用于显示取样流量，便于气溶胶含量计算；缓冲瓶用于防止真空泵停启过程中样品液倒吸现象的产生。

4 性能测试及结果分析

4.1 性能测试台搭建

取样性能测试系统用于检测盐雾动态取样系统应用于典型海洋大气环境(高湿含盐大气环境)时，是否能够准确检测出空气的盐含量，测试台原理如图5所示。

取样性能测试系统通过空气过滤器、风机、电加热器、加湿器等设备实现高湿环境，为了使空气充分吸收水蒸气形成高湿环境，设计足够长的加湿吸收段，从而满足加湿的吸收距离；盐雾环境由盐雾喷射装置实现，盐雾喷射装置采用高压空气引射盐水，形成雾状液态气溶胶弥散在高湿的流动空气中，为了使气溶胶在空气中均匀混合，设计长距离气溶胶均混段[18]。经过高湿空气与盐雾气溶胶充分混合后，设置取样段，取样系统中取样器位于取样段内，用于抽取具有代表性的含盐空气，从而检测空气的含盐量。取样器示意图如图6所示。

测试流程如下：

(1)开启风机、电加热器、加湿器，使得来流空气达到预期高湿大气环境；

(2)开启盐雾喷射装置，通过调节盐水供应量改变盐雾喷射量，从而形成目标盐雾大气环境；

(3)开启真空泵，进行取样，根据压差传感器反馈调节控制阀门，使得取样器内外流动静压一致，从而实现等速取样，记录此时对应的流量q；

(4)一段时间t后，关闭真空泵，旋转取样器使取样口背对来流，防止主管路气体继续进入取样系统，结束取样；

(5)打开取样器端盖，向清洗口内注入一定量的去离子水，进行沿程通道清洗；

(6)将包含清洗液的吸收液作为最终样品液进行离子分光光度分析，如图7所示，根据检测结果计算空气含盐量。

4.2 测试工况及结果分析

取样性能测试系统模拟典型海洋大气环境，温度为20 ℃，相对湿度为75%，盐雾含量为0.25 mg/m3[19-21]。温度控制采用积分分离控制策略[22]，控制精度可达±0.5 ℃，如图8所示；湿度控制精度可达±5%，如图9所示。盐雾含量模拟采用开环控制，通过控制盐雾喷射量与送风流量的比值，从而实现盐雾含量的控制[9]，空气盐雾含量理论值计算如下：

(3)

为充分验证盐雾气溶胶动态取样系统的结果重复性和环境适应性，试验设计3种工况，具体如表2所示。

表2 试验工况

单次取样时间选择40 min，以消除试验过程中的随机误差，同时增加了样品溶液氯离子的含量，提高分光光度法的检测精度。试验过程针对3种不同的风速工况，分别进行多次取样，取样结果如图10所示。试验结果表明取样结果具有一定的波动性，这是由于风道内气体流动的不确定性导致的，但是取样误差基本处于±20%的误差范围内。

在不同的风速下，取样结果具有较好的重复性，并且多次取样平均可以显著提高取样的精度。由图11可知，平均取样误差随着风道内风速的提高而增加，这是由于风道内风速的提高会增大气溶胶粒子运动的惯性，从而导致取样的误差增大，当v=4 m/s时，平均取样值为0.254 mg/m3，其取样误差仅为1.6%，而当v=10 m/s时，平均取样值为0.274 mg/m3，取样误差为9.7%。盐雾气溶胶动态取样系统在高湿环境下(相对湿度75%)可以获得较满意的取样精度和取样重复性。

5 结束语

盐雾气溶胶在高湿环境下以液态形式存在，本文提出的盐雾气溶胶动态取样系统，通过材料选择、结构设计及流程控制，解决了高温水蒸气凝结以及盐雾气溶胶输送过程中的附壁所产生的测量误差。试验结果表明不同风速下，盐雾气溶胶动态取样系统针对高湿环境下微量盐雾的取样偏差基本处于±20%以内，并且多次取样平均可以显著提高取样精度。取样误差随风道风速增大而增大，这是由于较大的风速会增加气溶胶运动的惯性。