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氣溶膠粒徑計數法檢測空氣過濾器效率的探討

 (1中國建筑科學研究院空調所  2北京工業大學建筑工程學院)

    摘要:本文介紹了國內現行空氣過濾器效率的標準檢測方法— 大氣塵計數法，指出了該效率檢測方法的優缺點。詳細介紹了當前歐、美等國家空氣過濾器效率的標準檢測方法一氣溶膠粒徑計數法，并從試驗用氣溶膠、檢測儀器和效率標識三個方面對歐、美的效率檢測方法進行了詳細的分析比較。列出了氣溶膠粒徑計數法較大氣塵計數法的優越性，進而提出了用氣溶膠粒徑計數法來檢測空氣過濾器效率的觀點。并詳細說明了用氣溶膠粒徑計數法檢測空氣過濾器效率的操作方法。
    關鍵詞:大氣塵計數法空氣過濾器過濾效率
    0 前言
    我國在20世紀60年代就已經開始從事空氣潔凈技術的研究，并可以制造空氣過濾器。隨著現代工業和公共安全意識的提高，潔凈技術的應用越來越廣泛，過濾器等凈化設備的檢測標準也在不斷發展。但是目前國內檢測體系還不完善，國標中空氣過濾器的檢測方法一大氣塵計數法沒有得到修訂，存在一定缺陷，無法滿足目前過濾器行業生產發展的需要。因此，在空氣過濾器標準的修訂工作中，尋找更可靠、更合理的空氣過濾器檢測方法是一項很重要的工作。
    1 大氣塵計數法
    1.1大氣塵計數法的原理
    20世紀80年代初，國內科研工作者提出了采用大氣塵粒徑計數法作為一般通風用空氣過濾器檢測方法的思想，并列人國家標準即GB 12218-89((一般通風用空氣過濾器性能試驗方法》。1993年對該標準進行了修訂并沿用至今。
    用大氣塵計數法檢測空氣過濾器的效率，所用塵源為大氣塵。國內現行檢測空氣過濾器的標準(GB 12218-89)對試驗用大氣塵作了具體規定:室外或與室外相同的室內空氣;大氣中粒徑)0.5 wm粒子的計數濃度)20000粒/升;空氣相對濕度蕊75%，溫度)5℃
    具體 方 法 為:在額定風量下，一般用兩臺粒子計數器同時測出受試過濾器上、下風側空氣中粒徑)0.5Wm,>- 1.Owm,}-> 2 .Owm,3 5 .OFLm粒子的計數濃度。受試過濾器的大氣塵計數效率計算公式如下:
            
其中，E;為粒徑分組效率()0.5w m,〕1R m,)2w m,}->5 N,m),%;N,，為上風側大于或等于某粒徑粒子計數濃度的平均值，粒/升;Ny為下風側大于或等于某粒徑粒子計數濃度的平均值，粒/升。
    1.2大氣塵計數法的優缺點
    中國計數法的應用比歐、美國家早十幾年，就當時來說，大氣塵計數法比比色法、計重法等全效率測試方法更準確:由于凈化行業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際情況比較一致;由于潔凈室的潔凈級別是依據計數濃度劃分的，因此可以直接使用大氣塵計數法的效率檢測結果，而比色法、計重法測試的結果則不行。
    但是大氣塵計數法是建立在二十多年前國內過濾器的制造水平基礎上的，存在一定的不足:大氣塵具有不穩定性，大氣塵的計數濃度并不是在掃封可時間任何地區都能滿足粒徑)0.5 wm粒子的計數濃度〕20000粒/升的要求，檢測人員只能根據天氣情況來檢測，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，造成效率檢測試驗的不可重復性以及檢測結果的不確定性;再者在試驗中，不能對粒子濃度和分散度加以控制，這一點對于檢測和實驗研究是很不利的。由于大氣塵計數法的上述缺點，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數法，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道均勻分散，利用光學粒子計數器檢測上下游有代表性的氣樣，得出過濾器粒徑效率數據。粒徑計數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，檢測用粒子計數器，過濾器效率的標識等方面有較大的差別。對二者的試驗塵源、檢測儀器以及效率標識進行比較，比較內容列人表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人噴嘴，溶液被霧化生成氣溶膠。通過調整噴嘴的氣壓和流量來控制氣溶膠濃度。這樣就實現了試驗塵源顆粒分散度及濃度的靈活控制，測試結果重復性好。歐洲所用溶液為未經稀釋或處理的DEHS(DOS /DES)溶液，并直接將霧化的DEHS液滴注人實驗臺[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行干燥，再將固相干燥的氯化鉀逆流送人試驗管道中，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。空氣過濾器效率檢測中粒徑范圍的確定與過濾器的應用場合、衛生要求及檢測設備的現狀密切相關。空氣過濾器凈化的主要對象是工業粉塵或大氣塵，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生穩定懸浮，也就很少被氣流攜帶到過濾器[s1。所以，試驗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。很多大氣中的工業污染物諸如:煤炭、混凝土的細粉，大氣塵中的一些能危害到肺部的灰塵、細菌，粒徑均大于3.0 [Lm，出于環境和人體健康的要求，這些都需要由空氣過濾器處理網。而歐洲所選的氣溶膠粒徑范圍為0.2 wm-3.0 [Lm,粒徑過小，不符合過濾器的實際應用環境。這樣，測出的過濾器的效率與實際情況差別較大，測試結果實際應用意義不大。美國選用的氣溶膠則更接近室外空氣的粒徑范圍，符合過濾器的實際應用情況。
    2.2采樣儀器的比較
    歐美標準中所用的采樣儀器均為光學粒子計數器，但二者對所用粒子計數器的要求卻有很大的差別。美標要求，采樣用計數器能對0.3}L m一 10 w m粒徑范圍內的粒子進行計數，并能將粒子分成12個粒徑范圍。歐標中要求，粒子計數器的粒徑測量范圍至少為0.2 wm-3.0 wm，且在該范圍內至少有五個粒徑檔。可見，美標中所用粒子計數器的粒徑通道要求的更細，而歐標中所用的粒子計數器測試粒徑更小。歐美標準中粒子計數器的選用均與各自的試驗用氣溶膠密切相關。
    2.3效率標識的比較
    歐美標準在效率標識上也不相同，美國的實驗報告中分別給出了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。在空氣過濾器的實際應用環境中，般情況下，重點關注過濾器對某一粒徑范圍粒子的過濾效率。美標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的效率。便于設計者和用戶根據應用的實際環境，選擇效率合適的過濾器，從而高效的除去環境中產生的粒子。歐標中，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，過濾效率還是可能不同。可見，歐標的這種效率標識，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 氣溶膠粒徑計數法的效率檢測
    與大氣塵計數法相比，氣溶膠粒徑計數法塵源穩定性好，顆粒分散度及濃度易于控制;檢測結果準確性高，重復性好。因此，用氣溶膠粒徑計數法代替大氣塵計數法檢測空氣過濾器的效率，檢測結果更可靠，能夠滿足過濾器行業對檢測工作提出的更高要求。國內空氣過濾器主要用于去除大氣中的工業污染物，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用環境，能夠更準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等因素對過濾效率產生的影響。
    3.1氣溶膠計數法的工作原理
    用氣溶膠粒徑計數法檢測空氣過濾器的效率，一般測試裝置主要包括:風道系統、氣溶膠發生裝置和檢測裝置三部分。效率測試可以在如圖1所示的試驗風道上進行。
                  
    室外含塵空氣經過高效過濾器7，去除空氣中的粒子，成為潔凈空氣。由氣溶膠發生裝置產生的氣溶膠，通過發塵管8進人測試風道，為了使氣溶膠和潔凈空氣充分混合，氣溶膠逆流進人風道，其方向與潔凈空氣氣流方向相反。氣溶膠和進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。氣溶膠經過受試過濾器，除去部分粒子，用光學粒子計數器分別對受試過濾器上、下游采樣，測出某幾個粒徑范圍內氣溶膠的計數濃度，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被去除，干凈空氣通過風機排至室外，避免了試驗氣溶膠進人大氣，對環境造成破壞。
    3.2兩種方法的比較
    用氣溶膠粒徑計數法與用大氣塵計數法檢測空氣過濾器的效率，二者的測試風道和檢測裝置基本上一致。只是氣溶膠計數法中，為了實現氣溶膠與潔凈空氣的充分混合，其混合段較大氣塵計數法的試驗風道更長些。檢測裝置都為光學粒子計數器，氣溶膠計數法要求可測粒徑范圍為0.3 wm-10 wm;大氣塵計數法要求粒子計數器至少應有)0.5 wm,)1.0 wm,)2.0R m,? 5 .0}L m四個粒徑檔。國內現有的光學粒子計數器大多數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別在于所用的試驗塵源不同。氣溶膠計數法中的試驗塵源為固相干燥的氣溶膠粒子，而大氣塵計數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。前者的塵源穩定性好，檢測結果準確性高。另外，由于試驗塵源不同，氣溶膠計數法與大氣塵計數法的檢測結果之間存在差異，為了方便用戶，統一市場，應該通過試驗建立兩者之間的聯系。
    4 結論
    ①大氣塵計數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定性導致檢測結果重復性和可比性差。隨著過濾器行業的發展，對檢測的要求越來越高，大氣塵計數法已經不能滿足過濾器發展的要求。研究更準確地空氣過濾器檢測方法代替大氣塵計數法，成為《空氣過濾器》標準修訂中一項非常重要的任務。
    ② 歐美國家現行的檢測空氣過濾器效率的方法都是氣溶膠粒徑計數法，而兩者在實驗塵源，檢測設備和效率標示方面有較大差別。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;美標中所用粒子計數器的粒徑通道要求的更細，而歐標中的粒子計數器測試粒徑更小;美國的效率標識比歐洲更全面。
    ③用氣溶膠粒徑計數法和大氣塵計數法檢測過濾器的效率，在試驗風道和檢測方法上基本一致。兩種方法的主要區別在于所用試驗塵源不同。
    ④與大氣塵計數法相比，氣溶膠粒徑計數法的試驗塵源穩定性好，濃度和粒徑分布可以控制;試驗具有可重復性，檢測結果準確度更高，可靠性更強，符合國際空氣過濾器檢測方法的發展趨勢。