固态气溶胶吸湿生长对过滤器检测效率的影响

陈慧;张振中;杨洪舟;余涛【摘要】In this paper,a hygroscopic tandem differential mobility analyzer(HTDMA)system was used to study the mechanism involving the variation of particle size of sodium fluorescein aerosol under different relative humidities(RHs)and its influence on in-place filter efficiency,and then the result was compared with that of NaCl aerosol.The results indicate that no obvious abrupt deliquescence is observed in sodium fluorescein aerosol and the particle size of sodium fluorescein aerosol increases with RH.However,for NaCl aerosol,the obvious deliquescence point is determined and the particle size remains constant within the range of RH at 0-75.Meanwhile,for sodium fluorescein aerosol of diameter with 100 nm,the filter efficiency decreases with the increase of RH.For NaCl aerosol of diameter with 100 nm,the filter efficiency remains unchanged when RH is below 75,but decreases dramatically when RH is over 75.Therefore,from the view of aerosol hygroscopic growth,when RH is below 75,both NaCl and sodium fluorescein aerosols can be used for inplace testing,and NaCl aerosol is more superior.When RH is over 75,NaCl aerosol is not recommended to be used for in-place testing.% 本文使用加湿 串联差分迁移分析仪(HTDMA)系统，研究了荧光素钠气溶胶在不同相对湿度(RH)环 境中粒径的变化规律及对现场过滤效率的影响，且与NaCI气溶胶进行了对比研究 结果表明,荧光素钠气溶胶无潮解点,其粒径随相对湿度的增大而增大;NaCl有明显 的潮解点,在小于75相对湿度时,其粒径基本不变.随相对湿度的增加,直径为100nm的荧光素钠测得的效率逐渐降低，而直径为100 nm的NaCI测得的效率在75%相对湿度以下时基本保持不变,但在大于75相对湿度环境中大幅下降.因此,从气 溶胶吸湿性能的角度来说,作为现场检测用的固态气溶胶,若保证环境相对湿度小于 75%,NaCI和荧光素钠均可用于过滤器现场检测,且前者性能优于后者，但当相对湿 度大于75%时,NaCI气溶胶已不能用于现场检测用途.期刊名称】原子能科学技术年(卷),期】2017(051)008【总页数】6页(P1509-1514) 【关键词】 固态气溶胶;现场检测;过滤器;核电厂【作 者】 陈慧;张振中;杨洪舟;余涛【作者单位】 清华大学核能与新能源技术研究院 环境技术研究室,北京 100084;清 华大学 核能与新能源技术研究院 环境技术研究室,北京 100084;清华大学 核能与 新能源技术研究院,先进核能技术协同创新中心,先进反应堆工程与安全 教育部重点 实验室,北京 100084;清华大学 核能与新能源技术研究院环境技术研究室,北京 100084;武汉第二船舶设计研究所,湖北 武汉 430205【正文语种】 中 文【中图分类】 TL329高效粒子空气(HEPA)过滤器是核电厂中的重要净化设备，用于捕集放射性气溶胶， 保护人员健康和环境安全。HEPA过滤器在服役前，需进行3个步骤的效率检测： HEPA滤料的效率检测、HEPA过滤器的效率检测和HEPA过滤器的现场效率检测。 3个步骤的检测均是首先在上游发生气溶胶，然后在上、下游同时测量气溶胶的浓 度，最后通过计算上、下游浓度的比值获得效率。按照国家标准，前两个步骤的效 率检测均使用钠焰法1-3，而核电厂用的现场检测则多种方法并存。从法国引进 的核电厂，使用了法国标准中的荧光素钠法；从美国引进的AP1000核电厂则按 照要求使用美国标准的邻苯二甲酸二辛酯(DOP)法；由清华大学自主建造的高温气 冷堆现场检测，使用了钠焰法，与国家标准中HEPA滤料和HEPA过滤器的效率 检测保持了同一种方法。上述3种方法的本质区别是发生的气溶胶类型和检测气 溶胶浓度的仪器不同。荧光素钠法通过喷雾荧光素钠水溶液后再干燥产生固态的荧 光素钠气溶胶，其浓度使用荧光分光光度计来测量4 ； DOP法通过加热DOP溶 液产生蒸汽后再冷凝成液态的DOP气溶胶，其浓度使用光度计来测量5；钠焰法 通过喷雾NaCI水溶液后再干燥产生固态的NaCI气溶胶，其浓度使用钠焰光度计 来测量。钠焰法和荧光素钠法分别使用的是NaCl和荧光素钠，均是具有一定吸湿性的固态 气溶胶。吸湿性是指材料在空气中能吸收一定的水分，从而影响材料的性质。在日 常环境中，影响气溶胶吸湿性的主要因素包括温度、相对湿度(RH)和气溶胶的组 成成分。其中，相对湿度的改变是影响气溶胶吸湿的主要原因，相对湿度的变化可 能会导致气溶胶吸水粒径增大或失水结晶粒径变小6。文献7指出大气中的气溶 胶对空气的相对湿度具有高敏感性，当相对湿度由50%增至90%时,0.5 pm左 右的气溶胶粒径增大为原来的1.46 倍 ,0.05 pm左右的气溶胶粒径增大为原来的 1.12 倍7。核电厂主要建在海边，高湿环境可能导致固态气溶胶吸湿使粒径变大， 从而在HEPA过滤器现场检测时，对于同一气溶胶，上、下游采样测量得到的粒 径却不同,最后引起过滤效率的误差。在大气环境领域，文献8-11 对“aCI、(NH4)2SO4、NaNO3、CaCI2等常见的 大气组分物质的吸湿性进行了理论研究和实验研究,但对于空气净化领域常用的荧 光素钠吸湿性的研究仍为空白。因此,本文使用加湿串联差分迁移分析仪(HTDMA)气溶胶吸湿性测量平台，测量荧光素钠气溶胶的吸湿性能，并与文献中 NaCl 气溶胶的吸湿性能进行对比，对核电厂现场检测用固态气溶胶给出使用建议。1.1 实验方法HTDMA系统用来分析气溶胶的吸湿性能，其示意图如图1所示12-13。系统主 要由3部分组成：1)气溶胶发生部分，首先使用Collis on喷嘴发生多分散荧光素 钠气溶胶，然后经充分干燥后进入1号微分迁移率分析仪(DMA)，筛分得到100 nm的荧光素钠单分散气溶胶；2)气溶胶加湿部分，100 nm的气溶胶在第1个加 湿器中预加湿，然后进入第2个加湿器使其吸湿生长，在两个加湿器中停留的时 间不小于5 s；3)气溶胶测量部分，经充分吸湿生长的气溶胶进入2号DMA和凝 结核粒子计数器(CPC)，测量其粒度分布，获得吸湿生长后的荧光素钠气溶胶的粒 径变化情况。本工作选取粒径为100 nm的荧光素钠作为研究对象，分别在相对 湿度为5%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%和90%环境下 测量吸湿前后粒径的变化。气溶胶的吸湿性可使用吸湿生长因子表征，即气溶胶直径在吸湿前后的变化率14： GF=DRH/D0其中：GF为气溶胶的生长因子；D0为干燥条件下气溶胶的直径；DRH为指定相 对湿度环境下气溶胶的直径。1.2 化学试剂本文使用阿拉丁试剂有限公司生产的荧光素钠(NaC20H10O5)，规格为AR，货号 为F105615-25g，溶解在去离子水中，使用Collison喷雾器产生荧光素钠固态气 溶胶颗粒。荧光素钠是一种无毒、无放射性，且化学性质稳定的橙红色粉末状固体， 溶于水后，可发出强荧光。因此，荧光素钠是一种易被检测的示踪剂，可用于核电 厂HEPA过滤器的现场检测15。HEPA滤料对气溶胶的过滤是一复杂的过程，对于纤维密实度为a、厚度为t的滤料来说，根据经典的过滤理论，在分别计算得到单根纤维的过滤效率后，可根据滤料单位体积通过气溶胶数量的积分得到厚度为t的滤料的过滤效率16:其中：df为纤维直径；E为单根纤维的过滤效率。单根纤维过滤效率E主要考虑3种机理：扩散、拦截和惯性碰撞。分别计算扩散 效率ED、拦截效率ER和惯性碰撞效率EI，可得到单根纤维总效率E为： 扩散作用的机理为：当气溶胶在纤维旁边流过时，由于布朗运动撞击在纤维上而被 捕获。文献17-19在考虑布朗运动和相邻纤维对气流的干扰效应的同时，给出了 单根纤维的扩散效率ED的计算公式，即：其中：Ku为Kuwabara流动因子19，其表征了相邻纤维对气流的干扰对扩散效 率的影响，Ku仅与纤维的密实度a有关，Ku = -0.5ln a-0.75+a-0.25a2; Kn为 克努森数，Kn=2入/df,入为气流的分子平均自由程；Pe为无量纲的贝克莱数，其 计算公式为：其中：U0为滤料迎面风速；D为颗粒扩散系数，其表达式为：其中：k为玻尔兹曼常数；T为热力学温度；p为空气动力粘滞系数；dp为气溶 胶直径；Cc 为 Cunningham 滑移修正系数，Cc=1+2.492入/dp+0.84入exp(- 0.435dp/入)/dp。拦截效应的机理为：当气溶胶随着气流运动至纤维表面，但通过直径小于气溶胶直 径时，会被纤维直接拦截捕获。一般用无量纲的拦截系数R，即气溶胶与纤维的直 径比表示拦截效应，再考虑气溶胶的滑移修正的影响，根据Kuwabara流动， Brown给出了单根纤维的拦截效率17-19，其计算式如下：(1+R)ln(1+R)/(2(-0.75-0.5ln a)+1.996Kn(-0.5-ln a) 惯性碰撞的机理为：质量较大或速度较高的气溶胶在流线拐弯时由于惯性来不及跟 随流线绕过纤维，最终脱离流线靠近纤维并且可能撞击纤维被捕获沉积。惯性碰撞 效率的重要影响参数为斯托克斯数stk，同时考虑Kuwabara流动，文献20给出 了惯性碰撞效率的表达式，即：其中：J为由拦截系数R和纤维密实度a定义的无量纲常数，当Rv0.4时，J二R2(29.6-28a0.62)-27.5R2.8 ;当 R0.4 时，J=2.0。 斯托克斯数定义为粒子滞止距离与纤维直径之比，其表达式为： 其中：pp为气溶胶密度；n为气体黏度。本文重点研究了荧光素钠在不同相对湿度环境下粒径变化的情况，同时根据文献15中的数据整理可得到 NaCl、NaNO3 这两种无机盐的吸湿曲线，研究结果如 图 2 所示。可发现：荧光素钠气溶胶的吸湿性生长因子随相对湿度的增大而增大。对于建在海 边的核电厂来说，高湿环境无疑会使荧光素钠气溶胶发生明显的粒径偏移，假设环 境相对湿度为80%，粒径偏移量可达33%。根据文献提供的数据可发现：NaCI 具有明显的潮解点，当环境相对湿度小于75%时，NaCI颗粒的粒径不发生变化， 当环境相对湿度大于75%时，NaCI颗粒的粒径开始变大，而且相对湿度越大，生 长因子增长率越大，当环境相对湿度为80%时，NaCI颗粒的粒径已经变为初始粒 径的2倍；NaNO3气溶胶的生长规律不同于NaCI，没有明显的潮解现象，在很 低的相对湿度下就开始吸湿生长，本文研究的荧光素钠气溶胶的吸湿性能与 NaNO3 的相似，没有明显的潮解点，气溶胶的粒径会随相对湿度的增加不断变大， 且相对湿度越大，生长因子越大。荧光素钠和NaCI都是效率检测中常用的固态气溶胶，前人对NaCI的吸湿特性进 行了较为深入的研究，但却没有关于荧光素钠的吸湿性研究，本文的研究结果表明： 荧光素钠和NaCI气溶胶物理上均具有吸湿性能，但吸湿特性完全不同，前者没有 明显的潮解点，后者的潮解点在75%左右；对于建在海边的核电厂来说，高湿环 境无疑会使常用的荧光素钠气溶胶和 NaCI 气溶胶均发生明显的粒径偏移，当环境 相对湿度为80%时，荧光素钠气溶胶粒径增长可达33% , NaCI气溶胶粒径增长 可达105%。根据经典的过滤理论计算滤材对吸湿后的气溶胶的过滤效率。在核电厂中，典型HEPA过滤器使用的滤料，其物理参数列于表1。在上游注入气溶胶时，因为气溶 胶是刚刚经过干燥处理的，粒径为100 nm，而在下游由于吸湿生长变成了粒径较 大的气溶胶。分别以环境相对湿度40%、50%、60%、70%和80%时，NaCl和 荧光素钠因为吸湿生长，根据其吸湿后的粒径计算得到单纤维过滤效率和滤料过滤 效率。假设滤速为2.5 cm/s，计算可得：滤料对100 nm气溶胶的过滤效率为99.992%。 不同相对湿度下由于含湿生长获得的单根纤维的过滤效率计算结果如图3所示， 在考虑纤维密实度与厚度后得到的滤料效率计算结果列于表2。从图3可看出：纤维捕集气溶胶时惯性碰撞效应可忽略不计，拦截效应和扩散效应影响力依次递增。在100-205 nm范围内，粒径越大，单根纤维扩散效率越小， 拦截效率越大，总效率的变化受扩散效应影响较大。荧光素钠随着相对湿度的增大， 粒径相对平缓增大，各机理的效率也相对平缓变化，单根纤维总效率减小；NaCI 只有在高相对湿度下才会突变增长，因此，在高相对湿度条件下各机理的效率会发 生突变，单根纤维总效率明显减小；在相对湿度为80%时，同一滤料对NaCI气 溶胶的单根纤维过滤效率明显低于荧光素钠气溶胶。从表2可看出：考虑纤维密实度与厚度后，滤料过滤总效率随着相对湿度的变化 减小；当相对湿度不大于50%时，无论是使用NaCI还是荧光素钠，理论计算的 过滤效率都基本保持不变；当相对湿度为60% - 70%时，使用荧光素钠会造成过 滤效率变低，但效率的变化很小，相对于滤料加工偏差来说，可忽略不计；当相对 湿度为80%时，使用NaCI会造成过滤效率较实际效率小，此时如果不考虑气溶 胶吸湿性带来的影响，对于过滤器现场检测会造成误判。本文使用HTDMA技术测量了 100 nm荧光素钠气溶胶的吸湿生长因子，然后使 用经典的过滤效率计算公式评价了荧光素钠和NaCI气溶胶在吸湿生长情况下，对 过滤器现场检测效率的影响情况，获得了如下结论：1）荧光素钠气溶胶没有潮解点，它的粒径会随着相对湿度的增大不断增大；NaCl 有明显的潮解点，大约在75%相对湿度位置处。因此，从气溶胶吸湿性能的角度 来说，作为现场检测用的固态气溶胶，只要保证环境相对湿度小于75%，NaCl气 溶胶要优于荧光素钠气溶胶。2）在环境相对湿度小于50%时，无论是使用NaCl，还是使用荧光素钠，其吸湿 生长后的粒径变化不大，对过滤效率的影响可忽略不计；在环境相对湿度为60% - 70%时，使用荧光素钠会造成过滤效率变低，使用NaCl气溶胶，则对过滤 效率影响可忽略不计；当相对湿度为80%时，使用NaCl会造成过滤效率较实际 效率小，而使用荧光素钠也会造成过滤效率下降，但下降程度小于前者。 因为吸湿性能实验周期较长，本文只测试荧光素钠在 100 nm 时的吸湿生长因子， 为了更好地量化描述核电厂HEPA过滤器现场检测环境对效率检测结果的影响， 建议在50 500 nm范围内进行荧光素钠吸湿生长因子的测量，并辅以实验来验 证本文所获得的结论。中国科学院化学研究所葛茂发研究员和王炜罡副研究员测量了荧光素钠气溶胶的吸 湿性能，在此表示感谢。*通信作者：唐泉，E-mail:*相关文献】1 BS3928 Sodium flame test for air filtersS. 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