第1章 大气污染控制工程实验

1.1 颗粒物粒径分布测定实验

大气颗粒物对环境气候、能见度等产生巨大的负面影响，不同粒径的大气颗粒污染物对人类健康构成不同程度的威胁，成为人类生存环境中不容忽视的隐形杀手，同时，除尘系统中颗粒物的粒径分布对除尘器选用、除尘系统运转效果有着重要影响。

1.1.1 实验目的

（1）加深对颗粒物粒径分布及粒径分布函数的理解。

（2）学会使用某种设备测定颗粒物粒径分布。

1.1.2 实验原理

颗粒物的粒径，通常采用定向直径、等体积直径、筛分直径、斯托克斯（Stokes）直径、空气动力学当量直径等表示。

1.光散射法测定原理

当一束平行的单色光照射颗粒上时，在傅氏透镜的焦平面上将形成颗粒的散射光谱，这种散射光谱不随颗粒运动而改变，通过米氏散射理论分析这些散射光谱就可得出颗粒的粒度分布。假设颗粒为球形且粒径相同，则散射光能按艾理圆分布，即在透镜的焦平面形成一系列同心圆光环，光环的直径与产生散射的颗粒粒径相关，粒径越小，散射角越大，圆环直径就越大。粒径越大，散射角就越小，圆环的直径就越小，如图1-1所示。

根据米氏散射原理，当测量区中有一直径为d 的球形颗粒时，任意角度下它的散射光强分布为：

式中 f——接收透镜的焦距；

λ——入射光的波长；

J₁——一阶贝塞尔函数；

d——颗粒直径，，其中θ为散射角。

激光衍射光强分布落在光电探测器第n环（环半径从S_n到S_n+1，对应的散射角从θ_n到θ_n+1）上的光能量为：

将式（1-1）中的I（θ）代入后可得：

式中 J₀——零阶贝塞尔函数。

如果测量中同时有N个直径为d的颗粒存在，则在第n个光环上所接收到的光能量将是一个颗粒时的N 倍（N·e_n）。以此类推，当颗粒群中直径为d_i的颗粒共有N_i个，则颗粒群总的衍射光能将是所有各个颗粒衍射光能之和，即：

如果尺寸分布用重量W 表示，W 和N 之间的关系为：

式中 ρ——颗粒物质的密度。

将式（1-5）代入式（1-4）可得：

式（1-6）建立了光电探测器各环的衍射光信号与被测颗粒粒径及分布之间的对应关系。

将式（1-6）写成矩阵形式则为：

E=TW

矩阵T 称为系数矩阵，它与光电探测器的几何尺寸和颗粒的直径分档有关。由式（1-6）即可算得系数矩阵，一旦测出全部有效环上的光能分布E，通过对式（1-6）所列线性方程组的求解，就能得到颗粒尺寸的重量分布W。

2.沉降法测定原理

悬浮在液体中的颗粒在重力、浮力和黏滞阻力的作用下，其运动方程符合Stokes定律：

式中 V——沉降速度，μm/s；

X——颗粒直径，μm；

ρ_s——颗粒比重，g/cm³；

ρ_f——液体比重，g/cm³；

g——重力加速度，m/s²；

ν——液体的黏度，mPa·s。

由式（1-7）可知，颗粒的沉降速度与粒径的平方成正比。因此，只要测定颗粒的沉降速度，就可以知道它的粒径了。沉降式粒度仪均采用测定不同时刻透过悬浮液的光强的变化率来间接反映颗粒的沉降速度，如图1-2所示。

根据Lambert-beer定律，有：

式中 K——仪器常数；

n_x——在光路中存在的直径为X～X+dx的颗粒的个数；

I₀——透过纯净液体的光强；

I——透过悬浊液的光强。

根据式（1-7）给出的粒径和沉降时间的关系，在整个沉降过程中连续检测光强的变化，再根据式（1-8）求出某粒径在相应时刻光的透过率的对数，就可以求出该样品的粒度分布了。

1.1.3 设备、仪器与用具

颗粒物粒径分布测定实验所用到的设备、仪器与用具如下：

（1）BT-9300H激光粒度仪。

（2）BT-3000A圆盘超细粒度分布仪。

（3）超声波分散器。

（4）电动搅拌器。

（5）200mL、100mL和50mL烧杯。

（6）蒸馏水。

1.1.4 操作步骤和方法

1.1.4.1 光散射法测定步骤

光散射法主要设备为BT-9300H激光粒度仪。

1.实验试样准备

将分散剂如六偏磷酸钠或焦磷酸钠等溶于纯净水中，配制成2‰～5‰的沉降介质120mL左右，待分散剂充分溶解后即可使用。用勺取法取出适量实验样品加入到约80mL的沉降介质中配制悬浮液，使用电动搅拌器将其进行充分搅拌，同时放到超声波分散器上进行超声波分散处理，超声波分散时间一般为3～15min。

2.输入测试信息

双击电脑桌面上“BT-9300H”图标，进入测试系统。单击“测量—文档”项，输入测试方面的有关信息并单击“确认”按钮，如图1-3所示。

3.测量介质的背景浓度

将装有纯净介质的样品池放入仪器中并启动搅拌装置，单击“测量”按钮进入“测量”窗口，如图1-4所示。背景数据一般为5～10之间。单击“启动”按钮测量本次背景数据，单击“确认”按钮保存本次背景数据。若背景数据超过10以上，需清洗样品池，重新测量背景数据。

4.测量样品浓度

将装有悬浮液的样品池放入仪器中并启动搅拌装置，如图1-5所示。单击单次测试中“测试”按钮测量样品的浓度，单击“结果”按钮保存浓度数据并返回，单击“关闭”按钮结束测试。样品浓度一般在10～30之间，超出此范围需要重新配置悬浮液。

5.测试

放入实验样品，样品浓度一般在10～30之间，即浓度在如图1-5所示中的电脑中绿色区间范围，超出此范围需要重新配置悬浮液。单击单次测试栏中“测试”按钮则开始进行粒度测试并计算粒度分布数据，测试结束后单击“结果”按钮则显示测试结果，测试结果分表格、图形、典型结果及余值图4种形式显示，如图1-6所示。

6.保存或打印

在测量结果窗口中可以对样品测量数据进行保存、打印、复制和导出Excel等操作。

注意事项：

（1）开机顺序：交流稳压电源→粒度仪→打印机→显示器→计算机。

关机顺序：显示器→计算机→打印机→粒度仪→交流稳压电源。

（2）在进行超声分散之前，应保证超声波分散器的槽中有占其容积1/3的水。

（3）配制悬浮液的关键是要掌握好样品的浓度。由于样品粗细程度、比重和光学特性等各不相同，所以对不同样品来说悬浮液的浓度也各不相同。一般说来，样品越细，用量越少；样品越粗，用量就越多。悬浮液的浓度最终要满足测量时光能分布的要求，一般光能分布为10%～30%之间，特殊情况应根据实验确定。

（4）取溶液时用特制的注射器从溶液中部移动抽取14～15mL，注入样品池中，同时应擦干样品池表面的水珠及水迹。

1.1.4.2 沉降法测定步骤

沉降法测定主设备为BT-3000A圆盘超细粒度分布仪。

1.配制沉降介质

该仪器常用的介质为蒸馏水+甘油。不同样品所用的甘油比例不同。粒度较粗（D50&gt；2μm）或密度较大（密度&gt；4）的样品，甘油比例一般在40%～60%；粒度较细（D50&lt；0.5μm）或密度较小（密度&lt；2.7）的样品，甘油比例一般在20%～40%。将蒸馏水倒入量具，调整好体积，在往里慢慢倒甘油；用搅拌器搅拌后，将其放入超声波分散器里分散15min或静置24h（总体积约120mL）。

2.配置悬浮液（往往要试配几次）

用烧杯取沉降介质约10mL，加入适量分散剂（焦磷酸钠）待其充分溶解后，加入实验样品，使其浓度在0.01%～0.3%之间，将该悬浮液放入超声波分散器里分散8min后，取样1mL试测（见步骤4和5）。当测试曲线的最高处达到测试窗口纵坐标的5～7之间时，该悬浮液的浓度合适。如不合适，须重新配置，直到合适为止。通常，样品越细，所须浓度越低；样品越粗，所须浓度越高。

3.输入测试信息

双击电脑桌面“粒度测试BT-3000A”图标，即进入测试系统，如图1-7所示；在菜单栏中单击“测试—开始测试”项，即进入“参数设定”界面，输入相应参数，选择测试方式，如图1-8所示。

4.测定本底值

用清水将离心圆盘冲洗干净，启动离心机，用注射器取一定量（如18mL）的已经配制好的甘油水溶液注入离心圆盘中做沉降介质。单击如图1-9所示中的“开始”按钮，系统就进入本底值测定状态。此时的吸光度应在1000～3000之间，并在如图1-9所示的绿色区域内连续画水平线。

如果系统本底值的吸光度不在绿色区域，应调整仪器上的“基准调节器”。通常应将系统本底值的吸光度调整到1500左右。

当经过约30s时间系统本底值稳定后，用注射器再向离心圆盘中注入1mL缓冲液（蒸馏水）。注入缓冲液之后按“加速”按钮，这时电机原来的匀速旋转状态将瞬间改变为变速旋转状态，圆盘中沉降介质表面与缓冲液之间将进行接触、摩擦和融合，在原来沉降介质的表面形成过渡层，为接下来的测试做好准备。注射缓冲液并单击“加速”按钮后系统本底值可能会有波动现象，此现象经过数秒左右的旋转后就会稳定下来。“加速”按钮可以多按几次，直到电机变速使曲线的波动很小为止，这时沉降介质和缓冲液已经很好地融合，待系统本底值平稳后单击“停止”按钮结束系统本底值测试。这时单击“确认”按钮进行下面的测试。

5.测试过程

在图1-9中调整好系统本底值后，单击“确认”按钮，就进入到实际样品的测试过程阶段，如图1-10所示。测试开始前，电脑系统处于一个等待注射样品状态。用仪器配带的专用注射器取1mL样品，将针头插入圆盘外面的针孔内，使针头后的垂直定位板顶住有机玻璃板的外面，针头指向圆盘中部（并非圆心），用拇指迅速推进注射器，瞬间将样品注射到离心圆盘中。在推进结束时用拇指推力触发注射器上的微动开关，启动电脑使其进入测试状态。

在整个测试过程中，颗粒的沉降状态以测试曲线的形式显示在屏幕中。当样品注射到离心圆盘中后，颗粒在离心力作用下沿旋转半径方向开始沉降，在沉降过程中颗粒按由大到小的顺序依次通过检测区。在测试开始阶段检测区附近颗粒的浓度逐渐升高，测试曲线也呈逐渐上升的趋势；随着测试时间的推移，大部分颗粒通过了检测区到达离心圆盘的底部，离心圆盘中的悬浮液浓度逐渐降低，测试曲线也随之逐渐降低，直到测试结束。

在图1-9中，测试曲线坐标的横轴为时间轴，纵轴为吸光度轴，为方便判断测试状态特别是方便浓度控制，系统把测试曲线坐标平面分为3个区，分别为初始区、过渡区和结束区。

测试曲线在返回初始区后，如果在结束前较长时间呈近似水平状态，说明绝大部分颗粒早已通过检测点沉降到样品池的底部，后面一段时间的测试并没有多少意义。在这种情况下再测试该样品时要将“测试下限”增大一点以减少测试时间。不过，这种情况只是延长测试时间，对测试结果并无不良影响。

当测试曲线达到坐标最右端时，测试就结束了。

6.粒级分级

为了适应不同样品的测试需要，简化分级操作，提供了固定间隔、任意间隔、等差间隔和等比间隔4种粒级设定模式，如图1-11所示。在图1-11中，单击选定的“粒级间隔”按钮，就弹出相应的粒级输入对话框，再进一步确定粒级序列值。

在图1-11中系统自动保存上一次粒级设定值。对于相同规格的样品可直接单击如图1-11所示中的“确定”按钮，即进入如图1-12所示的显示测试结果。

7.显示测试结果

设定好粒级后，系统计算并显示测试结果，如图1-12所示。在图1-12中，操作数据窗口右边的滚动条使数据窗口上下滚动，查看各粒级的数据。单击“关闭”按钮，返回到程序主窗口。单击“样品—显示结果”项可以重新显示本次的测试结果。

在图1-12中，单击“显示图形”按钮显示测试结果分布图，如图1-13所示。

在图1-13中，横轴为粒径坐标，以对数坐标表示；纵轴为百分数坐标，以算数坐标表示。坐标中的直方图表示区间频率分布，曲线表示累计频率分布，并同时给出D03、D06、D10、D16、D25、D50、D75、D84、D90、D97和D98等参数，分别表示相应百分数下对应的粒径值。在图1-13中，单击“关闭”按钮，返回到如图1-12所示中；单击“图形参数”按钮，进入“图形参数设置”状态。

8.圆盘的清洗与保养

测试结束并将结果保存和打印后，需要立刻对圆盘进行清洗。

操作步骤与方法如下。

（1）单击“测试—电机—电机停止”项，使电机停止旋转。

（2）用带软管的注射器将圆盘中的液体抽出，然后注入约20mL清水，用左手搬动圆盘左侧使其顺时针和逆时针旋转几次，将沉积到底部的样品冲洗下来，然后把水抽干。

（3）反复进行上述清洗，直到洗净为止。如果发现有黏附在圆盘上的杂质难以冲洗掉，再用特制的海绵刷蘸中性洗涤剂轻轻擦洗，然后用水冲洗干净。

用完之后就要清洗干净，存放时圆盘要处于洁净状态。在任何时候都不要划伤、腐蚀圆盘，擦拭时要用柔软的纸巾轻轻擦干盘体表面，不可用力摩擦。

1.1.5 实验数据整理

颗粒物粒径分布测定实验的实验数据整理步骤如下。

（1）正确测出各个粒径所对应的质量百分数并列表表示。

（2）绘出样品粉尘的筛上累积曲线。

（3）求出样品的粒度分布公式。

（4）若样品为大气颗粒物，求出PM10及PM2.5。

（5）求出仪器的精确度。

定义：设x_i为第i次的测量值，测量次数为n，那么平均值为：

则可得出：精确度=100［∑（x_i-X）²·（n-1）^-1］^1/2/X