放射性氣溶膠捕集探討范文

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《核化學與放射化學雜志》2016年第3期

摘要：

放射性氣溶膠的捕集技術是氣溶膠放化分析的前提，對其進行研究有利于促進氣溶膠放化分析的發展。本工作通過使用不同濾材的組合，構建氣溶膠過濾器，研究放化分析的氣溶膠取樣技術，實驗結果表明：金屬燒結氈與高效濾材進行組合后，其捕集效率達到98％以上，利用爆竹爆炸產生的氣溶膠，進行模擬取樣實驗，在30min內可獲得100mg以上的0．5μm以上粒徑的氣溶膠，滿足放化氣溶膠取樣的要求。

關鍵詞：

氣溶膠；高效濾材；金屬燒結氈；捕集；過濾效率

對于特定環境下放射性氣溶膠的放射化學分析，必須首先獲取氣溶膠，因此，氣溶膠的捕集技術成為放化分析的必要手段。最常用的氣溶膠采樣技術是過濾，該技術用濾膜收集空氣中的氣溶膠粒子。過濾具有靈活、簡易和經濟等特點，目前已成為最廣泛使用的氣溶膠采樣技術［1－4］。除此之外，粒子撞擊器的分級采樣技術也有被應用，它利用氣溶膠粒子的慣性進行攔截采樣，但要求通過的氣體流速恒定，目前在恒流采樣和微生物采樣方面均有所報道［5－7］。但這兩種采樣技術隨著放化分析采樣目的不同而要求也有所不同。放化分析領域的氣溶膠取樣是對特定區域的放射性氣溶膠進行采樣，需要盡可能獲取足量和全部粒徑范圍的氣溶膠，這樣放化分析結果才有代表性。目前，采用濾膜收集是最為可行的方法，其它諸如粒子撞擊器的分級采樣、液體載帶、物理吸附、靜電沉積等方法，由于粒徑收集范圍窄、或現場工程實施難度較大、甚至不可行等因素不適合進行特定環境下的放射性氣溶膠采樣。過去的氣溶膠過濾取樣是利用玻璃纖維網團容塵，使用平均孔隙大小為5μm的金屬燒結氈進行攔截，其過濾所得的氣溶膠粒子粒徑較大，取樣量不夠，且漏掉了大部分小粒徑的氣溶膠。鑒于此種狀況，本工作擬設計專門的實驗和組合濾材的過濾器結構，對氣溶膠捕集進行初步探索。

1過濾器設計

根據放射性氣溶膠取樣要求，濾材應具有較高的收集效率以及抗高壓沖擊的能力，同時利于氣溶膠粒子溶解、分析或從濾材上清洗下來。在此之前，曾利用高效濾材、金屬燒結氈濾材分別進行了單獨的過濾效率、最易穿透曲線等實驗，基本結論是：高效濾材雖然效率高，但其強度不夠，容易被氣流貫穿使得濾材破損，不適合捕集取樣；金屬燒結氈強度高，抗沖擊，但其效率偏低，達不到放化分析的取樣要求。因此考慮高效濾材與金屬燒結氈組合使用，凸顯其優勢，避免其缺陷。過濾器結構設計示于圖1。

2實驗部分

2．1設備與材料

HA－8603型高效低阻力硼硅酸鹽玻璃纖維濾材，平均孔隙大小為0．3μm，效率為98．35％；H3398高效低阻力玻璃纖維濾材，效率為99．84％，平均孔隙大小為0．5μm；金屬纖維燒結氈，平均孔隙大小為5μm；均由河南核凈潔凈技術有限公司提供。雙層2μm金屬顆粒燒結氈與雙層0．5μm金屬顆粒燒結氈，平均孔隙大小分別為2μm和0．5μm，由南京高謙功能材料科技有限公司生產。SK－P10C3型氣溶膠發生器，蘇州尚科潔凈技術有限公司生產；微差計CYG1002，寶雞秦明傳感器有限公司生產；SMPS3936型TSI氣溶膠粒徑譜儀，美國TSI公司生產；D16C型真空泵，天津萊寶生產；SPAMS0525型單顆粒氣溶膠飛行時間質譜儀，廣州禾信分析儀器有限公司生產；取樣實驗用過濾器由本課題組自行設計加工。

2．2實驗方式與流程

首先是氣溶膠獲取效率測試：利用氣溶膠發生器產生氣溶膠，經過過濾器，利用微差計監測過濾器的壓差變化，通過氣溶膠粒徑譜儀對過濾前后的氣溶膠粒子譜進行測試，獲得其效率和穿透曲線，實驗系統示意圖示于圖2。如圖2所示，檢測過濾器過濾前的氣溶膠粒子譜時，TSI氣溶膠粒徑譜儀直接與氣溶膠發生器連接，然后在氣溶膠發生器與TSI氣溶膠粒徑譜儀之間聯接過濾器和微差計，獲得過濾器過濾后的氣溶膠粒子譜，TSI氣溶膠粒徑譜儀可測量范圍為0．03～1μm區間氣溶膠粒子濃度和粒徑分布，儀器未給出分析的不確定度數據，主要是由于隨著測試次數的增加，濾材攔截氣溶膠量也增加，導致效率不斷提高，直到濾材穿透或堵塞，因此，過濾效率測試只測一次。分析譜儀一次效率測試的不確定度，可由兩部分合成：一是粒子譜的統計漲落引起的不確定度；二是通過TSI氣溶膠粒徑譜儀粒子計數器的流量不確定度引起的不確定度。粒子譜的統計漲落可根據標準不確定度評定方法確定，其相對不確定度為10－6～10－3，取最大值為0．1％。TSI氣溶膠粒徑譜儀自帶的流量計精度為2級，由不確定度為1．5％的皂泡流量計校準，相對不確定度取2．00％，合成為相對不確定度為2．00％。完成效率測試后，利用爆竹爆炸產生氣溶膠，對組合濾材結構進行取樣實驗，實驗系統示意圖示于圖3。如圖3所示，爆竹在一3m3的鐵皮桶中爆炸，產生氣溶膠。過濾器通過兩段內徑10mm的軟管分別與鐵皮桶和真空泵連接。取樣前對組合濾材進行稱量，爆竹爆炸后啟動真空泵進行取樣，取樣停止后，取出組合濾材進行稱量。

3結果與討論

3．1爆竹氣溶膠粒徑分布

氣溶膠取樣實驗前，需要了解爆竹氣溶膠的粒徑（d）分布，爆竹氣溶膠的粒徑檢測在廣州禾信分析儀器有限公司完成，用單顆粒氣溶膠飛行時間質譜儀進行分析，檢測結果示于圖4。從圖4可以看出，爆竹氣溶膠粒徑主要分布在0．25～1．0μm，峰值位于0．5μm處。

3．2效率測試

兩種高效濾材與金屬纖維燒結氈組合的過濾前后的粒子譜示于圖5，通過粒子譜可獲得過濾前后的粒子總數，用它們相比得出過濾效率。從圖5可以看出，兩種組合濾材均顯示了很高的過濾效率，這可以從穿透實驗結果得到證實。單層HA－8603的最易透過粒徑為30nm，效率為98．35％。在其底部加上5μm的金屬纖維燒結氈后效率升至99．84％，其最易穿透曲線示于圖6。從圖6中難以看出最易透過粒徑。隨著過濾次數的增加，過濾器兩端的壓差由2．4kPa上升至4．5kPa（數據見表1），并且其效率由99．84％上升至99．97％，說明濾材組合后穿透現象明顯減弱，效率呈上升的趨勢，但壓差增加顯著，阻力增大，表明有堵塞現象，即容塵量不足。單層H3398的最易透過粒徑為160nm，效率為98％。在其底部加上5μm的金屬纖維燒結氈后效率升至98．9％，其最易穿透曲線示于圖7。從圖7不難看出，最易透過粒徑位于160～210nm之間，隨著過濾次數的增加，過濾器兩端的壓差由1．5kPa上升至2．7kPa（數據見表2），其效率無明顯變化。說明組合后沒有穿透的現象，但壓差呈增加趨勢，阻力也有增大趨勢，但相較HA－8603其壓力上升趨勢要平緩得多。總之，濾材的組合設計思路是成功的，能完成取樣任務。雖然HA－8603比H3398效率高，但其壓降增加太快。比較分析，H3398氣溶膠綜合取樣性能優于HA－8603。效果是否如此，還需要進行實際的取樣實驗。

3．3爆竹取樣實驗

用10000枚爆竹爆炸產生氣溶膠，進行兩輪取樣實驗，第一輪用金屬燒結氈與HA－8603的兩種組合結構進行了二次取樣，第二輪用金屬燒結氈與H3398兩種組合結構進行了三次取樣，所用金屬燒結氈分別有雙層2μm金屬顆粒燒結氈與雙層0．5μm金屬顆粒燒結氈，結果列于表3。從表3可以看出，5次取樣實驗取樣量都在100mg以上，高效濾材沒有出現穿透的情況，完全滿足放化分析的需要，但取樣容塵量有限。為了進行對比，利用玻璃纖維網加5μm金屬纖維燒結氈的原氣溶膠取樣器，在同樣條件下進行取樣，取樣量為37mg，遠低于本工作設計的取樣器的取樣量，說明采用本工作設計的取樣器其取樣效率得到很大提高，且粒徑捕集范圍達到0．3μm以上，更有利于氣溶膠放化分析。5次實驗的過濾器壓差和流量的變化關系示于圖8。如圖8所示，由于HA－8603高效濾材的A1組合過濾效率很高，取樣開始后，6min內過濾器流量很快就降到5．5L／min，壓差升高到83kPa，獲取了高達約284mg的氣溶膠。A2組合14min內即獲取了約117mg的氣溶膠。H3398高效濾材組合實驗結果與HA－8603的組合類似，在30min內均可獲得100mg以上的粒徑大于0．5μm的氣溶膠，滿足放化氣溶膠取樣的要求。H3398高效濾材組合是目前最優的氣溶膠取樣的濾材組合結構。綜上所述，單層的高效濾材在過濾時很容易穿透，導致失效，與金屬顆粒燒結氈組合以后，沒有出現穿透現象，過濾效率較高。分析原因是：高效濾材由于有了高強度金屬燒結氈作為底襯，高效濾材在氣流的沖擊下不會變形，受到的應力很小，因此，不會被穿透。另外，實驗發現，隨著過濾次數（時間）的增加，兩種組合的阻力也隨之增加，這與文獻［2］、［4］的結果一致，同時效率沒有降低，表明有堵塞現象。這是因為高效濾材的容塵量有限，其過濾精度很高，過濾高濃度的氣溶膠很快會堵塞其過濾通道，導致壓降增大，長時間過濾會導致氣路不暢，但對于專用氣溶膠捕集取樣，在其完全堵塞前，已經能取得足夠的氣溶膠，目前最優的組合結構是H3398高效濾材與金屬顆粒燒結氈的組合。

4結論

原氣溶膠取樣器采用玻璃纖維網加5μm金屬纖維燒結氈設計，只能夠攔截5μm以上的氣溶膠，過濾效率低，取樣量小于50mg。本工作設計的過濾器能夠攔截0．3μm或0．5μm以上的氣溶膠，效率可達98％以上，取樣量大于100mg。表明高效濾材與金屬顆粒燒結氈組合式的設計思想是成功的，滿足氣溶膠捕集取樣的要求。雖然組合式濾材的過濾結構有堵塞現象，但堵塞前所獲取的容塵量能滿足氣溶膠放化分析的要求，目前最優的組合結構是H3398高效濾材與金屬顆粒燒結氈的組合。

參考文獻：

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作者:趙云龍 郭俊民 謝波 宋濤 劉曉亞 單位:中國工程物理研究院核物理與化學研究所