室内空气净化：实验颗粒物发生实验

为了研究颗粒物的生成机制、物理与化学性质，以及进行颗粒物检测设备的校正或采集装置的性能评价，需要制备用于各种实验的颗粒物，即实验用颗粒物的发生。

有关发生实验用颗粒物的综述文章有很多，但其中所介绍的方法未必具有普适性^{17）～19）}。例如，为了测定生产过程中除尘装置的除尘效率和堆积密度，颗粒物每分钟的排放量必须以千克为单位表示。但是，为了研究有害粒子对人体的慢性影响，而使用实验动物进行颗粒物吸入实验时，每分钟的排放量必须以毫克为单位。此外，对于需要发生的颗粒物是单分散粒径分布还是多分散粒径分布，其化学组成为单一成分或由多种成分混合，自然需要有各自不同的制备方法。

因此，在介绍现有实用方法和相应装置的同时，笔者在实验研究结果的基础上，还总结了其各自的优缺点。

1.粉体散布法

在流动的气流中投入粉尘，或者向装有粉体的容器注入压缩空气，并使其飞散后释放到容器外，都是能够使干燥的粉体在空气中散布，从而形成气溶胶的方法。但是通过这些方法很难实现气溶胶持续稳定地发生。

虽然很多方法都能使发生的颗粒物保持稳定的粒径分布，但很少有能够确保在单位时间内具有稳定发生量的方法。此外，对于规模相对较小且需要长时间稳定发生的实验动物粉尘吸入实验来说，就无法与测定工业规模除尘器除尘效率的作业共用同一种颗粒物发生装置。

（1）柴田科学DF-3

柴田科学DF-3，由料斗向设置在转台上的沟槽内注入粉体，随后在喷射器将沟槽内的粉体吸出的同时将其吹散而形成气溶胶。该设备可以通过改变转台的种类和旋转速度，对单位时间内的发生量进行相应调节。

粉体的性质是影响粉尘的产生数量和粒径分布的首要因素。例如，当湿度较大时，高凝聚性的粉体在发生量和粒径分布方面均不够稳定。此外，喷射器自身的性能对于粉尘的吸出和之后的飞散也会有影响，因此要注意避免粉尘在喷嘴上的滞留。

当储存粉体的沟槽的容积为0.5cm³，喷出器的空气流量为20L/min、稀释粉尘的空气流量为20L/min，那么在40L/min的总流量下，实验用粉尘的最大发生率约为200mg/min，此时的最大浓度约为5g/m³。

（2）Palas RBG-1000

Palas RBG-1000使用刷子将容器内填充的粉体逐渐刷出，并通过压缩空气将刷下的粉体释放出去，从而实现气溶胶的发生。

图1.1.10所示是该装置发生部分的示意图。该装置首先在气筒中加压填充粉体，随后使用活塞把粉体按照一定的速度向上推动，使其与刷子接触。此时，旋转的刷子便可按照一定比例削出粉体，而附着在刷子上的粉体通过与压缩空气接触发生飞散，最终形成气溶胶。此外，气溶胶的发生量可以通过改变活塞的推送速度来进行相应的调节。

运用本装置将粒径基本一致的粉体发生成气溶胶时，便可以使用TSI公司的气溶胶粒径仪来测定其粒径分布，即得到该粉体颗粒的空气动力学直径。

以下示例使用德山公司生产硅球进行气溶胶发生实验。当粉体填充容器内径为ϕ7mm、推出速度是5mm/h时，气溶胶的发生速率为190mg/h。而当推出速度为700mm/h时，发生速率为27g/h。图1.1.11所示是当推出速度为10mm/h时，产生发生的硅球气溶胶的粒径分布。其中，D_a（空气力学中位径）：1.10μm；σ_g（几何标准偏差）：1.07；D_a：1.83μm；σ_g：1.06。从图中可以看出，无论在任何情况下，粒径的变化幅度都很小，也就是说该实验发生了所谓的单分散气溶胶。

图1.1.10 Palas RBG-1000的粉尘发生区域示意图

图1.1.11 Palas RBG-1000发生的德山硅球气溶胶的粒径分布

（3）TSI 3400型流化床式

图1.1.12所示为TSI 3400型流化床式粉尘发生装置的构造示意图。该装置借助空气向流动的青铜粉中注入粉体，通过使其与青铜粉一同流动而发生为气溶胶。

从Marple等人的实验结果中可以看出该装置的粉尘发生性能。在发生装置的出口安装HASL 1/2in^[1]的旋风分离器，用9L/min的干燥空气发生的煤炭粉尘的粒径分布，能够满足作为可吸入性粉尘的要求。并且，通过控制流化床粉体供应链条的移动速度，还可以将粉尘发生量控制在5～70mg/m³的范围内。使用该装置发生的粉尘的粒径分布，与利用湿法测定的粉尘粒径分布大致相同，且粉尘粒子间几乎都处于相互分离的状态。

2.液体喷雾法

利用压缩空气将液体呈雾状喷出从而完成气溶胶发生的装置，被称为雾化器或喷雾器。使用该法时，所需发生量较大的有锅炉等的燃料注入过程，而发生量较小的则应用在医疗领域。

使用压缩空气产生喷雾时，喷雾粒子的粒径分布一般为多分散状态，因此该法不适用于仅关注某种特定粒径粒子的情况，如气溶胶检测仪的性能研究。而该研究需要粒径分布的几何标准偏差值低于1.2，即粒子必须是单分散状态。而为了达到这一目的，研究人员也开发出了相应装置。

（1）医用雾化器

图1.1.13所示是某种医用雾化器的示意图。这种装置可以使非挥发性液体形成雾化。表1.1.12列出了使用该法发生的雾化液体粒子的粒径分布情况。虽然增大压缩空气的流量可以增加液体的雾化量，但是液滴微粒的平均粒径和标准差都不会有很大变化。这是由于液体自身的黏性以及表面张力才是改变粒径分布的重要因素。

（2）Palas AGF-2.0

Palas AGF-2.0是一种可以大量且长时间稳定产生雾化液体的设备，通常被用于评价工厂除尘设备的性能。

图1.1.12 TSI 3400型流化床式粉尘发生装置

图1.1.13 医用雾化器

表1.1.12 医用雾化器发生的雾化液滴的粒径分布

图1.1.14所示为该设备发生装置的示意图。该装置由喷射器、压力调节器、旋风分离器、液体储留槽组成。将调整压力后的压缩空气通入喷射器，便可将液体从储留槽中吸出，并同时通过喷嘴释放喷雾。此时生成的液体微粒中，粒径大的雾滴会被旋风分离器分离并留在液体贮留槽内，而粒径分布稳定的喷雾则可以被持续喷出。

该装置发生的喷雾量由液体的供应量来决定，而液体供应量则通过调节微型螺钉阀和压缩空气的压力来控制。图1.1.15所示为使用DOS（葵二酸二辛酯）液体发生微粒的情况，而图1.1.16则显示了此时的粒径分布。

图1.1.14 Palas AGF-2.0雾化液体发生装置的概略图

如上述图中所示，该装置通过微型螺钉来调节给液量，进而控制喷雾发生量，但最终喷雾中液滴粒子的粒径分布则不会发生改变。

（3）超声波雾化器

该装置不需要使用压缩空气，而是采用超声波的原理通过液体振动实现雾化。该法被广泛应用于医疗领域，同时也可以直接用于实验目的气溶胶发生装置。

当向压电式振荡器输送高频电信号时，振荡器会根据获得的频率而产生相应的机械性振动。利用这一原理，可以使振荡器在液体中振动，并使其雾化，这就是超声波雾化器。

由超声波雾化器发生的液体微粒的粒径主要由振荡频率决定，除此之外也与液体的表面张力和液体的密度有关。

图1.1.15 发生率与送气量（气压）间的关系

注：1bar=10⁵Pa。——译者注

图1.1.16 粒径分布与压缩空气流量间的关系

由于超声波雾化器不必从细喷嘴中产生雾化液体，因此可以在使固体变成悬浮液，或将固体溶解后的溶液变成液体微粒后，再蒸发其中的水分，进而形成固体成分的气溶胶。

本间克典^{20），21）}开发了一种使用超声波雾化原理的气溶胶发生装置，用于研究重金属粒子、石棉纤维等被人体吸入后的健康影响。芹田^22）将其改良为图1.1.17所示的装置。该装置能够长期稳定地发生气溶胶（变异系数在10%以下），可用于多种用途。

图1.1.17 超声波雾化式气溶胶发生装置(www.xing528.com)

（4）TSI 3050型

一般情况下，超声波雾化器发生的液体微粒与经由压缩空气产生的雾化液体其粒径分布，均为多分散状态。而由Bergland和Liu开发^23），并由TSI公司生产的一种装置，可以通过超声波向振动排孔板上的液体加压，从而产生单分散状态的雾气。图1.1.18所示为该装置的示意图。

图1.1.18 TSI 3050型的构造图

该装置产生的液体微粒的粒径，主要由振动频率和喷嘴直径决定。当振动频率为450kHz，喷嘴直径为5μm时，发生的液体微粒直径为15μm。振动频率为60kHz时，发生的液体微粒直径为20～40μm。这样发生的液体微粒的粒径分布无论在什么时候都是几何标准偏差值在1.1以下的单分散状态。而且，发生的液体微粒浓度非常低，即使在相对较高时，每1mL的空气中也仅有几百个粒子。

3.蒸气凝缩法

将物质加热至超出其饱和蒸气压所对应的温度时，将产生的蒸气用冷气降温，便会形成冷凝粒子。这时，如果产生冷凝作用的仅仅是该物质本身，则只能生成多分散状态的悬浮微粒。

但是，如果使用凝结核并将蒸气缓慢冷却，便会形成单分散的气溶胶。利用这个原理，最先发明单分散气溶胶发生装置的是Sinclair和LaMer^24）。

（1）Sinclair-LaMer式

由于Sinclair和LaMer的装置存在2～3点值得改进之处，因此在该装置问世后，有很多人在其基础上进行了改良。本间克典也根据蒸发器均匀加热、蒸发器内液面均匀蒸发，以及二次加热器的小型化等设想，开发了如图1.1.19所示的改进型设备^{25），26）}。该装置能够制备从硬脂酸到DOP和DOS等物质的单分散气溶胶。图1.1.20所示为使用该法发生硬脂酸气溶胶的示例。

图1.1.19 改进型Sinclair-LaMer式气溶胶发生装置

图1.1.20 改进型装置发生的硬脂酸气溶胶粒径分布

图1.1.21 柴田科学器械PG-D型单分散雾化液体发生装置的系统架构图

（2）Rapaport-Weinstock式：柴田科学PG-D

由Rapaport与Weinstock设计的发生装置可以更容易地处理室温下的液体，而且还能够确保单分散气溶胶的稳定发生。

柴田科学PG-D型是Rapaport-Weinstock式的改进型。该装置的系统架构如图1.1.21所示。该装置采用了特殊的结构，它能够把喷雾器产生的雾化液体快速、均匀地气化，并导入烧结过滤器，这样就可以过滤出粒径相对较小的液体粒子，随后送至加热蒸发部。

（3）TOPAS SLG-250

该装置同样以雾化液体为原料，采用加热凝聚方式发生单分散的气溶胶。当使用NaCl作为凝结核时，通过使雾化DOS发生汽化，就能够形成σ_g＜1.20的气溶胶。

图1.1.22所示是本装置的结构图。气溶胶的生成顺序如下：使用氮气作为载气，首先通过NaCl水溶液的雾化及干燥形成作为凝结核的NaCl颗粒喷雾，随后将其注入DOS发泡槽中。槽内应保持某一恒定温度，并控制DOS发生量。其中DOS的发生量是决定雾化液体粒子直径大小的重要因素。在槽内将凝结核与DOS混合后送往再加热区，在此将DOS完全蒸气化，同时将凝结核与DOS蒸气均匀混合。当混合蒸气冷却时会发生凝结，最终形成单分散的气溶胶。

图1.1.22 TOPAS SLG-250单分散气溶胶发生装置的结构图

图1.1.23所示为本装置在发泡槽保持恒温状态，并逐渐改变气泡流量时，DOS的空气动力学中位粒径的变化情况。由图可知，粒径随气泡流量的改变而产生线性变化。

（4）高频加热式烟雾发生装置

金属以及盐类在加热时会产生蒸气，而蒸气冷却、凝结时会发生粒子化，从而产生了烟雾。通过这种方式发生的烟雾并不适用于Simclair-LaMer开发的装置，但适用于Espenscheid等^28）人和本间克典^29）的方法。

图1.1.23 气泡流量和发生的DOS粒径间的关系

本间克典的方法中采用了原料高频加热的方式，这样仅需要一次加热过程即可使各种金属或盐类高效率地发生单分散烟雾。图1.1.24所示为该装置的结构图；图1.1.25所示为发生炉的构造图。此外，图1.1.26所示为本装置发生的烟雾中，具有代表性的粒子样品的透射电子显微镜照片。

在熔融原料和加热蒸气时需要使用石墨坩埚与加热管，此时为了防止石墨的氧化，使用氮气或氩气作为蒸气的载气。

图1.1.24 高频加热式金属蒸气发生装置的结构

在载气流量保持恒定的情况下，通过改变高频输出功率提高蒸发的温度时，蒸气产生量会随着蒸气压的升高而成比例的增加，而发生的气溶胶平均粒径也随之变大。这种关系如图1.1.27和图1.1.28所示。此外，发生的气溶胶粒径分布取决于载气的流量。当流量范围在0.5～1.0L/min时，可以发生粒径σ_g为1.25±0.05的气溶胶。

4.化学反应法

两种或者多种成分相互产生化学反应，当生成物质的蒸气压极低时，就会发生气溶胶。

图1.1.25 金属烟雾发生炉的内部构造

（1）中和反应法

这里以盐酸与氨的反应为例对中和反应法加以介绍。将盐酸和氨水分别倒入加湿器，然后通入载气（通常使用空气），使其在混合槽内发生反应从而生成氯化铵气溶胶。生成后的气溶胶在电子显微镜的图像如图1.1.29所示。通过该法生成的气溶胶的粒径取决于混合槽中各成分的浓度和接触滞留时间。

（2）水合反应方法

把发烟硫酸放置在常压空气中会释放出无水硫酸，通过无水硫酸和空气中水蒸气之间的反应就可以发生硫酸气溶胶。同样地，把氯化亚锡和氯化钛与玻璃粉混合充填至玻璃管后，从其中一端通入空气，此时变为蒸气的氯化亚锡和氯化钛就会与空气中的水分进行反应，从而完成气溶胶的发生，并从玻璃管的另一端以白烟的形式排出。

图1.1.26 高频加热式金属烟雾发生装置发生的金属烟雾的电子显微镜照片

（3）燃烧法

燃烧法作为一种非常简单的气溶胶的发生法，在古代就作为原始的通信手段来使用。例如，金属镁的燃烧和苯或聚苯乙烯等芳香型化合物的不完全燃烧，以及黄磷燃烧时产生的五氧化二磷与空气中的水蒸气反应后，可以形成磷酸气溶胶。此外，熏蒸式杀虫剂通过喷气燃烧可以形成颗粒微小的气溶胶，这样能够提高其杀虫效果。

图1.1.27 铅烟雾平均粒径随载气流量的变化图

图1.1.28 铅烟雾的发生量与平均粒径（空气动力学）的关系

图1.1.29 通过化学反应生成的各种气溶胶的电子显微镜图像