放射性气溶胶捕集探讨范文

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《核化学与放射化学杂志》2016年第3期

摘要：

放射性气溶胶的捕集技术是气溶胶放化分析的前提，对其进行研究有利于促进气溶胶放化分析的发展。本工作通过使用不同滤材的组合，构建气溶胶过滤器，研究放化分析的气溶胶取样技术，实验结果表明：金属烧结毡与高效滤材进行组合后，其捕集效率达到98％以上，利用爆竹爆炸产生的气溶胶，进行模拟取样实验，在30min内可获得100mg以上的0．5μm以上粒径的气溶胶，满足放化气溶胶取样的要求。

关键词：

气溶胶；高效滤材；金属烧结毡；捕集；过滤效率

对于特定环境下放射性气溶胶的放射化学分析，必须首先获取气溶胶，因此，气溶胶的捕集技术成为放化分析的必要手段。最常用的气溶胶采样技术是过滤，该技术用滤膜收集空气中的气溶胶粒子。过滤具有灵活、简易和经济等特点，目前已成为最广泛使用的气溶胶采样技术［1－4］。除此之外，粒子撞击器的分级采样技术也有被应用，它利用气溶胶粒子的惯性进行拦截采样，但要求通过的气体流速恒定，目前在恒流采样和微生物采样方面均有所报道［5－7］。但这两种采样技术随着放化分析采样目的不同而要求也有所不同。放化分析领域的气溶胶取样是对特定区域的放射性气溶胶进行采样，需要尽可能获取足量和全部粒径范围的气溶胶，这样放化分析结果才有代表性。目前，采用滤膜收集是最为可行的方法，其它诸如粒子撞击器的分级采样、液体载带、物理吸附、静电沉积等方法，由于粒径收集范围窄、或现场工程实施难度较大、甚至不可行等因素不适合进行特定环境下的放射性气溶胶采样。过去的气溶胶过滤取样是利用玻璃纤维网团容尘，使用平均孔隙大小为5μm的金属烧结毡进行拦截，其过滤所得的气溶胶粒子粒径较大，取样量不够，且漏掉了大部分小粒径的气溶胶。鉴于此种状况，本工作拟设计专门的实验和组合滤材的过滤器结构，对气溶胶捕集进行初步探索。

1过滤器设计

根据放射性气溶胶取样要求，滤材应具有较高的收集效率以及抗高压冲击的能力，同时利于气溶胶粒子溶解、分析或从滤材上清洗下来。在此之前，曾利用高效滤材、金属烧结毡滤材分别进行了单独的过滤效率、最易穿透曲线等实验，基本结论是：高效滤材虽然效率高，但其强度不够，容易被气流贯穿使得滤材破损，不适合捕集取样；金属烧结毡强度高，抗冲击，但其效率偏低，达不到放化分析的取样要求。因此考虑高效滤材与金属烧结毡组合使用，凸显其优势，避免其缺陷。过滤器结构设计示于图1。

2实验部分

2．1设备与材料

HA－8603型高效低阻力硼硅酸盐玻璃纤维滤材，平均孔隙大小为0．3μm，效率为98．35％；H3398高效低阻力玻璃纤维滤材，效率为99．84％，平均孔隙大小为0．5μm；金属纤维烧结毡，平均孔隙大小为5μm；均由河南核净洁净技术有限公司提供。双层2μm金属颗粒烧结毡与双层0．5μm金属颗粒烧结毡，平均孔隙大小分别为2μm和0．5μm，由南京高谦功能材料科技有限公司生产。SK－P10C3型气溶胶发生器，苏州尚科洁净技术有限公司生产；微差计CYG1002，宝鸡秦明传感器有限公司生产；SMPS3936型TSI气溶胶粒径谱仪，美国TSI公司生产；D16C型真空泵，天津莱宝生产；SPAMS0525型单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪，广州禾信分析仪器有限公司生产；取样实验用过滤器由本课题组自行设计加工。

2．2实验方式与流程

首先是气溶胶获取效率测试：利用气溶胶发生器产生气溶胶，经过过滤器，利用微差计监测过滤器的压差变化，通过气溶胶粒径谱仪对过滤前后的气溶胶粒子谱进行测试，获得其效率和穿透曲线，实验系统示意图示于图2。如图2所示，检测过滤器过滤前的气溶胶粒子谱时，TSI气溶胶粒径谱仪直接与气溶胶发生器连接，然后在气溶胶发生器与TSI气溶胶粒径谱仪之间联接过滤器和微差计，获得过滤器过滤后的气溶胶粒子谱，TSI气溶胶粒径谱仪可测量范围为0．03～1μm区间气溶胶粒子浓度和粒径分布，仪器未给出分析的不确定度数据，主要是由于随着测试次数的增加，滤材拦截气溶胶量也增加，导致效率不断提高，直到滤材穿透或堵塞，因此，过滤效率测试只测一次。分析谱仪一次效率测试的不确定度，可由两部分合成：一是粒子谱的统计涨落引起的不确定度；二是通过TSI气溶胶粒径谱仪粒子计数器的流量不确定度引起的不确定度。粒子谱的统计涨落可根据标准不确定度评定方法确定，其相对不确定度为10－6～10－3，取最大值为0．1％。TSI气溶胶粒径谱仪自带的流量计精度为2级，由不确定度为1．5％的皂泡流量计校准，相对不确定度取2．00％，合成为相对不确定度为2．00％。完成效率测试后，利用爆竹爆炸产生气溶胶，对组合滤材结构进行取样实验，实验系统示意图示于图3。如图3所示，爆竹在一3m3的铁皮桶中爆炸，产生气溶胶。过滤器通过两段内径10mm的软管分别与铁皮桶和真空泵连接。取样前对组合滤材进行称量，爆竹爆炸后启动真空泵进行取样，取样停止后，取出组合滤材进行称量。

3结果与讨论

3．1爆竹气溶胶粒径分布

气溶胶取样实验前，需要了解爆竹气溶胶的粒径（d）分布，爆竹气溶胶的粒径检测在广州禾信分析仪器有限公司完成，用单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪进行分析，检测结果示于图4。从图4可以看出，爆竹气溶胶粒径主要分布在0．25～1．0μm，峰值位于0．5μm处。

3．2效率测试

两种高效滤材与金属纤维烧结毡组合的过滤前后的粒子谱示于图5，通过粒子谱可获得过滤前后的粒子总数，用它们相比得出过滤效率。从图5可以看出，两种组合滤材均显示了很高的过滤效率，这可以从穿透实验结果得到证实。单层HA－8603的最易透过粒径为30nm，效率为98．35％。在其底部加上5μm的金属纤维烧结毡后效率升至99．84％，其最易穿透曲线示于图6。从图6中难以看出最易透过粒径。随着过滤次数的增加，过滤器两端的压差由2．4kPa上升至4．5kPa（数据见表1），并且其效率由99．84％上升至99．97％，说明滤材组合后穿透现象明显减弱，效率呈上升的趋势，但压差增加显著，阻力增大，表明有堵塞现象，即容尘量不足。单层H3398的最易透过粒径为160nm，效率为98％。在其底部加上5μm的金属纤维烧结毡后效率升至98．9％，其最易穿透曲线示于图7。从图7不难看出，最易透过粒径位于160～210nm之间，随着过滤次数的增加，过滤器两端的压差由1．5kPa上升至2．7kPa（数据见表2），其效率无明显变化。说明组合后没有穿透的现象，但压差呈增加趋势，阻力也有增大趋势，但相较HA－8603其压力上升趋势要平缓得多。总之，滤材的组合设计思路是成功的，能完成取样任务。虽然HA－8603比H3398效率高，但其压降增加太快。比较分析，H3398气溶胶综合取样性能优于HA－8603。效果是否如此，还需要进行实际的取样实验。

3．3爆竹取样实验

用10000枚爆竹爆炸产生气溶胶，进行两轮取样实验，第一轮用金属烧结毡与HA－8603的两种组合结构进行了二次取样，第二轮用金属烧结毡与H3398两种组合结构进行了三次取样，所用金属烧结毡分别有双层2μm金属颗粒烧结毡与双层0．5μm金属颗粒烧结毡，结果列于表3。从表3可以看出，5次取样实验取样量都在100mg以上，高效滤材没有出现穿透的情况，完全满足放化分析的需要，但取样容尘量有限。为了进行对比，利用玻璃纤维网加5μm金属纤维烧结毡的原气溶胶取样器，在同样条件下进行取样，取样量为37mg，远低于本工作设计的取样器的取样量，说明采用本工作设计的取样器其取样效率得到很大提高，且粒径捕集范围达到0．3μm以上，更有利于气溶胶放化分析。5次实验的过滤器压差和流量的变化关系示于图8。如图8所示，由于HA－8603高效滤材的A1组合过滤效率很高，取样开始后，6min内过滤器流量很快就降到5．5L／min，压差升高到83kPa，获取了高达约284mg的气溶胶。A2组合14min内即获取了约117mg的气溶胶。H3398高效滤材组合实验结果与HA－8603的组合类似，在30min内均可获得100mg以上的粒径大于0．5μm的气溶胶，满足放化气溶胶取样的要求。H3398高效滤材组合是目前最优的气溶胶取样的滤材组合结构。综上所述，单层的高效滤材在过滤时很容易穿透，导致失效，与金属颗粒烧结毡组合以后，没有出现穿透现象，过滤效率较高。分析原因是：高效滤材由于有了高强度金属烧结毡作为底衬，高效滤材在气流的冲击下不会变形，受到的应力很小，因此，不会被穿透。另外，实验发现，随着过滤次数（时间）的增加，两种组合的阻力也随之增加，这与文献［2］、［4］的结果一致，同时效率没有降低，表明有堵塞现象。这是因为高效滤材的容尘量有限，其过滤精度很高，过滤高浓度的气溶胶很快会堵塞其过滤通道，导致压降增大，长时间过滤会导致气路不畅，但对于专用气溶胶捕集取样，在其完全堵塞前，已经能取得足够的气溶胶，目前最优的组合结构是H3398高效滤材与金属颗粒烧结毡的组合。

4结论

原气溶胶取样器采用玻璃纤维网加5μm金属纤维烧结毡设计，只能够拦截5μm以上的气溶胶，过滤效率低，取样量小于50mg。本工作设计的过滤器能够拦截0．3μm或0．5μm以上的气溶胶，效率可达98％以上，取样量大于100mg。表明高效滤材与金属颗粒烧结毡组合式的设计思想是成功的，满足气溶胶捕集取样的要求。虽然组合式滤材的过滤结构有堵塞现象，但堵塞前所获取的容尘量能满足气溶胶放化分析的要求，目前最优的组合结构是H3398高效滤材与金属颗粒烧结毡的组合。

参考文献：

［1］［美］保罗A．巴伦，克劳斯•戴维克．气溶胶测量原理、技术及应用［M］．白志鹏，杨灿，等，译．北京：化学工业出版社，2007：63－65．

［2］吴艳敏，王旭辉，刘龙波，等．大流量气溶胶取样滤材的动态性能研究［J］．试验与研究，2006，29（2）：81－86．

［3］吴艳敏，王旭辉，刘龙波，等．高流速下气溶胶取样滤材的性能测试［J］．辐射防护，2009，129（1）：13－17．

［4］张自禄，王旭辉，夏兵，等．气溶胶取样滤材收集效率和压降的测定［J］．试验与研究，2000，23（2）：37－41．

［5］李庆伟，肖凯涛．气溶胶采样过程中流量控制技术［J］．火工品，2008（3）：44－47．

［6］李涛．空气微生物采样及发展趋势［J］．中国卫生检验杂志，2003，13（5）：538－539．

［7］郝樊华，刘晓亚，肖成建，等．爆轰条件下的气溶胶粒径分布及Ag质量分数与粒径的关系［J］．核技术，2009，32（5）：343－346．

作者:赵云龙 郭俊民 谢波 宋涛 刘晓亚 单位:中国工程物理研究院核物理与化学研究所