空氣凈化產(chǎn)品性能測試用塵源以及該塵源的發(fā)生方法、裝置與流程
本發(fā)明涉及空氣凈化技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種空氣凈化產(chǎn)品性能測試用塵源以及該塵源的發(fā)生方法、裝置。
背景技術(shù)：
霧霾顆粒物構(gòu)成了國內(nèi)大氣污染的主要污染物，由此引發(fā)了空氣凈化產(chǎn)品的快速發(fā)展，例如家用空氣凈化器。目前的凈化性能測試特別是耐久性測試，僅僅能夠采用“香煙煙霧”進(jìn)行測試，香煙煙霧的粒徑分布、化學(xué)成分、對顆粒物過濾器的失效機制與霧霾顆粒物相去甚遠(yuǎn)，不能夠客觀的表達(dá)空氣凈化產(chǎn)品的性能。因此，發(fā)明一種與國內(nèi)空氣污染現(xiàn)狀相近的測試用塵源，用于測試空氣凈化產(chǎn)品是有著現(xiàn)實意義的。
大量研究表明，大氣顆粒物(PM)主要由碳組分，水溶性離子(硫酸鹽、硝酸鹽、氨鹽)以及地質(zhì)塵等幾個部分組成。水溶性離子是細(xì)顆粒物中非常重要的化學(xué)組成部分，研究證實水溶性離子對大氣的消光系數(shù)具有較高的分擔(dān)率，是霧霾導(dǎo)致能見度降低的主要原因。在中度污染的情況下，顆粒物質(zhì)量濃度的粒徑峰值在0.8μm左右，隨著污染程度的降低，粒徑峰值隨之降低。霾中主要的離子成分為K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Si2+、NH4+、SO42-、NO3-、CL-，在重度污染天氣，SO42-和Ca2+、Mg2+出現(xiàn)了明顯的峰值，表明形成霧霾的主要污染物來源是煤燃燒產(chǎn)生，在輕度霧霾天氣，NO3-顯示出較明顯的峰值，表明主要污染物由汽車尾氣以及光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生。
碳組份中的元素碳(EC)和有機碳(OC)也是構(gòu)成霧霾顆粒物污染的主要成分，比例約占10～20％。EC主要來源于汽車尾氣排放、燃料的不充分燃燒過程，OC來源復(fù)雜，基本來源于工業(yè)VOCs的排放、烹飪油煙等，OC多數(shù)與無機鹽構(gòu)成復(fù)雜的細(xì)微顆粒物，部分以凝聚液態(tài)顆粒物的形式存在。大量研究顯示，正常情況下PM2.5占PM10質(zhì)量濃度的55％左右。霧霾的形成是綜合了氣象條件、污染物排放、遷移凝并、光化學(xué)反應(yīng)等復(fù)雜因素的過程，最終的表現(xiàn)形式為消光與能見度見底，可吸入性顆粒物大量增加危害健康。
空氣凈化裝置的重要功能之一是使用過濾器捕集環(huán)境中的顆粒物，降低環(huán)境中的顆粒物濃度，提高環(huán)境空氣質(zhì)量。
在對聚丙烯靜電駐極型過濾器的失效機理研究中，分別采用了KCL與DEHS(癸二酸二異辛酯)產(chǎn)生的氣溶膠進(jìn)行容塵量與過濾效率的變化實驗，結(jié)論是靜電駐極纖維表面被包覆導(dǎo)致的靜電場減弱是過濾效率下降直至失效的主要原因。DEHS是油性顆粒物，被捕集后在纖維表面浸潤、包覆，屏蔽了靜電場，進(jìn)而導(dǎo)致失效，而KCL并不顯著。
荷電捕集型(典型形式為線板式靜電過濾器)過濾器的主要失效機制表現(xiàn)在表面極化與法拉第籠現(xiàn)象。表面極化主要是由高阻抗粉塵引起，法拉第籠現(xiàn)象則由低阻抗或高濕度粉塵引起，兩者都導(dǎo)致集塵器內(nèi)部電場強度降低，進(jìn)而粉塵收集能力下降，這一失效機制在工業(yè)積塵凈化的大量應(yīng)用實踐中已經(jīng)被證實。
由上所述，需要尋求一種接近大氣霧霾成分與粒徑分布、對過濾器的失效機制與使用環(huán)境相符的塵源，用于模擬測試空氣凈化裝置的性能顯得尤為重要。
在內(nèi)燃機、汽車、空調(diào)、吸塵器等領(lǐng)域，人工測試用塵源已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。
1.內(nèi)燃機行業(yè)用空氣過濾器測試粉塵。
ISO 12103-1測試粉塵，使用美國亞利桑那州鹽河谷粉塵研磨分級制成，分為A1～A4四個等級，其中A1為超細(xì)粉體，粒徑分布于1.0～10um。
2.空調(diào)行業(yè)測試用人工粉塵。
設(shè)計用于測試過濾器和加熱、制冷空調(diào)系統(tǒng)的零部件的專用測試粉塵，也被應(yīng)用于電子產(chǎn)品及其他工業(yè)和家用系統(tǒng)的部件測試中。
ASHRAE測試粉塵#1使用72％的ISO 12103-1,A2Fine Test Dust；23％的碳粉和5％的粉碎了的棉絨纖維混合而成。其混合遵照ANSI/ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)52.2-2007的規(guī)定進(jìn)行。
ASHRAE測試粉塵#2系使用93.5％ISO 12103-1,A2Fine Test Dust；6.5％的粉碎了的棉絨纖維混合而成。其混合遵照ANSI/ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)52.2P–Public Review Draft執(zhí)行。
3.其它國家標(biāo)準(zhǔn)：
IEC60512T，專為真空負(fù)壓過濾器測試而合成的試驗粉塵；日本JIS Z8901系列測試用粉塵(以富士山火山灰為基礎(chǔ)塵，破碎分級)。
4.國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)和人工塵
GB/T 14295-2008《空氣過濾器》采用了ASHRA測試粉塵#1。
GB/T 28957.1-2012道路車輛用于濾清器評定的試驗粉塵采用了ISO12103測試粉塵與氧化硅粉塵。
以上人工粉塵設(shè)計應(yīng)用對象基本為工業(yè)過濾器，具有以下特點：
1.小于2.5um(PM2.5)的顆粒物較少，即便是ISO12103A1超細(xì)粉體中也小于30％。
2.設(shè)計目標(biāo)主要是針對纖維堆積類(玻纖、PET纖維)的過濾器。
3.適用于在風(fēng)洞裝置上通過螺桿送料或刮板送料，氣流攜帶方式對指定用途的過濾器進(jìn)行容塵量測試。
因此，以上標(biāo)準(zhǔn)粉體并不適合以凈化PM10特別是PM2.5為主的空氣凈化裝置測試，其粒徑分布與成分同目前的大氣霾粉塵污染有相當(dāng)?shù)牟罹?。目前，由于香煙煙霧材料來源廣泛、發(fā)生方便，所以其被用于空氣凈化裝置的性能測試。香煙煙霧產(chǎn)生于燃燒過程中的氣化-凝并機制，顆粒物的粒徑分布與重量濃度與煙絲成分(焦油含量、水含量)、發(fā)生裝置(供氣量、過程損耗)、環(huán)境條件(濕度)有密切的關(guān)系，幾乎無法構(gòu)成穩(wěn)定的系統(tǒng)，香煙煙霧具有以下特點：
1.粒徑分布：顆粒物粒徑主要分布在0.1-0.6um之間，為復(fù)雜的焦油與水的混合物，與霧霾相差較大。
2.不穩(wěn)定性：顆粒物主要是煙焦油與水的乳化物，存在二次揮發(fā)問題，捕集后仍舊處于揮發(fā)狀態(tài)，成分與形貌處于不斷的變化中。
3.發(fā)生量控制：煙霧發(fā)生受環(huán)境濕度的影響很大，煙絲濕度、裝填密實度、燃燒供氣量、燃燒裝置形式對顆粒物的發(fā)生量的影響難以控制，用于標(biāo)準(zhǔn)測試無法實現(xiàn)重復(fù)性和平行性。
4.顆粒物特性：香煙煙霧在美國標(biāo)準(zhǔn)ANSI AHAM AC-3標(biāo)準(zhǔn)中被表示為油性顆粒物，與針對霧霾凈化的過濾器的積塵特征、失效機制不相符。
5.污染物特性：香煙煙霧不是目前室內(nèi)空氣污染物的主要構(gòu)成，不適于簡單的代表霧霾污染物用于測試空氣凈化裝置的衰減特性等參數(shù)。
在美國AHAM AC-3標(biāo)準(zhǔn)中，香煙煙霧作為油性顆粒物污染源，與ISO12103-1粉塵混合，用于測試空氣凈化器耐久性。
日本JEM1467標(biāo)準(zhǔn)中，認(rèn)為日本的室內(nèi)污染主要由吸煙造成，由此使用香煙煙霧測試過濾器的耐用性，測試出的過濾器壽命一般5～10年甚至更多，現(xiàn)多用于過濾器之間的比較，實際使用中沒有參考意義。
GB/T18801-2015標(biāo)準(zhǔn)中，使用香煙煙霧對空氣凈化器進(jìn)行無差別顆粒物CCM(累積凈化量)測試，測試數(shù)據(jù)缺乏比較意義并且重復(fù)性較差，甚至可能產(chǎn)生誤導(dǎo)(凈化器越大CCM值越高)。
基于以上所述，目前國內(nèi)空氣凈化產(chǎn)品性能測試用模擬塵源存在諸多不足，需要進(jìn)行改進(jìn)，用于準(zhǔn)確評價空氣凈化裝置的性能衰減狀態(tài)，并且該塵源應(yīng)當(dāng)達(dá)到以下要求：
1.產(chǎn)生的氣溶膠無毒、無味、無刺激、無腐蝕。
2.顆粒物不帶有靜電，無需專門的靜電中和裝置。
3.質(zhì)量濃度譜分布、計數(shù)粒徑分布、化學(xué)成分與大氣霾所含粉塵相近。
4.拋射產(chǎn)生的氣體量要小，單次發(fā)生氣體量遠(yuǎn)小于測試艙體積。
5.測試過程中拋射氣體成分不對測試環(huán)境(溫度、濕度)產(chǎn)生影響。
6.發(fā)生裝置可以直接置于測試空間內(nèi)(如3m3測試艙)，避免二次導(dǎo)入產(chǎn)生的損耗。
7.與所測試空氣凈化裝置所用過濾器對顆粒物的失效機制相近。
8.運輸、存儲、使用過程安全、可靠。
另外一個方面，在測試過程中，塵源必須分散在測試艙內(nèi)的空氣中，這就需要使塵源中的顆粒物進(jìn)行分散，而目前使顆粒物分散的方案有以下三種：
第一種：.高速氣流分散拋射：
例如，ANSI AHAM AC-1標(biāo)準(zhǔn)中使用了道路粉塵作為測試顆粒物CADR的方法。通過復(fù)雜的空氣射流設(shè)計，使用預(yù)先凈化、干燥的空氣產(chǎn)生高速氣流，可以將預(yù)設(shè)的粉體分散并拋射到環(huán)境中，形成分散的氣溶膠，此方式存在以下問題：1)適于單一成分、單一粒徑、低濃度的顆粒物分散：霧霾模擬塵由不同粒徑顆粒物的混合體構(gòu)成，粒徑跨度近100倍(0.1um～10um)，幾乎無法設(shè)定分散參數(shù)使得所有粒徑的顆粒物都獲得良好的分散效果。2)使用空氣氣量大：每立方米的空氣攜帶的顆粒物為微克級，對于需要在有限容積的密閉空間進(jìn)行的測試，無法處理多余的空氣。3)需要消除靜電：顆粒物在高速氣流作用下摩擦產(chǎn)生靜電，需要專門去靜電裝置消除靜電后方能用于測試，常用的靜電消除裝置為放射線法，價格昂貴，對顆粒物濃度有嚴(yán)格的限制。
第二種：爆炸分散拋射：
這種方式用于煙霧掩蔽、紅外線遮蔽、人工降雨、滅火等領(lǐng)域，因安全性問題，不適合測試應(yīng)用。
第三種：等離子態(tài)氣體分散拋射：
等離子體顆粒物分散類似于火箭燃料的技術(shù)，為測試火箭噴氣氣流流場狀態(tài)，在燃料中加入具有雷達(dá)反射特性的顆粒物，燃料燃燒時將其噴射到大氣中，通過雷達(dá)測試尾焰煙羽的反射參數(shù)獲得相應(yīng)的參數(shù)資料。等離子體是宏觀上呈電中性的完全電離氣體，組成等離子體的電子和離子都可以自由運動，是導(dǎo)電性很好的良導(dǎo)體。由氧化劑和燃料構(gòu)成的拋射劑在燃燒時形成等離子體形態(tài)的高溫氣體，并產(chǎn)生大量的熱能，在氣體動能和熱能的雙重作用下，顆粒物之間因液橋、靜電、范德華力產(chǎn)生的團聚力被消除，預(yù)混合的顆粒物得到良好的分散，同時通過等離子體的良好導(dǎo)電性能和裝置的適當(dāng)接地處理，消除反應(yīng)中產(chǎn)生的靜電，使得噴射到測試空間的顆粒物分散均勻且不帶靜電。此方案的缺點是不能夠分散并拋射低熔點、易分解、易反應(yīng)的顆粒物。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題就是克服現(xiàn)有測試用模擬塵源產(chǎn)品存在的不足，提供一種空氣凈化產(chǎn)品性能測試用塵源。
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的空氣凈化產(chǎn)品性能測試用塵源采用了如下技術(shù)方案：所述的空氣凈化產(chǎn)品性能測試用塵源包括以下成分：a、模擬地質(zhì)塵的無機塵源；b、可產(chǎn)生二次塵源的拋射劑；c、有機碳和油性顆粒物；所述的拋射劑包括：(1)氧化劑，其采用可在高溫作用下分解產(chǎn)生氧氣的無機鹽；(2)燃燒劑，其采用可同氧化劑反應(yīng)生產(chǎn)氣體的有機化合物。
進(jìn)一步而言，上述技術(shù)方案中，所述的無機塵源采用高溫下化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的無機鹽，為以下粉體材料中的任意一種或者組合：Al2O3、SiO2、Mg3[Si4O10](OH)2、TiO2、CaSO4，粒徑分布0.1～10um。
進(jìn)一步而言，上述技術(shù)方案中，所述的拋射劑中還含有穩(wěn)定劑，其采用可提高氧化劑穩(wěn)定性的無機鹽；所述拋射劑中的穩(wěn)定劑采用以下無機鹽中的任意一種或組合：碳酸氫鈉、碳酸鈉。
進(jìn)一步而言，上述技術(shù)方案中，所述拋射劑中的氧化劑采用以下無機鹽中的任意一種或組合：硝酸鹽、氯酸鹽、高氯酸鹽；所述拋射劑中的燃燒劑采用以下有機化合物中的任意一種或組合：飽和多元醇、糖類、淀粉類化合物。
進(jìn)一步而言，上述技術(shù)方案中，所述拋所述有機碳和油性顆粒物采用以下任意一種油性液體有機物或者組合：有機硅油、導(dǎo)熱油。
本發(fā)明所要解決的第二個技術(shù)問題提供一種上述空氣凈化產(chǎn)品性能測試用塵源的發(fā)生方法。
為解決第二個技術(shù)問題，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案：其采用上述技術(shù)方案中所述的空氣凈化產(chǎn)品性能測試用塵源，所述的塵源混合均勻后被封裝在一個具有噴口容器中，該容器的噴口通過易燃物封裝，通過高溫點燃激發(fā)塵源，即首先將易燃物引發(fā)燃燒，并令塵源產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生等離子態(tài)的高溫氣體，拋射一次塵源并產(chǎn)生二次塵源，所述的一次塵源為模擬地質(zhì)塵的無機塵源,在拋射劑產(chǎn)生的等離子態(tài)氣體的熱能與動能共同作用下，迅速分散并被拋射到測試環(huán)境中；所述的二次塵源是指反應(yīng)過程中產(chǎn)生的顆粒物，包括水溶性堿金屬鹽，用以模擬霧霾塵中的水溶性塵，塵源被等離子態(tài)氣體拋射到測試環(huán)境內(nèi)，形成一定成分與粒徑分布的氣溶膠；所述的二次塵源還包括在拋射劑產(chǎn)生的等離子態(tài)氣體的熱能與動能共同作用下，油性液體被蒸發(fā)氣化，拋射到測試環(huán)境中冷凝形成的細(xì)微顆粒物，用于測試凈化產(chǎn)品的性能。
進(jìn)一步而言，上述技術(shù)方案中，其采用激光器作為激發(fā)塵源的引發(fā)裝置，通過在激光的連續(xù)照射激發(fā)塵源；所述的容器在引發(fā)過程中保持接地狀態(tài)。
本發(fā)明所要解決的第三個技術(shù)問題提供一種上述空氣凈化產(chǎn)品性能測試用塵源的發(fā)生裝置。
為解決第三個技術(shù)問題，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案：該發(fā)生裝置包括：采用化學(xué)惰性材料制作的管體，管體的一端密封，另一端為用于噴射塵源的噴口；所述的管體內(nèi)填充有塵源，于管體的噴口處設(shè)置有易燃物制作的擋片或膜片，通過擋片或膜片將塵源封裝在管體內(nèi)；該發(fā)生裝置還包括一激光引發(fā)裝置，該激光引發(fā)裝置采用激光器，通過激光器產(chǎn)生的激光束照射于擋片或膜片，將其引燃，并激發(fā)塵源由噴口噴射。
進(jìn)一步而言，上述技術(shù)方案中，所述的管體采用不銹鋼材料制作，一端設(shè)置有尾堵，該管體與尾堵壓接形成單端密封結(jié)構(gòu)；所述的噴口處設(shè)置有一噴嘴。
進(jìn)一步而言，上述技術(shù)方案中，所述的擋片或膜片是由硝酸纖維塑料制成；所述的管體直接接地或者設(shè)置有接地線。
本發(fā)明的有益之處在于：本發(fā)明所提供的塵源可以滿足空氣凈化產(chǎn)品性能測試用塵源的要求，在測試空間可發(fā)生穩(wěn)定濃度的顆粒物，同時，本發(fā)明發(fā)生方法采用等離子態(tài)氣體分散拋射方案，具有產(chǎn)氣量小、分散均勻的特點。
另外，本發(fā)明采用發(fā)生裝置，在管體內(nèi)預(yù)設(shè)混合塵源、拋射劑，通過與激光連續(xù)引燃高溫氣體拋射分散，其具有以下優(yōu)點：發(fā)生穩(wěn)定，發(fā)生時間短，產(chǎn)氣量小、顆粒物分散均勻。另外，發(fā)生器體積小，可以直接放入測試艙內(nèi)，避免顆粒物傳輸損耗。
附圖說明
圖1是本發(fā)明中發(fā)生裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明實施例的自然衰減特性測試曲線圖；
圖3是本發(fā)明實施例的粒子計數(shù)粒徑譜分析曲線圖；
圖4是本發(fā)明實施例的粒子計重譜分析曲線圖；
圖5是本發(fā)明實施例中對測試艙的塵源進(jìn)行采樣后使用SEM掃描電鏡放大3000倍的圖片；
圖6是本發(fā)明實施例中對測試艙的塵源進(jìn)行采樣后使用SEM掃描電鏡放大5000倍的圖片；
具體實施方式
本發(fā)明為一種空氣凈化產(chǎn)品性能測試用塵源以及該塵源的發(fā)生方法、裝置。本發(fā)明中，空氣凈化產(chǎn)品性能測試用塵源包括以下成分：
a、模擬地質(zhì)塵的無機塵源；
b、可產(chǎn)生二次塵源的拋射劑；
c、有機碳和油性顆粒物；
所述的拋射劑包括：(1)氧化劑，其采用可在高溫作用下分解產(chǎn)生氧氣的無機鹽；(2)燃燒劑，其采用可同氧化劑反應(yīng)生產(chǎn)氣體的有機化合物；(3)穩(wěn)定劑，采用可提高氧化劑穩(wěn)定的無機鹽。
本發(fā)明的塵源在測試時，拋射到測試空間的顆粒物主要由以下組份構(gòu)成：
1、地質(zhì)塵源：所述的無機塵源采用高溫下化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的無機鹽，為以下粉體材料中的任意一種或者組合：Al2O3、SiO2、Mg3[Si4O10](OH)2、TiO2、CaSO4，粒徑分布0.1～10um；優(yōu)選粒徑分布0.1～2.5um。
2、水溶性離子(硫酸鹽、硝酸鹽、氨鹽)：由拋射劑反應(yīng)產(chǎn)生二次顆粒物表示，主要成分為KCl、NaCl等，粒徑分布0.1um～1.0um。
3、碳組分：分為兩個來源，由拋射劑中的燃燒劑在欠氧平衡狀態(tài)燃燒產(chǎn)生的EC與OC，另外一部分由粉體中混入的高沸點油性有機物蒸發(fā)-凝結(jié)產(chǎn)生的二次顆粒物(類似香煙煙霧)。
本發(fā)明的塵源拋射過程中，隨著局部高溫燃燒-顆粒物分散-氣體拋射-膨脹冷卻的過程，大量的單一或復(fù)合顆粒物被釋放到測試空間，與測試艙內(nèi)空氣混合形成氣溶膠，可以在數(shù)秒內(nèi)發(fā)生數(shù)十至數(shù)百mg/m3濃度的顆粒物，用于空氣凈化裝置的抗衰減性能測試。
在對空氣凈化產(chǎn)品性能測試過程中，用于測試的塵源產(chǎn)生的顆粒物必須處于良好的分散狀態(tài)被擴散到測試艙空氣環(huán)境中，在混合狀態(tài)下(方案中的模擬地質(zhì)塵源)，顆粒物之間因液橋、靜電、范德華力因素作用發(fā)生團聚，需要施加外力消除團聚因素，才能實現(xiàn)良好的分散。
如背景技術(shù)中所述，本發(fā)明采用的是等離子態(tài)氣體分散拋射方式，這種拋射方式中，作為等離子態(tài)氣體分散的拋射劑具有以下作用：
1、通過反應(yīng)形成高溫等離子態(tài)的氣體，提供粉體分散的能量，同時將粉體拋射到測試艙。氣體的主要成分為CO2、H2O。
2、CO2、H2O的凝點遠(yuǎn)低于其它氣體成分，為二次粉體的形成創(chuàng)造環(huán)境條件。
3、為粉體中混入的高沸點油性液體提供熱源，使其蒸發(fā)，冷卻凝并后形成OC。
4、通過反應(yīng)生產(chǎn)二次粉體，如水溶性鹽顆粒、EC和OC等。
本發(fā)明的塵源中，采用的拋射劑包括氧化劑和燃燒劑，由化學(xué)穩(wěn)定良好的物質(zhì)組成，滿足以下要求：
1)低吸濕性，易于分散。
2)氧化劑采用低敏度、安全、耐高溫、含氧量高的化學(xué)物。
3)氧化劑與燃燒劑混合后，可長期存儲。
4)反應(yīng)后氣體的主要成分為CO2、H2O。
本發(fā)明中，氧化劑提供反應(yīng)所需的氧源，產(chǎn)生二次粉體，熱分解物結(jié)構(gòu)簡單。能夠的提供此類作用的無機鹽種類很多，本發(fā)明中，拋射劑中的氧化劑采用以下無機鹽中的任意一種或組合：硝酸鹽、氯酸鹽、高氯酸鹽。經(jīng)過實驗篩選后，采用KClO4(高氯酸鉀)作為氧化劑與二次顆粒物發(fā)生劑。高氯酸鉀，白色粉末或無色斜方晶系結(jié)晶體。密度2.52g/c m3。熔點610℃。微溶于水，不溶于醚。性質(zhì)較氯酸鉀穩(wěn)定，在熔點時會分解為氯化鉀與氧氣，用于炸藥、焰火及安全火柴的生產(chǎn)。KClO4的重要特性是分解過程是吸熱反應(yīng)，且吸濕性低，在適當(dāng)?shù)拟g化劑配合下，使用安全。
燃燒劑與氧氣反應(yīng)產(chǎn)生熱源，釋放大量氣體，平時與氧化劑接觸穩(wěn)定，分解產(chǎn)物簡單，可選擇飽和多元醇、糖類、淀粉類化合物。進(jìn)過實驗測試了糖類、淀粉類、烏洛托品等燃燒劑，發(fā)現(xiàn)甘露醇(C6H14O6)適合被發(fā)明的應(yīng)用，甘露醇屬于飽和多元醇，白色透明的固體，有類似蔗糖的甜味，廣泛應(yīng)用于食品、藥品。甘露醇在糖醇類中吸濕量最小，燃燒分解產(chǎn)物簡單，重要特性是具有很高的相變潛熱(固液相變)，可以控制發(fā)生管內(nèi)的溫度，避免顆粒物產(chǎn)生燒灼熔融團聚。
所述拋射劑中的穩(wěn)定劑采用以下無機鹽中的任意一種或組合：碳酸氫鈉、碳酸鈉。
拋射劑的配方比例設(shè)計采用氧平衡方案，通過實驗確定。
本發(fā)明采用的塵源發(fā)生方法如下：所述的塵源混合均勻后被封裝在一個具有噴口容器中，該容器的噴口通過易燃物封裝，通過高溫點燃激發(fā)塵源，即首先將易燃物引發(fā)燃燒，并令塵源產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生等離子態(tài)的高溫氣體，拋射一次塵源并產(chǎn)生二次塵源，所述的一次塵源為模擬地質(zhì)塵的無機塵源,在拋射劑產(chǎn)生的等離子態(tài)氣體的熱能與動能共同作用下，迅速分散并被拋射到測試環(huán)境中；所述的二次塵源是指反應(yīng)過程中產(chǎn)生的顆粒物，包括水溶性堿金屬鹽，用以模擬霧霾塵中的水溶性塵，塵源被等離子態(tài)氣體拋射到測試環(huán)境內(nèi)，形成一定成分與粒徑分布的氣溶膠，所述的二次塵源還包括在拋射劑產(chǎn)生的等離子態(tài)氣體的熱能與動能共同作用下，油性液體被蒸發(fā)氣化，拋射到測試環(huán)境中冷凝形成的細(xì)微顆粒物，用于測試凈化產(chǎn)品的性能。
上述引發(fā)裝置其采用激光器作為激發(fā)塵源的引發(fā)裝置，通過激光的連續(xù)照射激發(fā)塵源。所述的激光器采用柱形光束整形，光束直徑0.5～2mm，功率0.1～5W。所述的容器在引發(fā)過程中保持接地狀態(tài)，便于靜電的釋放。
本發(fā)明的塵源拋射劑采用了簡單的氧化劑和燃燒劑，為避免顆粒物成分復(fù)雜化和產(chǎn)生刺激性、有毒氣體，拋射劑沒有加入催化劑(如MnO2)、燃燒傳導(dǎo)劑(例如硫磺等)、粘結(jié)劑，以避免產(chǎn)生刺激性氣體和氣體成分復(fù)雜化，但這將影響拋射劑的連續(xù)燃燒穩(wěn)定性，為保證發(fā)生的穩(wěn)定，本發(fā)明采用了激光連續(xù)引燃的工作方式，即激光在引發(fā)到拋射結(jié)束階段始終處于照射狀態(tài)。激光還將提供一步分熱源，有利于顆粒物的分散，同時以激光束為中心的等離子區(qū)域有利于靜電的釋放。
激光引發(fā)后，產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生等離子態(tài)的高溫氣體，拋射一次塵源并產(chǎn)生二次塵源。
一次塵源采用相對粒徑較大的顆粒物，在拋射劑產(chǎn)生的等離子態(tài)氣體的熱能與動能共同作用下，迅速分散并被拋射到測試環(huán)境中。
二次塵源是指反應(yīng)過程中產(chǎn)生的顆粒物，包括水溶性堿金屬鹽，用以模擬霧霾塵中的水溶性塵，通過設(shè)計燃燒條件，產(chǎn)生元素碳(EC)和部分有機碳(OC).另外二次塵源還包括油性顆粒物，通過氣化蒸發(fā)和冷凝獲得，用以模擬大氣霾中的OC部分。
反應(yīng)公式如下：
在激光的照射下，高氯酸鉀氣化并分解成KCL與O2
KClO4＝KCl+2O2
氧氣與甘露醇反應(yīng)，生產(chǎn)二氧化碳和水，并釋放熱量
13O2+2C6H14O6＝12CO2+14H2O
依據(jù)上述反應(yīng)方程，設(shè)計實際氧氣供給量為理論需求量的90-98％(欠氧平衡)，反應(yīng)過程中甘露醇存在不完全燃燒現(xiàn)象，產(chǎn)生部分EC與OC成分
有機碳(OC)還包括油性成分的氣化-凝并顆粒物產(chǎn)物，加入的油性物質(zhì)為低凝點、高沸點、高閃點、高燃點、低蒸汽壓的油性有機物，特別指硅油類的二甲基硅油，被產(chǎn)生的高溫氣體氣化后，拋射測試環(huán)境中，快速凝并成微小的油滴。二甲基硅油具有抗氧化、閃點高、揮發(fā)性小、對金屬無腐蝕、無毒等特點，同時可以消除固體顆粒物的攜帶的靜電。
本發(fā)明為了更好的控制塵源的發(fā)生，還提供了一種專用于該塵源發(fā)生的裝置，見圖1所示，該發(fā)生裝置包括：采用化學(xué)惰性材料制作的管體1，管體1的一端密封，另一端為用于噴射塵源2的噴口11；所述的管體1內(nèi)填充有塵源2，于管體1的噴口11處設(shè)置有易燃物制作的擋片或膜片3，通過擋片或膜片3將塵源2封裝在管體1內(nèi)；該發(fā)生裝置還包括一激光引發(fā)裝置4，該激光引發(fā)裝置4采用激光器，通過激光器產(chǎn)生的激光束照射于擋片或膜片3，將其引燃，并激發(fā)塵源2由噴口11噴射。
具體而言，管體1采用化學(xué)惰性的不銹鋼管制成，其作為反應(yīng)容器。在管體1的一端設(shè)置有尾堵12，該管體1與尾堵12壓接形成單端密封結(jié)構(gòu)。尾堵12可采用鋁合金車削加工制成。在管體1的噴口11處設(shè)置有一噴嘴5，該噴嘴5內(nèi)嵌固定在噴口11處，噴嘴5呈環(huán)狀，其具有收縮噴口11的功效，作用是保持管體1內(nèi)壓力，形成穩(wěn)定溫度，同時噴嘴5還可控制噴口11氣流速度，輔助固體顆粒物的分散，控制氣流的擴散方式與溫度變化時間，進(jìn)而控制二次顆粒物的粒徑分布。擋片或膜片3適用于將噴口11密封，其通常由易燃的塑料片構(gòu)成，當(dāng)其被激光引發(fā)裝置4引發(fā)后被燒灼氣化。優(yōu)化的，所述的擋片或膜片3是由硝酸纖維塑料制成，即賽璐珞材料可以符合要求。另外，為了便于靜電的釋放，所述的管體1設(shè)置有接地線6。
使用時，將本發(fā)明的塵源2裝填在管體1內(nèi)，通過管體1的體積來保持塵源2的額定量，令作為塵源的混合粉體以一定的填裝密度、穩(wěn)定的參數(shù)被引發(fā)，保持引發(fā)后的工作狀態(tài)。
實施例
參見圖1所示，并依據(jù)下表制作的塵源2，精密稱量1g裝填于一端封閉的內(nèi)徑7mm不銹鋼管的管體1中，裝填密度為1.6g/c m3，置于85度烘箱內(nèi)烘干12小時，擋片3用賽璐珞塑料片(0.2mm)和熱熔石蠟將噴口11封閉，形成測試用發(fā)生管。
1、發(fā)生量與穩(wěn)定性測試：
將制成的管體1置于接地的金屬支架上(或直接通過導(dǎo)線接地)，距離300mm同軸放置激光發(fā)生器4，構(gòu)成發(fā)生裝置。將發(fā)生裝置置于30m3的測試艙中，距離地面高度700mm，調(diào)整測試艙內(nèi)的背景，符合GB/T18801《空氣凈化器》標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)規(guī)定。啟動攪拌風(fēng)扇并運轉(zhuǎn)平穩(wěn)后，利用激光發(fā)生器4引發(fā)管體1內(nèi)的塵源2，再保持?jǐn)嚢栾L(fēng)扇運行1分鐘后，將風(fēng)扇關(guān)閉。
關(guān)閉攪拌風(fēng)扇1分鐘后，使用β射線法大氣顆粒物濃度自動檢測儀(MET ONE BAM-1020)，每分鐘檢測一次測試艙內(nèi)PM10顆粒物質(zhì)量濃度，連續(xù)檢測10組，以其平均值計算30m3測試艙內(nèi)顆粒物總質(zhì)量，等效為單支管體1內(nèi)基準(zhǔn)顆粒物發(fā)生量?；鶞?zhǔn)發(fā)生量測試參見下表。
對上表中測試數(shù)據(jù)分析表明，在基準(zhǔn)裝填條件下，10只發(fā)生管的PM10平均發(fā)生濃度為12.56mg/m3，平均誤差1.1％，最大誤差2.3％。所包含的PM2.5比例平均值為65.2％，平均誤差1.2％，最大誤差2.7％。PM10的總發(fā)生量為376.4±10mg/只，PM2.5的總發(fā)生量245.4±7mg/只。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，使用本發(fā)明的方法，可以產(chǎn)生穩(wěn)定重量的PM10、PM2.5氣溶膠。
2、自然衰減特性測試
在PM10背景濃度小于0.1mg/m3，溫濕度符合實驗要求的30m3密閉測試艙內(nèi)，啟動均流風(fēng)扇，發(fā)生一只裝填量為1g的塵源，保持風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)1min，關(guān)閉風(fēng)扇，使用β射線計重分析儀(MET ONE BAM-1020)連續(xù)測試并記錄艙內(nèi)PM10與PM2.5濃度30min。測試結(jié)果見下表。
參見圖2所示，發(fā)生的顆粒物由于沉降、倉壁吸附、團聚、自然生長等因素，會產(chǎn)生質(zhì)量衰減、粒徑譜變化，進(jìn)而導(dǎo)致測試結(jié)果變化。對連續(xù)測試數(shù)據(jù)分別進(jìn)行線性擬合、移動平均濾波處理，消除測試誤差，計算衰減率，兩者的衰減比率基本相同，PM10顆粒物30min的衰減約為1.6％，PM2.5顆粒物的衰減約為3.5％。
3、成分分析
采用上述分析中的發(fā)生方式，使用PTFE(聚四氟乙烯)0.3um濾膜對測試艙內(nèi)氣體采樣，采用元素分析儀、總碳分析儀進(jìn)行收集的顆粒物成分分析。
1)地質(zhì)塵：以預(yù)先混入的顆粒物成分為主，約20％
2)二次塵水溶性鹽：以KCl為主，約65％
3)二次塵元素碳與有機碳：以硅油顆粒物為主，約15％。
4、粒徑譜分析
4.1粒子計數(shù)粒徑譜分析
使用粒子濃度稀釋器、粒徑譜儀，對分析1中的艙內(nèi)氣體進(jìn)行計數(shù)分析，對比分析香煙煙霧的計數(shù)粒徑譜：
參見圖3所示，測試數(shù)據(jù)表明，測試塵的粒徑分布更接近于大氣霧霾顆粒物的實際粒徑分布。
4.2粒子計重譜測試
參見圖4所示，使用多級分割沖擊采樣器，對分析1中的艙內(nèi)氣體進(jìn)行采樣，精密稱重各粒徑段的采樣載體重量變化，得出圖4中顯示的粒徑計重譜圖。該測試數(shù)據(jù)表明，粒子計重譜分布接近200ug/m3霧霾污染環(huán)境下的計重譜分布。
5、靜電特性分析
在30m3測試艙內(nèi)，使用負(fù)離子測試儀(DLY-3AIR ION COUNTER)，顆粒物計重濃度測試儀TSI8530(PM10切割器)在清理背景(符合AHAM AC-1測試條件)的測試艙內(nèi)，測試背景濃度與顆粒物計重，然后按分析1發(fā)生一只裝填量1g測試管，測試1、5、10分鐘時間點的顆粒物濃度與帶電粒子計數(shù)，測試結(jié)果見下表。
上述測試數(shù)據(jù)表明，在背景濃度下，荷電帶電離子的數(shù)量為70/cm3，基本屬于儀器自身背景噪聲，塵源發(fā)生1min后，顆粒物計重濃度上升了500倍，但帶電粒子計數(shù)僅僅上升了4倍，基本可以忽略。在5、10分鐘點的數(shù)據(jù)同樣可以忽略帶電粒子數(shù)的增加。由此可以證實，采用激光引發(fā)等離子態(tài)氣體拋射的顆粒物，其粒子的帶電特性為中性，不會對過濾器的效能產(chǎn)生影響。
6、顆粒物形貌
參見圖5、6所示，其是使用PTFE采樣膜，對發(fā)生于30m3測試艙的塵源進(jìn)行采樣，使用SEM掃描電鏡放大3000倍、5000倍拍攝圖片。
圖片中可見粒徑0.1um至5um左右的顆粒物，包括以單獨或團聚形式出現(xiàn)的地質(zhì)塵，以更小粒度顯示的二次塵，包括堿金屬鹽與油性液滴。
以上測試表明，依據(jù)本發(fā)明制成的空氣凈化產(chǎn)品性能測試用塵源在成分、粒徑分布、粒徑計重譜分布、靜電特性、自然沉降特性、發(fā)生量的一致性方面能夠滿足空氣凈化產(chǎn)品的測試需求。
當(dāng)然，以上所述僅為本發(fā)明的實施例是最佳實施例而已，并非來限制本發(fā)明實施范圍，凡依本發(fā)明申請專利范圍所述構(gòu)造、特征及原理所做的等效變化或修飾，均應(yīng)包括于本發(fā)明申請專利范圍內(nèi)。
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