0 引　言

固体或液体颗粒容易分散到空气中形成相对稳定的颗粒气溶胶。气溶胶由于颗粒较小，容易被人体吸入而造成危害^[1-4]，因此很多场合需要及时监测空气中颗粒物气溶胶的浓度或组分。气溶胶的危害是和粒径密切相关的，一般粒径越小，危害越大。环保领域根据颗粒物动力学粒径特征，把分别能通过人体呼吸进入人体鼻子、肺部或血液的粒子，称为PM₁₀、PM_2.5和PM₁。

在监测颗粒物气溶胶时，有必要将不同粒径的颗粒气溶胶分开采集和检测。PM₁₀、PM_2.5和PM₁切割器是环保领域常见的粒径分级器^[5]，在额定流量下，分别能使得动力学粒径大于10 μm，2.5 μm和1.0 μm的粒子通过率小于50%，粒径越大，通过率越低。粒径分级器可以单级使用，也可以多级按筛分粒径由大到小串联使用，例如安德森多级撞击采样器、撞击式PM_2.5或PM₁切割器等^[6]。目前，串联式切割器的计量评价缺乏相关的标准和规程规范，也鲜有文献报道^[7]，其一大难点是单级和多级串联后的评价结果的差异。

为了探索串联对切割器性能的影响，从而建立串联式切割器的评价方法，本研究选择串联模式最为简单的PM₁₀-PM_2.5切割器为研究对象，即撞击式的PM₁₀切割器和气旋式PM_2.5切割器串联，通过PM₁₀切割器将大粒径粒子筛除，避免偶尔大颗粒的进入对PM_2.5监测结果有大的干扰。

本课题组在前期已搭建了基于静态箱法的切割器评价系统，并在此基础上进行PM₁、PM_2.5和PM₁₀切割器的评价^[8-9]，揭示了几种国产非国标法颗粒物切割器现状^[10]，研究了采样流量对PM_2.5切割器捕集效率的影响，还通过混合粒径颗粒物、多分散颗粒物等^[11-12]改进和提升了切割器评价效率和准确性，并将该方法推广用于生物气溶胶采样器采样物理效率的评价研究^[13]。

由于多级串联中，上一级的粒径分级效果对进入下一级的颗粒物粒径分布有影响。因此，为了模拟不同的串联效果产生不同的颗粒粒径分布差异，本研究选用三种不同粒径分布范围的颗粒物，包括多分散的ISO超细粉尘、两种Da₅₀不同的多分散聚苯乙烯微球，分别对进口和国产的两个PM_2.5切割器进行评价，并对比评价结果。

1 实验方法 1.1 捕集效率曲线

本研究采用静态箱法颗粒物气溶胶模拟仓，将不同种类的颗粒物粒子雾化形成浓度足够均匀、稳定的气溶胶，再将待评价的切割器放置在测试舱内，通过TSI 3321空气动力学粒径谱仪检测切割器前、后的颗粒物浓度变化，计算得到各粒径对应的捕集效率^[14]，并以粒径为横坐标，捕集效率为纵坐标，拟合得到捕集效率曲线，获取50%切割粒径的值Da₅₀，并按下式计算曲线的几何标准偏差σ_g。

其中：Da₁₆、Da₅₀、Da₈₄分别为捕集效率为16%、50%、84%时对应的空气动力学当量粒径。

1.2 不同颗粒物的粒径分布

使用空气动力学粒径谱仪，测量三种颗粒物粉尘雾化形成的颗粒物气溶胶的粒径分布，如图1所示，分别对应尘1：ISO A1超细粉尘，根据ISO 12103—1 ^[15]，A1超细试验粉尘空气动力学粒径范围为0~10 μm，Da₅₀为1.82 μm；尘2：Da₅₀为2.67 μm的多分散聚苯乙烯微球，和尘3：Da₅₀为7.73 μm的多分散聚苯乙烯微球的粒径分布图。从粒径谱图可以看出，这三种颗粒物粒径分布范围有较大差异。

2 测量结果 2.1 串联PM₁₀切割器对PM_2.5切割器捕集效率的影响

前期研究表明，基于静态箱-空气动力学粒径谱仪的PM_2.5切割器评价方法中，使用混合聚苯乙烯微球^[11]，或多分散A1尘^[12]，评价得到的PM_2.5切割器结果与依据HJ93—2013中8种单分散聚苯乙烯微球评价得到的结果基本一致，但是检测效率提高87.5%。而且单分散微球的粒径分布单一，未能有效反应粒径分布对切割器捕集效率曲线的影响，因此本研究采用多分散ISO A1尘或多分散聚苯乙烯微球进行检测。以Da₅₀为2.67 μm的多分散聚苯乙烯微球分别对串联PM₁₀切割器前后的PM_2.5切割器进行评价，结果如图2所示。不管是进口还是国产的PM_2.5切割器，串联前后两条捕集效率曲线基本重合，说明串联PM₁₀切割器后对PM_2.5切割器捕集效率几乎无影响。

以上测试结果的具体数据如表1所示，两种情况的Da₅₀相对标准偏差分别为0.7%和0.5%，可见是否串联PM₁₀切割器对PM_2.5切割器的捕集效率曲线影响非常小。

串联PM₁₀切割器后，进入PM_2.5切割器的颗粒物粒径分布会发生变化，如图3所示。因为PM10切割器对应的Da₅₀为10 μm左右，所以它对10 μm附近的大颗粒的筛分效果比较明显，而对4 μm以下的小粒径颗粒物基本没有筛分功能。相比之下，从图3可以看出，PM_2.5切割器对4 μm以上的大粒径筛分去除效率接近100%，HJ 93—2013对PM_2.5切割的检测^[14]，也是选用4 μm以下的颗粒物进行测试。因此，串联PM₁₀切割对PM_2.5切割器的捕集效率曲线基本没有影响，也可能是由于PM₁₀和PM_2.5两个切割器筛分的粒径范围离得远，完全错开引起的。

2.2 不同粒径分布对PM_2.5切割器捕集效率的影响

因为多级串联的效果，是通过上一级对粒径的筛分，对进入下一级的颗粒物气溶胶粒径分布产生影响。由于PM₁₀切割器能筛分的粒子，正好落在下一级PM_2.5切割器完全筛分去除的范围内，由多级串联引起的效果不明显。因此，本研究采用三种粒径分布很不同，但是与PM_2.5切割器筛分粒径范围有较多重叠的颗粒物，模拟不同类型粒径分级器的筛分效果，来验证进口和国产的两个PM_2.5切割器捕集效率曲线在不同情况下的测试结果，结果如图4所示。

以上测试结果的具体数据如表2所示。这三种颗粒物对切割器的Da₅₀和几何标准偏差的评价结果重复性较好，Da₅₀的相对标准偏差分别为0.6%和0.8%，可见即使颗粒物粒径分布很不同，对PM_2.5切割器捕集效率曲线的影响非常小。

3 结束语

具有不同粒径筛分功能的粒径分级器经常串联一起，从而实现对空气中不同粒径大小的粒子进行筛分，在环保领域有广泛应用。目前串联式切割器缺乏评价标准和方法，本研究以串联模式最简单的PM₁₀-PM_2.5切割器为例，研究了串联PM₁₀切割器前后对PM_2.5切割器捕集效率的影响，结果发现几乎没有影响。

为了验证并非PM₁₀和PM_2.5两种切割器筛分粒径区间正好错开才导致串联没有影响，通过Da₅₀分别为1.82 μm、2.67 μm和7.73 μm的多分散ISO A1尘和多分散聚苯乙烯微球，模拟不同类型粒径分级器在2.5 μm附近产生显著粒径分布差异，并检测了对进口和国产两种PM_2.5切割器捕集效率曲线的影响。结果表明，不同的颗粒物粒径分布对PM_2.5切割器捕集效率没有影响。因此，PM_2.5切割器的捕集效率曲线是该切割器独立的计量特性，不随环境颗粒物粒径分布变化，也不因为是否串联PM₁₀切割器而变化。

因此，在串联式切割器（或分级器）评价过程中，单级切割器的捕集效率曲线特征不会受多级串联而改变。因为单级切割器的结构相对简单，而且采集前的粒径分布好调节，粒子浓度有保障，所以优先推荐单级评价的方法。这对于多级安德森撞击采样器、多级撞击式PM₁₀/PM_2.5/PM₁切割器的检测评价，具有重要的参考意义。