酷尔森：用空气动力学对气溶胶颗粒进行分类

一种提高空气过滤介质比较大渗透粒径测量精度的技术

尺寸分辨的颗粒穿透测量是理解气溶胶颗粒与空气过滤器相互作用的关键。这些测量可以揭示关于颗粒捕获的不同机制的相对影响的有价值的见解，并用于确定过滤介质的穿透性颗粒尺寸（MPPS）。在不带电介质中，小于MPPS的颗粒的沉积主要受扩散的影响，而较大颗粒的捕获主要受拦截和撞击的影响（带静电的过滤器也可以通过感应电荷力捕获不带电颗粒，通过库仑力捕获带电颗粒）。

过滤介质旨在促进空气中的颗粒与单个纤维或孔隙之间的高水平相互作用-目的是比较大限度地捕获用于供暖，通风和空调（HVAC）系统和个人防护设备（PPE）等应用的污染物，污染物和病原体。

多分散气溶胶和扫描仪器可用于通过粒径测定过滤效率，但使用单分散气溶胶和粒子计数器通常可实现更高的精度和可重复性。“单分散”是指颗粒理想地具有完全相同的尺寸，但实际上它们窄地分布在尺寸设定点周围（通常几何标准偏差小于1.2）。可以直接产生单分散气溶胶（例如，使用冷凝法），或者可以使用颗粒分级器来获得粒度切割：产生多分散气溶胶（例如，使用喷雾器），其被分级以获得单分散气溶胶。分类器方法为从一系列气溶胶源中选择颗粒尺寸提供了更大的灵活性，并在测试过程中更快地调整尺寸设定点。

如果气溶胶粒子都是球形的，并且具有相同的材料密度，则可以直接通过其物理直径来定义粒子的大小。在现实中，颗粒的组成和形态可以有很大的不同，这取决于气溶胶是如何产生的以及随后可能发生的任何化学或物理过程。因此，颗粒尺寸由等效度量来定义，在这种情况下，等效度量由颗粒分类器的操作原理来确定。

l图：E10过滤介质

“潜在的重要误差源是较大的多电荷粒子的传输，该多电荷粒子具有与选定尺寸的单电荷粒子相同的电迁移率。因此，DMA输出中的颗粒是单流动性的，但并不总是单分散的，这可能会影响过滤器渗透测量。”

分类器技术

多年来，气溶胶科学家一直使用差分迁移率分析仪 （DMA） 等电迁移率仪器来对粒径进行分类。DMA 根据颗粒的电迁移率当量直径对颗粒进行分类。迁移率直径对于分析扩散和静电的粒子传输非常重要。在 DMA 中，在色谱柱上施加电场以感应出已知的静电力，使带电粒子在平行护套流上漂移并承受相反的阻力（图 1）。正是这些相反的静电力和阻力的比率决定了所选粒子的迁移率。

图 1：DMA 色谱柱的横截面

在使用放射性或 X 射线中和器装置进入 DMA 色谱柱之前，必须对气溶胶进行电荷调节（“中和剂”一词可能具有误导性：颗粒处于平衡电荷分布，而不是完全中性）。DMA 设计用于传输正极性或负极性的单电荷粒子；这意味着传输效率受到中和器中充电效率的限制（随着颗粒变小，未充电的比例更高）。

潜在的重要误差源是较大的多电荷粒子的传输，该多电荷粒子具有与选定尺寸的单电荷粒子相同的电迁移率。因此，DMA输出中的颗粒是单流动性的，但并不总是单分散的，这可能会影响过滤器渗透测量。自 2016 年以来，可以使用空气动力学气溶胶分类器 （AAC） 按颗粒的空气动力学当量直径进行分类。空气动力学直径定义为密度为 1000 kg m-3 的球形颗粒的直径，该球形颗粒的末端沉降速度与目标颗粒具有相同的末端沉降速度。当拦截和惯性很重要时，它是与粒径相关的指标，例如呼吸沉积、大气寿命和沉降，以及过滤器、旋风分离器和撞击器的颗粒收集。

AAC使用具有护套流的旋转同心圆柱体在每个采样的颗粒上产生已知的离心力和阻力（图 2）。它可以被认为是将 DMA 转换为旋转框架;有轴向护套流，但径向力是离心力而不是电力。这意味着不依赖于气溶胶充电状态，也不需要使用上游中和器设备。小于所选空气动力学直径设定值的颗粒仍夹带在护套流中，而较大的颗粒则影响外圆柱体的内壁。该技术的优点是它可以产生真正的单分散气溶胶，并且其传输效率高于 DMA，因为它只受颗粒损失的限制，而不受颗粒电荷分数的限制。

图 2：AAC 旋转气缸的横截面。

AAC 气缸的最大转速为 7,000 rpm，这将可分类的小空气动力学直径设置为大约 25 nm（确切数字取决于护套流量和尺寸切割的分辨率）。如果使用具有高材料密度的颗粒，则 AAC 可以实现更小的迁移率等效直径。根据色谱柱和流量的配置，DMA 可以对低于 10 nm 的迁移率直径进行分类（短色谱柱设计可为 1 nm），但由于静电击穿前的最大电压，上限通常为 <1 微米。AAC 的上限（由小稳定转速决定）为 >5 微米，可用于表征低效 HVAC 和 PPE 过滤介质的过滤性能，以及光学粒子计数器 （OPC） 的校准。

确定MPPS

ISO 29463 于 2011 年制定，是高效空气过滤器的国际标准。它源自 EN 1822，该标准将 MPPS 定义为认证 H 和 U 过滤器等级的基本标准。ISO 29463 第 2 部分涵盖了 DMA 对雾化器颗粒进行分类的作，以及用于测量被测过滤器样品两侧颗粒数的冷凝粒子计数器 （CPC）。使用CPC可确保在MPPS的预期范围内检测到小的粒径（根据ISO 29463，对于H和U级的未带电玻璃纤维介质，这可以是120-250 nm，对于PTFE膜，这可以低于100 nm），这通常低于OPC的小可检测尺寸。

在今年 AFS Filtcon 会议上报告的实验中，交替使用 AAC 和 DMA 来测量分类颗粒通过高效空气过滤器样品的渗透力（图 3）。ISO 29463 第 3 部分涵盖了尺寸分辨率颗粒穿透平板介质的测量，该部分规定至少六个近似对数等距的颗粒尺寸以构建小效率曲线。雾化测试气溶胶是未稀释的二乙基己基癸二酸酯 （DEHS），它由材料密度略低于 1000 kg m-3 的球形颗粒组成。这意味着空气动力学和机动性等效直径彼此接近，并且很容易在两个尺寸指标之间进行转换以计算每个分类器上的等效设定点。

图3

虽然E10在ISO 29463中没有需要测量MPPS的等效等级，但效率低于H和U等级，这意味着过滤数据中的伪影可以更清楚地显示出来。

DMA 输出中的多个电荷伪影会对计算出的特定迁移率直径下的颗粒穿透力产生明显影响，具体取决于尺寸切割相对于雾化器输入分布峰值和过滤介质的 MPPS 的位置。当颗粒从输入分布的左肩进行分类时，误差往往比较大，在峰上绘制多电粒子，并且该迁移率设定点位于 MPPS 或略低于 MPPS（这取决于通过过滤器的流速和过滤介质属性）。在 EN 1822 E10 过滤介质上的测试中，两种分级器之间出现了明显差异（图 4）。虽然 E10 在 ISO 29463 中没有需要测量 MPPS 的等效等级，但效率低于 H 和 U 等级，这意味着过滤数据中的伪影可以更清楚地显示出来。

图 4：分类颗粒穿透结果和200 nm 设定点下DMA 输出的扫描（显示更大的多电荷颗粒）。

AAC和DMA之间的结果只在测试粒径范围的上限附近获得一致性，并在DMA色谱柱的上游安装了冲击器，以尽量减少较大的多电荷颗粒的传输。然而，对于低于几百 nm 的移动性直径设定点，这种措施变得不切实际，因为需要通过冲击器的更高流量和/或更窄的喷嘴，这可能会导致下游的显着压降（这会影响 CPC 的计数精度，并导致难以确保通过过滤介质的一致流速）。

ISO 29463 第 2 部分中的建议是调整雾化器的尺寸分布以适应所选的移动性直径。在这种情况下，在挥发性溶剂（例如异丙醇）中稀释DEHS会由于溶剂的蒸发而减小输入分布的大小。目的是对 DMA 在分布右侧足够远的颗粒进行分类，以便较大的多电荷颗粒位于尾部，从而减少数量。在实践中，这意味着可能需要一系列雾化器，溶剂中气溶胶物质的浓度范围不同，以覆盖感兴趣的粒径范围。如果按空气动力学直径分类，则消除了这种担忧，单个雾化器就足够了。

粒子电荷分布（Particle Charge Distribution）

由于 DMA 输出只包含带电粒子，因此下游需要中和剂，以便在入射到过滤介质上的气溶胶上规定平衡电荷分布。这需要在设置中，除了安装在 DMA 色谱柱前面的中和器外，还需要在设置中使用第二个中和器。由于在 AAC 之前不需要中和剂，因此只使用 AAC 进行进一步测试，有和没有下游中和剂（即在过滤介质之前），并表征雾化 DEHS 测试气溶胶的电荷状态。这些测量表明，未稀释的DEHS雾化产生的电荷相对较少，并且在未调节和中和的颗粒之间获得了密切的过滤数据（图5）。因此，如果使用未稀释的DEHS雾化测试气溶胶并按空气动力学直径分类，则对于未带电的过滤介质，可以合理地完全省略中和剂。由于放射性中和剂有严格的许可要求，考虑到测试地点的可用资源以及健康和安全法规，这可能大有裨益。

图 5：按AAC 分类的雾化DEHS 颗粒中不带电颗粒分数的测量值，两种不同过滤器等级的效率结果非常一致。

此外，AAC 的传输效率显着提高（与 DMA 不同，颗粒传输不受电荷分数的限制），这意味着可以获得更高浓度的真正单分散测试颗粒。这对于测试全尺寸 HVAC 滤芯很重要，对于 U 级过滤介质的生产线测试也很重要（如 ISO 29463 第 3 部分附录 B 中所述），当介质可能只受到分类接近 MPPS 的单分散颗粒的挑战时。