Dekati公司ELPI+顆粒物分析儀介紹和應(yīng)用

芬蘭Dekati公司HR-ELPI+高分辨率顆粒物分析儀是一款實(shí)時(shí)測(cè)量顆粒物粒徑分布、質(zhì)量濃度的在線儀器。 它的工作原理基于荷電、低壓撞擊、電荷測(cè)量三個(gè)部分。顆粒物被荷電器充上一定水平的電荷，其后在低壓串聯(lián)的撞擊器內(nèi)依照空氣動(dòng)力學(xué)粒徑分級(jí)收集。串聯(lián)撞擊器間絕緣，并各自連接靈敏靜電計(jì)，測(cè)量其收集顆粒物產(chǎn)生的電流值。每一 級(jí)電流值與顆粒物粒子數(shù)成正比。 HR-ELPI+將 6nm-10μm 顆粒分為 14 級(jí)。前 13 級(jí)測(cè)量 17nm-10μm顆粒，每一 級(jí)收集的顆粒物可用于后續(xù)化學(xué)分析。后一 級(jí)為過(guò)濾段，測(cè)量 6nm-17nm 顆粒。

Dekati公司HR-ELPI+顆粒物分析儀技術(shù)參數(shù)

額定流速： 10L/min

粒徑分布： 0.006-10μm

分級(jí)數(shù)： 14（電荷測(cè)量）+預(yù)分離級(jí)

采樣頻率： 10Hz

環(huán)境溫度： 10-35℃

環(huán)境濕度： 0-90%（無(wú)凝結(jié)）

樣品氣溫度： < 60℃

重量： 主機(jī) 15Kg；荷電-撞擊單元 7Kg

主機(jī)尺寸： H400×W420×D220(mm)

撞擊器： Ф65×300mm

入口： G3/8″螺紋；G3/8″/ NW16 與 G3/8 軟管連接

出口： G3/8″螺紋；G3/8″ / NW16 連接頭

電源： 100-250v，50-60HZ，200W

荷電器電壓： 3.5±0.5KV

荷電器電流： 1μA

撞擊器出出口壓力： 40mbar

流速要求： 16m3/h，推薦值 225 m3/h(400mbar，abbs.)

Dekati公司HR-ELPI+顆粒物分析儀工作原理

Dekati公司HR-ELPI+顆粒物分析儀應(yīng)用

?半導(dǎo)體行業(yè)?：在半導(dǎo)體制造過(guò)程中，ELPI+用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和測(cè)量外延生長(zhǎng)反應(yīng)器中的顆粒物濃度和分布。由于半導(dǎo)體制造需要在高溫、高真空環(huán)境下進(jìn)行，且使用腐蝕性和爆炸性氣體，傳統(tǒng)的測(cè)量方法難以實(shí)施。ELPI+能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量6nm至10um粒徑的顆粒物，具有廣泛的粒徑測(cè)量范圍和快速反應(yīng)時(shí)間，適用于這種極端環(huán)境?。

?燃燒學(xué)研究?：ELPI+可以用于燃燒過(guò)程中顆粒物的生成和排放研究。通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量顆粒物的粒徑分布和濃度，研究人員可以更好地理解燃燒過(guò)程中的顆粒物形成機(jī)制，優(yōu)化燃燒條件，減少污染物排放?。

?環(huán)境監(jiān)測(cè)?：ELPI+可以用于室外和室內(nèi)環(huán)境的顆粒物監(jiān)測(cè)。通過(guò)測(cè)量顆粒物的粒徑分布和濃度，可以幫助評(píng)估空氣質(zhì)量，監(jiān)測(cè)環(huán)境污染，并提供相關(guān)數(shù)據(jù)支持環(huán)境保護(hù)和政策制定

Dekati公司HR-ELPI+顆粒物分析儀/荷電低壓沖擊器應(yīng)用

南開(kāi)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 天津市城市交通污染防治研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心有限公司、天津市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心等專(zhuān)家和研究學(xué)者學(xué)者芬蘭Dekati公司ELPI+顆粒物分析儀進(jìn)行了科學(xué)研究。以下是他們發(fā)表在環(huán)境科學(xué)（Environmental Science）第43卷第10期 2022年10月研究論文的部分引用。

“近年來(lái), 由于機(jī)動(dòng)車(chē)保有量持續(xù)增長(zhǎng), 城市空氣質(zhì)量改善面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn).多個(gè)城市的顆粒物來(lái)源解析表明, 機(jī)動(dòng)車(chē)排放已經(jīng)成為城市顆粒物的重要來(lái)源, 甚至是第 一大污染源傳統(tǒng)燃油車(chē)對(duì)顆粒物的貢獻(xiàn)不僅來(lái)源于尾氣排放, 還來(lái)源于輪胎磨損和制動(dòng)磨損等非尾氣排放.隨著機(jī)動(dòng)車(chē)第六階段(國(guó)Ⅵ)排放標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施和新能源汽車(chē)的大力推廣, 尾氣排放量將呈現(xiàn)下降趨勢(shì), 這進(jìn)一步凸顯了非尾氣排放的重要性.

制動(dòng)磨損顆粒物(brake wear particles, BWPs)是由剎車(chē)片/墊和剎車(chē)盤(pán)/鼓的磨損產(chǎn)生的. BWPs中大約有35%~55%會(huì)釋放到空氣中, 其余部分則粘附在制動(dòng)器表面或沉積在路面上.隨著機(jī)動(dòng)車(chē)行駛, 粘附的顆粒物會(huì)被重新釋放, 而車(chē)輛運(yùn)動(dòng)引起的湍流會(huì)將沉積在路面上的顆粒物再懸浮于空氣中.有研究表明, BWPs占非尾氣相關(guān)PM10的16%~55%, 占交通相關(guān)PM10的11%~21%, 是非常重要的城市顆粒物來(lái)源.

BWPs的化學(xué)組分主要取決于剎車(chē)片的材質(zhì), 具有多樣性和復(fù)雜性, 甚至駕駛習(xí)慣也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響.有研究發(fā)現(xiàn), BWPs載帶著很多有毒性的重金屬, 對(duì)人體有潛在的健康風(fēng)險(xiǎn), 比如Ba、Mg、Mn、Ni、Sn、Cd、Cr、Ti、K和Sb等元素均在BWPs中被檢出.此外, 還有研究分析了BWPs中碳組分的含量, 結(jié)果顯示有機(jī)碳(OC)含量較高.

基于顆粒物組分的源解析, 是精準(zhǔn)治理城市大氣污染的重要技術(shù)手段.然而, 目前對(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)排放BWPs組分的了解還不夠充分, 特別是對(duì)碳組分和多環(huán)芳烴(polycyclic aromatic hydrocarbons, PAHs)的研究甚少, 更鮮見(jiàn)有分析制動(dòng)過(guò)程中揮發(fā)性有機(jī)物(volatile organic compounds, VOCs)的報(bào)道.基于此, 本研究利用制動(dòng)慣性實(shí)驗(yàn)臺(tái), 采集了6種類(lèi)型的剎車(chē)片磨損顆粒物, 并收集了制動(dòng)過(guò)程中的氣體樣品, 以期獲得完整的BWPs成分譜和VOCs構(gòu)成.

本研究利用TS102B型制動(dòng)慣性實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)車(chē)輛制動(dòng)過(guò)程進(jìn)行模擬, 并設(shè)計(jì)了一個(gè)L(500 mm)×W (600 mm)×H1 000 mm的密封采樣箱, 采樣裝置如圖 1所示.采樣箱的入風(fēng)口加裝帶有活性炭吸附劑的高效過(guò)濾器(HEPA H13), 以減少背景環(huán)境的影響; K型熱電偶鑲嵌在剎車(chē)片中, 用于監(jiān)控剎車(chē)片溫度.采樣管道內(nèi)的風(fēng)速設(shè)定在6 m·s-1.利用4臺(tái)HY-100WS型中流量采樣器(青島恒遠(yuǎn), 100 L·min-1)分別采集PM2.5和PM10顆粒物, 每種粒徑的顆粒物分別采集在石英膜(Q膜, Φ90 mm)和有機(jī)膜(P膜, Φ90 mm)上, 用于不同組分的分析; 荷電低壓沖擊器ELPI+(Dekati, 10 L·min-1)可將6 nm~10 μm的顆粒分為14級(jí), 每級(jí)撞擊器配備Φ25 mm的濾膜, 用于分粒徑收集顆粒物樣品; 只在制動(dòng)進(jìn)行時(shí)打開(kāi)Summa罐(ENTECH)進(jìn)氣閥門(mén)采集氣體樣品.在制動(dòng)前后, 分別采集采樣箱內(nèi)顆粒物和氣體樣品, 用于測(cè)量本底值.

圖 1 采樣裝置示意

2.1.2 元素粒徑分布

利用ELPI+的濾膜, 本研究重點(diǎn)分析了含量較高且具有代表性的K、Cu、Zn、Sb、Zr和Ba共6種元素的粒徑分布.由可知, 6種元素的粒徑分布基本呈現(xiàn)單峰分布. K的峰值在1.1~2.2 μm. Cu的峰值在1.3~2.0 μm, 此外type4中的Cu在40 nm出現(xiàn)了一個(gè)較小的峰. type1中的Zn呈雙峰分布, 第 一個(gè)在1.7 μm左右, 第 二個(gè)在5~6 μm, 其他幾種剎車(chē)片的Zn峰值在1.3~2.1 μm. Sb、Zr和Ba的粒徑分布都比較一致, 峰值在1.3~2.1 μm.展示了基于ELPI+膜質(zhì)量的顆粒物粒徑分布.可以看出, 粒徑分布基本為單峰分布, 峰值粒徑在1~2.3 μm, 說(shuō)明元素的粒徑分布規(guī)律與顆粒物質(zhì)量的粒徑分布保持一致. Iijima等利用安德森小流量顆粒物采樣器進(jìn)行樣品采集, 發(fā)現(xiàn)Ti、Fe、Cu、Zn、Sb和Ba的粒徑分布規(guī)律相似, 含量均在1 μm時(shí)開(kāi)始明顯升高, 到4 μm左右時(shí)達(dá)到zui高, 之后開(kāi)始下降. Kukutschová等]利用Berner低壓沖擊器(BLPI)對(duì)25 nm~13.5 μm粒徑的顆粒物進(jìn)行采集, 并檢測(cè)了Fe、Cu、Sn和Zn的含量, 發(fā)現(xiàn)4種元素均在1.221 μm和4.776 μm處存在明顯的峰, 此外Fe還在127 nm處有一個(gè)峰.與已有研究相比, 本研究中各元素的峰值粒徑較小.造成這種差異的原因, 除了剎車(chē)片原材料的不同, 可能還與測(cè)量方法有關(guān).