清華大學 核能與新能源技術研究院  江鋒 張振中

    【摘  要】本文研究了氯化鈉和熒光素鈉氣溶膠吸濕生長的特性及其對高效過濾器現場檢測效率的影響。研究表明熒光素鈉氣溶膠沒有潮解點，它的粒徑會隨著相對濕度的增大不斷增大；氯化鈉有明顯的潮解點，在小于75%相對濕度時，其粒徑基本不變。使得二者對高效過濾器的現場檢測結果產生了不同的影響。

    【關鍵詞】高效過濾器 現場檢測 效率

    高效過濾器的現場檢測廣泛應用于核工業、國防工業、食品藥品生產等行業。國際上現有的三種高效過濾器現場檢測方法中，中國的鈉焰法與美國的DOP法相比，具有安全、無污染、抗干擾性強等優勢。與法國的熒光素鈉法相比，具有可現場檢測效率、在線檢漏、耐濕性好等優勢。鈉焰法現場檢測與我國高效濾料、高效過濾器及核級高效過濾器的效率檢測結果具有很好的一致性和可比性！

    本文研究了NaCl和熒光素鈉氣溶膠吸濕生長的特性及其對高效過濾器現場檢測效率的影響。熒光素鈉氣溶膠沒有潮解點，它的粒徑會隨著相對濕度的增大不斷增大；NaCl有明顯的潮解點，在小于75%相對濕度時，其粒徑基本不變。這就導致了二者對高效過濾器的現場檢測結果產生不同的影響。

1 現場檢測方法及裝置簡介

    目前國際上對空氣凈化系統中高效過濾器的現場過濾效率檢測和檢漏方法有三種，即英國國家標準鈉焰法（火法發生NaCl粒子，用鈉焰光度計在線測量粒子濃度和過濾效率，可在線檢漏）、美國國家標準DOP法（發生DOP粒子，用光度計在線測量粒子濃度和過濾效率，可在線檢漏）和法國國家標準熒光素鈉法（發生熒光素鈉，現場采樣，用氣相色譜儀離線測量粒子濃度和過濾效率，不能在線檢漏）。

    1.1 火法鈉焰法過濾器現場檢測和檢漏

    這種方法的工作原理是：將特制的NaCl鹽棒以恒定速度送入氧——液化氣火焰中燃燒，與空氣混合后，冷凝形成微小的多分散固體NaCl氣溶膠，將其送入待測過濾器凈化系統（圖1）。在凈化小室前后適當位置采樣，使含有NaCl氣溶膠的空氣進入鈉焰光度計（主要包括燃燒器、濾光片、光電倍增管、光電測量儀），在線測出與鈉特征光相對應的電流值，即可計算出過濾器凈化小室中過濾段的過濾效率。若效率不合格，則通過一個移動的探頭沿過濾器下游端面掃描，找出泄漏處并進行修補或更換不合格過濾器，再重新檢測，直到合格為止。

    為滿足我院建造實驗反應堆工程的需要，我科研團隊研制出了中國第一套火法鈉焰法高效空氣過濾系統現場檢測檢漏裝置，于1986年8月通過了由核工業部主持的技術鑒定，在1990年代將其成功地應用于我院5MW低溫供熱堆和10MW高溫氣冷堆的工程建設中。

    此方法的優點是：①檢測靈敏度高，其最高檢測效率可達99.999%。對過濾器和系統的污染較小。②檢測速度快，一般檢測一次的時間只有十多分鐘。

    此方法的缺點是：① 有明火，安全性較差；② 鹽棒質地酥脆，在制作、存儲、運輸和使用等環節存在諸多不便。

    1.2 DOP法過濾器現場檢測和檢漏

    DOP法是國際上高效空氣過濾器現場檢測中較為成熟的技術，裝置主要由美國研制和生產[1]。

    這種方法的工作原理是：用專用的DOP發生器發生DOP氣溶膠，送入待測過濾器凈化系統。然后用光散射光度計在線測量過濾器凈化小室中過濾段上下游的DOP氣溶膠質量濃度（圖2），即可計算過濾段的過濾效率。若效率不合格，也可進行掃描檢漏，直到合格為止。

    此方法的優點是：①整套裝置簡單便攜；②操作比較簡便。

    此方法的缺點是：① 檢測所需濃度高，對過濾器和系統的污染較大；②DOP為油性粒子，對操作人員的身體健康造成嚴重影響；③發生熱法DOP（高濃度）時，有著火的危險；④國產化程度低，價格較貴，且不便標定和維修。

    1.3 熒光素鈉法過濾器現場檢測

    熒光素鈉法過濾器現場檢測裝置主要由法國研制、生產和使用。

    這種方法的工作原理[2]是：用專用的熒光素鈉發生器發生熒光素鈉氣溶膠，送入待測過濾器凈化系統。然后用采樣裝置在凈化小室過濾段前后適當位置采樣，最后將采集的熒光素鈉用專門的儀器進行離線分析測量，根據測得的熒光素鈉濃度可以計算出過濾段的過濾效率。

    此方法的優點是：① 可測效率高；② 對過濾器和系統的污染較小。

    此方法的缺點是：①采集的熒光素鈉必須離線進行儀器分析測量，過程繁瑣，檢測時間長，耗費人力物力；②無法在線檢測出氣溶膠濃度和過濾效率，特別是無法進行過濾器排架的現場檢漏，不利于盡快發現和解決過濾器的現場安裝問題，以致使一旦發現過濾效率不合格，就得全部更換過濾器，造成了人力和財力的不必要浪費。

     1.4 水法鈉焰法過濾器現場檢測和檢漏

    為了消除火法鈉焰法的安全隱患，我們基于上述研究及應用背景并依托業已完全掌握的水法鈉焰法高效空氣過濾器效率檢測技術，研制出了一套國際首創的、具有完全自主知識產權、全部國產化的、適用于核電站通風凈化小室現場檢測的水法鈉焰法過濾系統現場檢測檢漏裝置（圖3），并于2016年將其成功地應用于我院10MW低溫堆的工程建設中（圖4）。

    這種方法的工作原理是：用專用的NaCl氣溶膠水法發生器發生NaCl氣溶膠，送入待測過濾器凈化系統。然后用采樣裝置在凈化小室過濾段前后適當位置采樣，最后用鈉焰光度計在線測量并計算出過濾段的過濾效率。若效率不合格，仍可進行掃描檢漏，直到合格為止。

    與上述三種現場檢測裝置相比，這種裝置具有以下優點：

    （1）與火法鈉焰法相比，避免了在現場檢測時使用明火的安全隱患。

    （2）與DOP法相比，NaCl對測試人員更加安全，避免使用對人體有潛在致癌危險的DOP等油性工質；同時減少了對于設備和環境的污染。

    （3）與熒光素鈉法相比，可以現場實時快速在線檢測效率并檢漏，確定漏點，及時補漏。

    （4）由于全部實現了國產化，因此在裝置的制作、價格、購銷、使用、標定及維修等方面具有進口裝置所無法比擬的優越性。

    （5）因為與我國高效空氣過濾器的出廠檢測方法相同，因此現場檢測所得的效率值與高效空氣過濾器出廠標稱效率之間具有很好的可比性。

2 固態氣溶膠吸濕生長對過濾器檢測效率的影響

    高效過濾器在現場服役之前，需要進行三個步驟的效率檢測：高效過濾材料的效率檢測、高效過濾器的效率檢測和高效過濾器現場效率檢測。無論哪個步驟的現場檢測，都是首先在被測物的上游發生氣溶膠，然后在上下游同時測量氣溶膠的濃度，最后通過計算上下游濃度的比值獲得被測物的效率。
按照中國國家標準，前兩個步驟的效率檢測都使用鈉焰法^[3-5] ，而現場檢測則多種方法并存。

    以核電站為例，在我國，最初引進的核電站多數是法國的堆型，因此高效過濾器的現場效率檢測使用了法國標準中的熒光素鈉法；由清華大學自主建造的低溫堆和高溫堆的現場檢測則使用了鈉焰法，與國家標準中高效過濾材料和高效過濾器的效率檢測保持了同一種方法，三者之間具有很好的一致性和可比性！

現場檢測氣溶膠發生方法中的鈉焰法和熒光素鈉法分別使用的是NaCl和熒光素鈉氣溶膠，都是有一定吸濕性的固態顆粒物。而相對濕度的增加很可能會導致固態氣溶膠顆粒吸水膨脹，粒徑增大，同時高效過濾器的效率檢測結果又是與氣溶膠的粒徑密切相關的！

在大氣環境研究領域，很多學者對NaCl和NaNO₃（后者是硝酸鈉，與熒光素鈉的吸濕生長特性十分相近！）等常見的大氣組分物質的吸濕性進行了充分的理論研究和實驗研究^[6~9] ， 如圖5、6所示。

    但是對于空氣凈化領域常用的熒光素鈉吸濕性的實驗研究仍為空白。因此，本研究利用氣溶膠吸濕性測量平臺，使用HTDMA技術（加濕串聯差分遷移分析儀）測量了熒光素鈉氣溶膠的吸濕性能，并且與文獻中NaCl和NaNO3氣溶膠的吸濕性能進行對比，然后對其可能影響到的高效過濾器的效率進行了理論計算，研究成果如下：

    2.1 熒光素鈉和NaCl的吸濕生長特性

    本文重點研究了熒光素鈉在不同RH（相對濕度）下粒徑變化情況（如圖7所示）。

    將本文的結果與前人對NaCl和NaNO₃這兩種無機鹽的吸濕性研究進行了結果對比，如圖8所示。

    由圖8可見：

    （1）熒光素鈉氣溶膠沒有明顯的潮解點，或者說是其潮解點非常低，在很低的相對濕度下也可以吸濕生長。與NaNO3相似，熒光素鈉的吸濕性生長因子GF隨著相對濕度的增大而增大，而且相對濕度越大，生長因子增長速度越快。

    （2）NaCl具有明顯的潮解點—相對濕度=75%，在該相對濕度下，NaCl氣溶膠會瞬間吸收大量水分而出現粒徑的突變。即當環境相對濕度小于75%，NaCl顆粒的粒徑不發生變化；當環境相對濕度達到75%時，NaCl顆粒的粒徑陡然增大；而且相對濕度越大，生長因子增長率越大，當環境相對濕度為80%，NaCl顆粒的粒徑已經變為初始粒徑的2倍。

    2.2 顆粒（100nm）的吸濕生長對過濾效率的影響

    由表1可見：在環境相對濕度為60%-70%時，使用熒光素鈉會造成過濾效率變低；使用NaCl氣溶膠，對過濾效率沒有影響；當相對濕度為80%時，使用NaCl會造成過濾效率比實際效率小一個數量級，而使用熒光素鈉也會造成過濾效率下降，但下降程度小于前者。

    因此，從氣溶膠吸濕性能的角度來說，作為現場檢測用的固態氣溶膠，只要保證環境相對濕度小于75%，NaCl氣溶膠要優于熒光素鈉。

    2.3 建議

    （1）因為吸濕性能實驗周期較長，本文只測試了熒光素鈉在100nm時的吸濕生長因子，為了更好的量化描述核電廠高效過濾器現場檢測環境對效率檢測結果的影響，建議在50nm-500nm范圍內進行熒光素鈉吸濕因子的測量。

    （2）通過過濾效率實驗及理論計算來驗證和補充本文所獲得的結論。

參考文獻

    [1] MIL-STD-282. Filter units, protective clothing, gas-mask components, and related products: Performance test methods[C]. Department of Defense, 1956.
    [2] AFNOR NFX44-011. Air cleaning devices: Method of measuring filter efficiency using a uranine (fluorescent) aerosol[C]. Orleans: Imprimerie Nouvelle, 1972.
    [3] BS3928. Sodium flame test for air filters[S]. London: British Standards Institution, 1969.
    [4] GB/T 17939. 核級高效空氣過濾器[S]. 中國標準出版社, 2015.
    [5] GB/T6165. 高效空氣過濾器性能試驗方法效率和阻力[S]. 中國標準出版社, 2008.
    [6] And C N C, Pandis S N. Deliquescence and Hygroscopic Growth of Mixed Inorganic−Organic Atmospheric Aerosol[J]. Environ.sci.technol, 2000, 34.
    [7] Gysel M, E Weingartner A, Baltensperger U. Hygroscopicity of Aerosol Particles at Low Temperatures. 2. Theoretical and Experimental Hygroscopic Properties of Laboratory Generated Aerosols[J]. Environmental Science & Technology, 2002, 36(1):63-68.
    [8] Gibson E R, Hudson P K, Grassian V H. Physicochemical properties of nitrate aerosols: implications for the atmosphere.[J]. Journal of Physical Chemistry A, 2006, 110(42):11785-11799.
    [9] Park K, Kim J S, Miller A L. A study on effects of size and structure on hygroscopicity of nanoparticles using a tandem differential mobility analyzer and TEM[J]. Journal of Nanoparticle Research, 2008, 11(1):175-183.

    備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2018年10月刊總第15期（第21屆暖通空調制冷學術年會文集）。
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