Dekati公司ELPI+颗粒物分析仪介绍和应用

Dekati公司ELPI+颗粒物分析仪介绍和应用

芬兰Dekati公司HR-ELPI+高分辨率颗粒物分析仪是一款实时测量颗粒物粒径分布、质量浓度的在线仪器。 它的工作原理基于荷电、低压撞击、电荷测量三个部分。颗粒物被荷电器充上一定水平的电荷，其后在低压串联的撞击器内依照空气动力学粒径分级收集。串联撞击器间绝缘，并各自连接灵敏静电计，测量其收集颗粒物产生的电流值。每一 级电流值与颗粒物粒子数成正比。 HR-ELPI+将 6nm-10μm 颗粒分为 14 级。前 13 级测量 17nm-10μm颗粒，每一 级收集的颗粒物可用于后续化学分析。后一 级为过滤段，测量 6nm-17nm 颗粒。

Dekati公司HR-ELPI+颗粒物分析仪技术参数

额定流速： 10L/min

粒径分布： 0.006-10μm

分级数： 14（电荷测量）+预分离级

采样频率： 10Hz

环境温度： 10-35℃

环境湿度： 0-90%（无凝结）

样品气温度： < 60℃

重量： 主机 15Kg；荷电-撞击单元 7Kg

主机尺寸： H400×W420×D220(mm)

撞击器： Ф65×300mm

入口： G3/8″螺纹；G3/8″/ NW16 与 G3/8 软管连接

出口： G3/8″螺纹；G3/8″ / NW16 连接头

电源： 100-250v，50-60HZ，200W

荷电器电压： 3.5±0.5KV

荷电器电流： 1μA

撞击器出出口压力： 40mbar

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

Dekati公司HR-ELPI+颗粒物分析仪工作原理

Dekati公司HR-ELPI+颗粒物分析仪应用

‌半导体行业‌：在半导体制造过程中，ELPI+用于实时监测和测量外延生长反应器中的颗粒物浓度和分布。由于半导体制造需要在高温、高真空环境下进行，且使用腐蚀性和爆炸性气体，传统的测量方法难以实施。ELPI+能够实时测量6nm至10um粒径的颗粒物，具有广泛的粒径测量范围和快速反应时间，适用于这种极端环境‌。

‌燃烧学研究‌：ELPI+可以用于燃烧过程中颗粒物的生成和排放研究。通过实时测量颗粒物的粒径分布和浓度，研究人员可以更好地理解燃烧过程中的颗粒物形成机制，优化燃烧条件，减少污染物排放‌。

‌环境监测‌：ELPI+可以用于室外和室内环境的颗粒物监测。通过测量颗粒物的粒径分布和浓度，可以帮助评估空气质量，监测环境污染，并提供相关数据支持环境保护和政策制定

Dekati公司HR-ELPI+颗粒物分析仪/荷电低压冲击器应用

南开大学环境科学与工程学院, 天津市城市交通污染防治研究重点实验室、中国汽车技术研究中心有限公司、天津市生态环境监测中心等专家和研究学者学者芬兰Dekati公司ELPI+颗粒物分析仪进行了科学研究。以下是他们发表在环境科学（Environmental Science）第43卷第10期 2022年10月研究论文的部分引用。

“近年来, 由于机动车保有量持续增长, 城市空气质量改善面临着严峻的挑战.多个城市的颗粒物来源解析表明, 机动车排放已经成为城市颗粒物的重要来源, 甚至是第 一大污染源传统燃油车对颗粒物的贡献不仅来源于尾气排放, 还来源于轮胎磨损和制动磨损等非尾气排放.随着机动车第六阶段(国Ⅵ)排放标准的实施和新能源汽车的大力推广, 尾气排放量将呈现下降趋势, 这进一步凸显了非尾气排放的重要性.

制动磨损颗粒物(brake wear particles, BWPs)是由刹车片/垫和刹车盘/鼓的磨损产生的. BWPs中大约有35%~55%会释放到空气中, 其余部分则粘附在制动器表面或沉积在路面上.随着机动车行驶, 粘附的颗粒物会被重新释放, 而车辆运动引起的湍流会将沉积在路面上的颗粒物再悬浮于空气中.有研究表明, BWPs占非尾气相关PM10的16%~55%, 占交通相关PM10的11%~21%, 是非常重要的城市颗粒物来源.

BWPs的化学组分主要取决于刹车片的材质, 具有多样性和复杂性, 甚至驾驶习惯也会对其产生影响.有研究发现, BWPs载带着很多有毒性的重金属, 对人体有潜在的健康风险, 比如Ba、Mg、Mn、Ni、Sn、Cd、Cr、Ti、K和Sb等元素均在BWPs中被检出.此外, 还有研究分析了BWPs中碳组分的含量, 结果显示有机碳(OC)含量较高.

基于颗粒物组分的源解析, 是精准治理城市大气污染的重要技术手段.然而, 目前对机动车排放BWPs组分的了解还不够充分, 特别是对碳组分和多环芳烃(polycyclic aromatic hydrocarbons, PAHs)的研究甚少, 更鲜见有分析制动过程中挥发性有机物(volatile organic compounds, VOCs)的报道.基于此, 本研究利用制动惯性实验台, 采集了6种类型的刹车片磨损颗粒物, 并收集了制动过程中的气体样品, 以期获得完整的BWPs成分谱和VOCs构成.

本研究利用TS102B型制动惯性实验台对车辆制动过程进行模拟, 并设计了一个L(500 mm)×W (600 mm)×H1 000 mm的密封采样箱, 采样装置如图 1所示.采样箱的入风口加装带有活性炭吸附剂的高效过滤器(HEPA H13), 以减少背景环境的影响; K型热电偶镶嵌在刹车片中, 用于监控刹车片温度.采样管道内的风速设定在6 m·s-1.利用4台HY-100WS型中流量采样器(青岛恒远, 100 L·min-1)分别采集PM2.5和PM10颗粒物, 每种粒径的颗粒物分别采集在石英膜(Q膜, Φ90 mm)和有机膜(P膜, Φ90 mm)上, 用于不同组分的分析; 荷电低压冲击器ELPI+(Dekati, 10 L·min-1)可将6 nm~10 μm的颗粒分为14级, 每级撞击器配备Φ25 mm的滤膜, 用于分粒径收集颗粒物样品; 只在制动进行时打开Summa罐(ENTECH)进气阀门采集气体样品.在制动前后, 分别采集采样箱内颗粒物和气体样品, 用于测量本底值.

图 1 采样装置示意

2.1.2 元素粒径分布

利用ELPI+的滤膜, 本研究重点分析了含量较高且具有代表性的K、Cu、Zn、Sb、Zr和Ba共6种元素的粒径分布.由可知, 6种元素的粒径分布基本呈现单峰分布. 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出现了一个较小的峰. type1中的Zn呈双峰分布, 第 一个在1.7 μm左右, 第 二个在5~6 μm, 其他几种刹车片的Zn峰值在1.3~2.1 μm. Sb、Zr和Ba的粒径分布都比较一致, 峰值在1.3~2.1 μm.展示了基于ELPI+膜质量的颗粒物粒径分布.可以看出, 粒径分布基本为单峰分布, 峰值粒径在1~2.3 μm, 说明元素的粒径分布规律与颗粒物质量的粒径分布保持一致. Iijima等利用安德森小流量颗粒物采样器进行样品采集, 发现Ti、Fe、Cu、Zn、Sb和Ba的粒径分布规律相似, 含量均在1 μm时开始明显升高, 到4 μm左右时达到zui高, 之后开始下降. Kukutschová等]利用Berner低压冲击器(BLPI)对25 nm~13.5 μm粒径的颗粒物进行采集, 并检测了Fe、Cu、Sn和Zn的含量, 发现4种元素均在1.221 μm和4.776 μm处存在明显的峰, 此外Fe还在127 nm处有一个峰.与已有研究相比, 本研究中各元素的峰值粒径较小.造成这种差异的原因, 除了刹车片原材料的不同, 可能还与测量方法有关.