PM2.5生成机理及高效脱除试验装置

我国大气污染呈现出的复合污染态势主要由煤烟型污染与机动车尾气污染及其他多个污染源相叠加构成，即由多种来源的多种污染物在一定的大气条件下（如温度、湿度、阳光等）发生多种界面间的相互作用、彼此耦合构成的复杂大气复合污染体系。灰霾形成过程中PM2.5颗粒物的关键前体污染物和关键化学机制不清楚, 我国高颗粒物浓度和高气态污染物浓度条件下PM2.5生成的化学机制与高效脱除机制亟待研究。

自主设计建成的PM2.5生成机理及高效脱除试验装置为国内最大的大气模拟环境PM2.5形成与脱除反应平台，整合实验室现有的PM2.5粒径、化学组分、密度以及相关气态污染物等先进测量仪器设备，在人为控制大气温度、湿度、光照、气氛等模拟天气条件下分析研究能源利用过程中污染物排放后PM2.5成核、生长、聚集、沉降等演化过程，重点研究：

（1）PM2.5冷凝相变生成机理；

（2）微纳米级颗粒先进激光测量方法；

（3 ）PM2.5定向高效脱除；

（4）PM2.5源项排放大气影响评价。

通过动态表征煤、石油、天然气、生物质等利用过程中PM2.5相关污染物排放在大气模拟环境条件下生成PM2.5最终形成雾霾及消除等过程，为PM2.5及其相关气态污染物的源头控制策略以及雾霾的控制方针提供思路。

 1、试验装置概述

PM2.5生成机理及高效脱除试验装置系统示意如图 17所示，主要包括：

（1）两个不同功能的烟雾箱光化学反应装置：一个国内最大烟雾箱反应腔体（42m3）、一个可模拟实际污染源高浓度排放特征的烟雾箱（4m3）；

（2）污染物精准进样系统：种子气溶胶发生及控制系统、8个标准气体自动切换；

（3）温湿度光照控制系统：紫外光强3200-9600W，温度范围及精度：40±0.5℃，相对湿度（RH）：10%-90%。

PM2.5生成机理及高效脱除试验装置系统图

2、试验装置主要组成

PM2.5生成机理及高效脱除试验装置主要由反应系统、精准进样系统和控制系统三部分组成，另配置了一系列国际先进的在线测量仪器和实验辅助仪器。平台组成如下表1所示，各系统的部分组成如下图所示。

PM2.5生成机理及高效脱除试验装置平台组成

(a) 120 m3烟雾箱实验装置        (b) 15.8 m3烟雾箱实验装置

烟雾箱平台反应图

八种不同气体精准进样系统图

烟雾箱反应腔体与控制系统实物图

3、试验装置设计指标

烟雾箱能排除外界气象条件的影响，在人为控制的条件下研究主要污染物通过光化学反应形成PM2.5的过程。利用先进的气态污染物和PM2.5气溶胶检测技术，可识别影响PM2.5生成的主要污染物，并量化这些污染物生成PM2.5的潜势，为精细化防治PM2.5提供指导意见。PM2.5在形成和生长过程中的检测参数如下：

 PM2.5演化过程中的检测参数

在污染物通过光化学反应形成PM2.5的过程中，用PM2.5产率来评估该污染物生成PM2.5的潜势，PM2.5产率=净生成PM2.5质量浓度/消耗的污染物质量浓度。

4、试验装置主要功能

（1）反应系统功能

反应系统分为保温外罩、反应腔体、光源列阵。其中保温外罩分为两部分，其主要功能是为反应腔体提供放置空间，并优化保温外罩内部空调的制冷效果，以保持反应过程中温度稳定。反应腔体均为圆柱体，分别放置在各自的保温外罩内部。反应腔体由厚度为30μm的特氟龙膜固定在钢架上制作而成，主要作用是隔绝实际大气，为PM2.5前体物在人为设定环境中发生光化学反应提供场所。光源阵列由两种波长不同的黑光灯组成，其主要功能是提供紫外光辐射以驱动光化学反应进行，选择不同的开灯数量可控制反应过程中的光照强度。

（2）精准进样系统功能

精准进样系统由耐腐蚀质量流量计、电磁切换器、气动阀门、减压阀和若干连接管路组成，其流程图如图5所示。其主要功能是满足实验所用标气进样的要求，将进样偏差控制在±2ppb以内，并减小实验进样过程中的人为误差，提高实验的准确性，确保实验的可重复性。此外，该系统还配备有气体加热模块和加湿模块，可分别实现液体VOC进样和控制腔体湿度的功能，实现不同VOC物种的最佳进样方式和不同相对湿度的环境氛围。

精准进样面板流程图

（3）控制系统功能

平台在运行过程中的参数可以通过控制系统进行预设和修改，这样可以简化实验过程中的操作流程。控制系统由四个模块组成，分别为光源控制模块、质量流量计控制模块、扰流风扇控制模块和数据显示及存储模块。在光源控制模块、质量流量计控制模块和扰流风扇控制模块中，既可手动控制黑光灯开关、气体流量、扰流风扇转速，也能在集成软件界面相应的菜单中设置相应的参数。数据显示及存储模块通过数-模信号转换将温湿度和压力显示在屏幕上，并将采集到的温湿度、压力和流量数据存储至外置移动硬盘中。控制系统中搭配有WIFI和远程控制软件，能实现远程控制的功能。