高效过滤器现场检测方法简述及专题研究

清华大学 核能与新能源技术研究院  江锋 张振中

    【摘  要】本文研究了氯化钠和荧光素钠气溶胶吸湿生长的特性及其对高效过滤器现场检测效率的影响。研究表明荧光素钠气溶胶没有潮解点，它的粒径会随着相对湿度的增大不断增大；氯化钠有明显的潮解点，在小于75%相对湿度时，其粒径基本不变。使得二者对高效过滤器的现场检测结果产生了不同的影响。

    【关键词】高效过滤器 现场检测 效率

    高效过滤器的现场检测广泛应用于核工业、国防工业、食品药品生产等行业。国际上现有的三种高效过滤器现场检测方法中，中国的钠焰法与美国的DOP法相比，具有安全、无污染、抗干扰性强等优势。与法国的荧光素钠法相比，具有可现场检测效率、在线检漏、耐湿性好等优势。钠焰法现场检测与我国高效滤料、高效过滤器及核级高效过滤器的效率检测结果具有很好的一致性和可比性！

    本文研究了NaCl和荧光素钠气溶胶吸湿生长的特性及其对高效过滤器现场检测效率的影响。荧光素钠气溶胶没有潮解点，它的粒径会随着相对湿度的增大不断增大；NaCl有明显的潮解点，在小于75%相对湿度时，其粒径基本不变。这就导致了二者对高效过滤器的现场检测结果产生不同的影响。

1 现场检测方法及装置简介

    目前国际上对空气净化系统中高效过滤器的现场过滤效率检测和检漏方法有三种，即英国国家标准钠焰法（火法发生NaCl粒子，用钠焰光度计在线测量粒子浓度和过滤效率，可在线检漏）、美国国家标准DOP法（发生DOP粒子，用光度计在线测量粒子浓度和过滤效率，可在线检漏）和法国国家标准荧光素钠法（发生荧光素钠，现场采样，用气相色谱仪离线测量粒子浓度和过滤效率，不能在线检漏）。

    1.1 火法钠焰法过滤器现场检测和检漏

    这种方法的工作原理是：将特制的NaCl盐棒以恒定速度送入氧——液化气火焰中燃烧，与空气混合后，冷凝形成微小的多分散固体NaCl气溶胶，将其送入待测过滤器净化系统（图1）。在净化小室前后适当位置采样，使含有NaCl气溶胶的空气进入钠焰光度计（主要包括燃烧器、滤光片、光电倍增管、光电测量仪），在线测出与钠特征光相对应的电流值，即可计算出过滤器净化小室中过滤段的过滤效率。若效率不合格，则通过一个移动的探头沿过滤器下游端面扫描，找出泄漏处并进行修补或更换不合格过滤器，再重新检测，直到合格为止。

    为满足我院建造实验反应堆工程的需要，我科研团队研制出了中国第一套火法钠焰法高效空气过滤系统现场检测检漏装置，于1986年8月通过了由核工业部主持的技术鉴定，在1990年代将其成功地应用于我院5MW低温供热堆和10MW高温气冷堆的工程建设中。

    此方法的优点是：①检测灵敏度高，其最高检测效率可达99.999%。对过滤器和系统的污染较小。②检测速度快，一般检测一次的时间只有十多分钟。

    此方法的缺点是：① 有明火，安全性较差；② 盐棒质地酥脆，在制作、存储、运输和使用等环节存在诸多不便。

    1.2 DOP法过滤器现场检测和检漏

    DOP法是国际上高效空气过滤器现场检测中较为成熟的技术，装置主要由美国研制和生产[1]。

    这种方法的工作原理是：用专用的DOP发生器发生DOP气溶胶，送入待测过滤器净化系统。然后用光散射光度计在线测量过滤器净化小室中过滤段上下游的DOP气溶胶质量浓度（图2），即可计算过滤段的过滤效率。若效率不合格，也可进行扫描检漏，直到合格为止。

    此方法的优点是：①整套装置简单便携；②操作比较简便。

    此方法的缺点是：① 检测所需浓度高，对过滤器和系统的污染较大；②DOP为油性粒子，对操作人员的身体健康造成严重影响；③发生热法DOP（高浓度）时，有着火的危险；④国产化程度低，价格较贵，且不便标定和维修。

    1.3 荧光素钠法过滤器现场检测

    荧光素钠法过滤器现场检测装置主要由法国研制、生产和使用。

    这种方法的工作原理[2]是：用专用的荧光素钠发生器发生荧光素钠气溶胶，送入待测过滤器净化系统。然后用采样装置在净化小室过滤段前后适当位置采样，最后将采集的荧光素钠用专门的仪器进行离线分析测量，根据测得的荧光素钠浓度可以计算出过滤段的过滤效率。

    此方法的优点是：① 可测效率高；② 对过滤器和系统的污染较小。

    此方法的缺点是：①采集的荧光素钠必须离线进行仪器分析测量，过程繁琐，检测时间长，耗费人力物力；②无法在线检测出气溶胶浓度和过滤效率，特别是无法进行过滤器排架的现场检漏，不利于尽快发现和解决过滤器的现场安装问题，以致使一旦发现过滤效率不合格，就得全部更换过滤器，造成了人力和财力的不必要浪费。

     1.4 水法钠焰法过滤器现场检测和检漏

    为了消除火法钠焰法的安全隐患，我们基于上述研究及应用背景并依托业已完全掌握的水法钠焰法高效空气过滤器效率检测技术，研制出了一套国际首创的、具有完全自主知识产权、全部国产化的、适用于核电站通风净化小室现场检测的水法钠焰法过滤系统现场检测检漏装置（图3），并于2016年将其成功地应用于我院10MW低温堆的工程建设中（图4）。

    这种方法的工作原理是：用专用的NaCl气溶胶水法发生器发生NaCl气溶胶，送入待测过滤器净化系统。然后用采样装置在净化小室过滤段前后适当位置采样，最后用钠焰光度计在线测量并计算出过滤段的过滤效率。若效率不合格，仍可进行扫描检漏，直到合格为止。

    与上述三种现场检测装置相比，这种装置具有以下优点：

    （1）与火法钠焰法相比，避免了在现场检测时使用明火的安全隐患。

    （2）与DOP法相比，NaCl对测试人员更加安全，避免使用对人体有潜在致癌危险的DOP等油性工质；同时减少了对于设备和环境的污染。

    （3）与荧光素钠法相比，可以现场实时快速在线检测效率并检漏，确定漏点，及时补漏。

    （4）由于全部实现了国产化，因此在装置的制作、价格、购销、使用、标定及维修等方面具有进口装置所无法比拟的优越性。

    （5）因为与我国高效空气过滤器的出厂检测方法相同，因此现场检测所得的效率值与高效空气过滤器出厂标称效率之间具有很好的可比性。

2 固态气溶胶吸湿生长对过滤器检测效率的影响

    高效过滤器在现场服役之前，需要进行三个步骤的效率检测：高效过滤材料的效率检测、高效过滤器的效率检测和高效过滤器现场效率检测。无论哪个步骤的现场检测，都是首先在被测物的上游发生气溶胶，然后在上下游同时测量气溶胶的浓度，最后通过计算上下游浓度的比值获得被测物的效率。
按照中国国家标准，前两个步骤的效率检测都使用钠焰法^[3-5] ，而现场检测则多种方法并存。

    以核电站为例，在我国，最初引进的核电站多数是法国的堆型，因此高效过滤器的现场效率检测使用了法国标准中的荧光素钠法；由清华大学自主建造的低温堆和高温堆的现场检测则使用了钠焰法，与国家标准中高效过滤材料和高效过滤器的效率检测保持了同一种方法，三者之间具有很好的一致性和可比性！

现场检测气溶胶发生方法中的钠焰法和荧光素钠法分别使用的是NaCl和荧光素钠气溶胶，都是有一定吸湿性的固态颗粒物。而相对湿度的增加很可能会导致固态气溶胶颗粒吸水膨胀，粒径增大，同时高效过滤器的效率检测结果又是与气溶胶的粒径密切相关的！

在大气环境研究领域，很多学者对NaCl和NaNO₃（后者是硝酸钠，与荧光素钠的吸湿生长特性十分相近！）等常见的大气组分物质的吸湿性进行了充分的理论研究和实验研究^[6~9] ， 如图5、6所示。

    但是对于空气净化领域常用的荧光素钠吸湿性的实验研究仍为空白。因此，本研究利用气溶胶吸湿性测量平台，使用HTDMA技术（加湿串联差分迁移分析仪）测量了荧光素钠气溶胶的吸湿性能，并且与文献中NaCl和NaNO3气溶胶的吸湿性能进行对比，然后对其可能影响到的高效过滤器的效率进行了理论计算，研究成果如下：

    2.1 荧光素钠和NaCl的吸湿生长特性

    本文重点研究了荧光素钠在不同RH（相对湿度）下粒径变化情况（如图7所示）。

    将本文的结果与前人对NaCl和NaNO₃这两种无机盐的吸湿性研究进行了结果对比，如图8所示。

    由图8可见：

    （1）荧光素钠气溶胶没有明显的潮解点，或者说是其潮解点非常低，在很低的相对湿度下也可以吸湿生长。与NaNO3相似，荧光素钠的吸湿性生长因子GF随着相对湿度的增大而增大，而且相对湿度越大，生长因子增长速度越快。

    （2）NaCl具有明显的潮解点—相对湿度=75%，在该相对湿度下，NaCl气溶胶会瞬间吸收大量水分而出现粒径的突变。即当环境相对湿度小于75%，NaCl颗粒的粒径不发生变化；当环境相对湿度达到75%时，NaCl颗粒的粒径陡然增大；而且相对湿度越大，生长因子增长率越大，当环境相对湿度为80%，NaCl颗粒的粒径已经变为初始粒径的2倍。

    2.2 颗粒（100nm）的吸湿生长对过滤效率的影响

    由表1可见：在环境相对湿度为60%-70%时，使用荧光素钠会造成过滤效率变低；使用NaCl气溶胶，对过滤效率没有影响；当相对湿度为80%时，使用NaCl会造成过滤效率比实际效率小一个数量级，而使用荧光素钠也会造成过滤效率下降，但下降程度小于前者。

    因此，从气溶胶吸湿性能的角度来说，作为现场检测用的固态气溶胶，只要保证环境相对湿度小于75%，NaCl气溶胶要优于荧光素钠。

    2.3 建议

    （1）因为吸湿性能实验周期较长，本文只测试了荧光素钠在100nm时的吸湿生长因子，为了更好的量化描述核电厂高效过滤器现场检测环境对效率检测结果的影响，建议在50nm-500nm范围内进行荧光素钠吸湿因子的测量。

    （2）通过过滤效率实验及理论计算来验证和补充本文所获得的结论。

参考文献

    [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. 核级高效空气过滤器[S]. 中国标准出版社, 2015.
    [5] GB/T6165. 高效空气过滤器性能试验方法效率和阻力[S]. 中国标准出版社, 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.

    备注：本文收录于《建筑环境与能源》2018年10月刊总第15期（第21届暖通空调制冷学术年会文集）。
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