?——【·前言·】——?

本研究的目的是研究鐵路隧道環(huán)境中氣溶膠粒子有效密度的測(cè)量。在比較和校準(zhǔn)不同的氣溶膠測(cè)量值時(shí)，有效密度可以作為一個(gè)參數(shù)，它也可以用作反映粒子來(lái)源的代理參數(shù)。

方法一通過(guò)質(zhì)量濃度與表觀(guān)體積尺寸分布的比率來(lái)定義它，方法二依賴(lài)于空氣動(dòng)力學(xué)和流動(dòng)性直徑尺寸分布測(cè)量的比較，方法一的空氣動(dòng)力學(xué)尺寸范圍是0.006-10微米，方法二是10-660納米。

使用第一種方法，日平均值約為1.87克/厘米3在使用錐形元件振蕩微量天平與空氣動(dòng)力學(xué)粒度分析儀+掃描遷移率粒度分析儀的串聯(lián)測(cè)量中觀(guān)察到，為1.2克/厘米3對(duì)于TEOM與電動(dòng)低壓撞擊器plus 的組合，在有交通流量的情況下。

采用方法二，有效密度為1.45克/厘米3用ELPI +和快速遷移率粒度分析儀進(jìn)行粒度分布測(cè)量，估算值為1.35克/厘米3從ELPI +與SMPS一前一后。當(dāng)沒(méi)有交通運(yùn)行時(shí)，小尺寸顆粒的比例對(duì)有效密度值有顯著影響。還比較了不同儀器對(duì)鐵路顆粒物測(cè)量的響應(yīng)。

?——【·介紹·】——?

由于地下鐵路是世界上大多數(shù)大都市地區(qū)越來(lái)越多的人的主要公共交通選擇之一，地下隧道中的空氣質(zhì)量非常受關(guān)注。顆粒物是影響隧道環(huán)境室內(nèi)空氣質(zhì)量的主要因素之一，據(jù)報(bào)道，隧道中的火車(chē)站比地面上的火車(chē)站顆粒濃度更高。

鐵路顆粒通常被表征為包含寬尺寸范圍的金屬元素，已經(jīng)調(diào)查了長(zhǎng)期暴露于鐵路顆粒對(duì)健康的潛在有害影響。為了正確評(píng)估鐵路顆粒對(duì)人類(lèi)健康的影響以及它們的濃度、尺寸分布、化學(xué)成分和形態(tài)，需要對(duì)它們的有效密度進(jìn)行表征。

有效密度，也稱(chēng)為表觀(guān)密度，是一個(gè)反映顆粒物理化學(xué)性質(zhì)的量。在文獻(xiàn)中可以找到有效密度的各種定義，導(dǎo)致給定顆粒或給定顆粒群的不同值，一個(gè)常用的定義是假設(shè)一個(gè)球形粒子的質(zhì)量與表觀(guān)體積之比。

在這種情況下，顆粒的有效密度與它們與周?chē)h(huán)境的相互作用以及它們?cè)谌梭w呼吸道中的沉積有關(guān)。或者，有效密度可以通過(guò)比較空氣動(dòng)力學(xué)直徑和流動(dòng)性直徑的尺寸分布來(lái)估算，空氣動(dòng)力學(xué)直徑被定義為單位密度的球形顆粒的直徑具有與實(shí)際粒子相同的沉降速度。

遷移率當(dāng)量直徑被定義為與所討論的不規(guī)則顆粒具有相同電遷移率和相同堆積密度的球形顆粒的直徑。在第二個(gè)定義中，有效密度將這兩種直徑聯(lián)系起來(lái)。對(duì)于大多數(shù)商用氣溶膠儀器，報(bào)告的質(zhì)量濃度是使用有效密度從測(cè)量的數(shù)量濃度轉(zhuǎn)換而來(lái)的。

通常，為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，或者為了粒子數(shù)和質(zhì)量濃度之間的轉(zhuǎn)換，或者為了估計(jì)呼吸系統(tǒng)中的粒子沉積，假設(shè)單位密度。這些假設(shè)可能會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)論，除了具有給定成分和材料密度的特定顆粒的研究，有效密度也被用來(lái)描述具有不同成分的不同類(lèi)型的氣溶膠粒子。

例如，使用APS-SMPS表征木材燃燒粒子;使用ELPI-SMPS對(duì)柴油機(jī)廢氣進(jìn)行了研究，并用DMA-CPMA測(cè)定尺寸分辨有效密度，用ELPI-FMPS公司研究了汽車(chē)制動(dòng)材料產(chǎn)生的磨粒，環(huán)境空氣顆粒物的測(cè)量采用MOUDI使用DMA-APM，以及DMA-UFATOFMS。

這些使用不同方法的研究報(bào)告了不同氣溶膠的不同值，但共同的因素是有效密度與顆粒來(lái)源和形態(tài)有關(guān)。在鐵路隧道環(huán)境中，懸浮微粒是來(lái)自室外的微粒、來(lái)自列車(chē)部件的機(jī)械磨損微粒、再懸浮塵埃和乘客引起的微粒的復(fù)雜混合物。

因此，鐵路顆粒的特性可能不同于其他類(lèi)型的氣溶膠。迄今為止，還沒(méi)有關(guān)于鐵路隧道中氣溶膠有效密度的公開(kāi)數(shù)據(jù)。當(dāng)評(píng)估質(zhì)量濃度需要此類(lèi)信息時(shí)，假定或簡(jiǎn)單估計(jì)為4-5克/厘米3。當(dāng)研究地鐵顆粒在人體呼吸道中的沉積時(shí)，密度為2-3克/厘米3基于對(duì)氣溶膠化學(xué)成分的估計(jì)。

在本研究中，使用兩種不同的方法評(píng)估了鐵路隧道中測(cè)量的顆粒的有效密度。方法一由質(zhì)量濃度與表觀(guān)體積尺寸分布的比率定義；方法二是基于空氣動(dòng)力學(xué)和流動(dòng)性直徑尺寸分布測(cè)量的比較。

?——【·方法學(xué)·】——?

有效密度的通用定義單個(gè)粒子的質(zhì)量是粒子質(zhì)量和表觀(guān)體積之比，假設(shè)是球形粒子。我們沒(méi)有測(cè)量單個(gè)粒子，而是像其他作者所做的那樣，通過(guò)同時(shí)測(cè)量質(zhì)量濃度和數(shù)量濃度來(lái)測(cè)量粒子群。

使用配備有PM10入口的錐形元件振蕩微量天平，每1分鐘測(cè)定一次PM10水平。樣品流速設(shè)定為3升/分鐘。TEOM是一種基于重力的直接測(cè)量顆粒質(zhì)量濃度的方法。它配備了一個(gè)過(guò)濾器動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，以減少質(zhì)量損失，如果粒子是由揮發(fā)性成分組成。

根據(jù)制造商的說(shuō)法，最低檢測(cè)限為5 g/m3。對(duì)于PM10測(cè)量，美國(guó)環(huán)境保護(hù)局已批準(zhǔn)TEOM的精確度為±10%。根據(jù)瑞典測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，TEOM是可靠的，TEOM的不同部分提供穩(wěn)定的性能，彼此之間只有百分之幾的偏差。

使用空氣動(dòng)力學(xué)和遷移率儀器測(cè)量顆粒數(shù)尺寸分布。空氣動(dòng)力學(xué)測(cè)量是用電低壓撞擊器和空氣動(dòng)力學(xué)粒度儀進(jìn)行的。同時(shí)，用快速遷移率粒度分析儀和掃描遷移率粒度分析儀進(jìn)行遷移率測(cè)量。

ELPI +可測(cè)量空氣動(dòng)力學(xué)直徑在6 nm到10 m之間的顆粒的實(shí)時(shí)數(shù)量濃度和尺寸分布。因此，在使用TEOM的串聯(lián)測(cè)量中，可以估計(jì)6nm-10m尺寸范圍內(nèi)的有效密度，首先將測(cè)量的顆粒在電暈充電器中充電，充電取決于顆粒的遷移率直徑。

然后根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)直徑將帶電粒子分為14個(gè)撞擊級(jí)，然后在這些撞擊級(jí)收集起來(lái)進(jìn)行化學(xué)分析。帶電粒子在每個(gè)階段所攜帶的電流可以用多通道靜電計(jì)來(lái)測(cè)量。最后，從測(cè)量的電流計(jì)算粒子數(shù)濃度和尺寸分布。

為了防止顆粒反彈和脫落，在沖擊器測(cè)量之前，所有過(guò)濾器基底都涂有DS-515潤(rùn)滑脂噴霧。取樣流速設(shè)置為10升/分鐘，時(shí)間分辨率為1分鐘。與ELPI+不同，APS對(duì)單個(gè)顆粒進(jìn)行計(jì)數(shù)，并根據(jù)兩個(gè)激光束之間的傳輸時(shí)間對(duì)顆粒大小進(jìn)行分類(lèi)。

由于慣性，空氣動(dòng)力學(xué)直徑較小的粒子比較大的粒子加速更快，因此飛行時(shí)間較短。APS能夠在多達(dá)48個(gè)通道中測(cè)量0.523至14.86 m的寬空氣動(dòng)力學(xué)直徑范圍內(nèi)的顆粒，APS與遷移率儀的組合通常也用于覆蓋0.5 m以下的超細(xì)顆粒。

靜態(tài)測(cè)量在阿蘭達(dá)中央站進(jìn)行，作為瑞典運(yùn)輸管理局支持的測(cè)量活動(dòng)的一部分，阿蘭達(dá)C是1999年竣工的火車(chē)站，位于瑞典斯德哥爾摩阿蘭達(dá)機(jī)場(chǎng)正下方。該平臺(tái)位于大約5000米長(zhǎng)的寬隧道內(nèi)。測(cè)試儀器放置在平臺(tái)的末端，以減少乘客的影響。

隧道天花板高于平臺(tái)水平面約7.5米，平臺(tái)長(zhǎng)約354米，寬約11米，高出軌道0.5-1米。它分隔了南北列車(chē)每天運(yùn)行的兩條鐵軌。通過(guò)這條隧道的交通是不同類(lèi)型的電動(dòng)火車(chē)的混合。它們都由電力弓網(wǎng)系統(tǒng)供電。

大多數(shù)列車(chē)使用的制動(dòng)系統(tǒng)是盤(pán)式制動(dòng)器與電力制動(dòng)相結(jié)合。通常情況下，盤(pán)式制動(dòng)器是車(chē)速為30公里/小時(shí)或更低時(shí)的主要制動(dòng)系統(tǒng)。注意，仍然有一些類(lèi)型機(jī)車(chē)列車(chē)組不使用電力制動(dòng)，而是結(jié)合盤(pán)式制動(dòng)器和塊式制動(dòng)器。

機(jī)車(chē)上的主制動(dòng)器是盤(pán)式制動(dòng)器，但塊制動(dòng)器也可用于阻力制動(dòng)，在低附著力期間施加小的恒定負(fù)載來(lái)清潔和粗糙化車(chē)輪，或在下坡時(shí)控制列車(chē)速度。

?——【·討論·】——?

有效密度反映了顆粒的組成及其形狀因子，因此，它受到影響這些方面中至少一個(gè)方面的過(guò)程的影響。由于不同的來(lái)源，鐵路系統(tǒng)中的PM在化學(xué)成分方面與周?chē)臍馊苣z或柴油機(jī)排放的煙塵有很大的不同。

鐵路氣溶膠的排放源主要包括金屬部件的機(jī)械磨損過(guò)程、空氣交換或風(fēng)力作用產(chǎn)生的室外顆粒物以及列車(chē)和乘客移動(dòng)產(chǎn)生的再懸浮粉塵。由于金屬部件磨損的重要貢獻(xiàn)，鐵路氣溶膠通常的特征是富含用于生產(chǎn)鐵軌、車(chē)輪、制動(dòng)器和電力供應(yīng)系統(tǒng)的金屬。

就鐵路氣溶膠的形狀或結(jié)構(gòu)而言，據(jù)報(bào)道，在列車(chē)部件的磨損過(guò)程中出現(xiàn)了大致球形、片狀、針狀和卷曲的裂紋片狀顆粒。在磨損顆粒中通常觀(guān)察到團(tuán)聚的形式。顆粒的不同化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致有效密度的變化。考慮這些參數(shù)對(duì)有效密度的影響是有益的。

關(guān)于鐵路顆粒有效密度的研究，目前還沒(méi)有公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)。然而，有效密度已被廣泛用于單個(gè)顆粒、柴油廢氣顆粒、城市大氣和燃燒煙塵，柴油排放的特點(diǎn)是元素碳和有機(jī)碳濃度高，有效密度低。

相似水平已經(jīng)被顯示用于木材燃料的燃燒煙灰，其包含高濃度的有機(jī)氣溶膠和耐火黑碳。在交通擁擠的城市環(huán)境中，低有效密度被報(bào)道在顆粒中具有高有機(jī)物含量。

除了化學(xué)成分之外，顆粒大小和形狀也對(duì)有效密度值起著重要作用。例如，不同結(jié)構(gòu)的氯化鈉顆粒具有不同的有效密度。對(duì)于團(tuán)聚顆粒，有效密度的降低通常是作為遷移率直徑大小的函數(shù)獲得的。

另一項(xiàng)關(guān)于汽車(chē)制動(dòng)材料中磨損顆粒有效密度的研究表明，其值為0.75±0.2克/厘米3。通過(guò)隨后對(duì)橫截面圖像的分析，發(fā)現(xiàn)這種低有效密度對(duì)形狀因子的依賴(lài)性比孔隙度因子更強(qiáng)。由于有效密度與顆粒來(lái)源、形態(tài)和測(cè)定方法有關(guān)。

因此在比較不同研究中的數(shù)值時(shí)會(huì)出現(xiàn)困難。據(jù)我們所知，在其他地方?jīng)]有進(jìn)行過(guò)類(lèi)似的研究來(lái)調(diào)查鐵路隧道環(huán)境中顆粒的有效密度。相反，大多數(shù)文獻(xiàn)關(guān)注的是城市環(huán)境和柴油排放。當(dāng)將我們的結(jié)果與使用相同測(cè)量系統(tǒng)的研究結(jié)果進(jìn)行比較時(shí)。

發(fā)現(xiàn)鐵路顆粒物的有效密度高于城市環(huán)境的測(cè)量值，甚至高于柴油機(jī)廢氣的測(cè)量值。據(jù)發(fā)現(xiàn)，城市大氣確定。而日平均值為1.87±0.22克/厘米3是在我們的研究中用同樣的儀器完成的。通過(guò)比較ELPI和SMPS的方法，發(fā)現(xiàn)北方森林環(huán)境中的氣溶膠平均密度為1.0克/厘米3。

據(jù)估計(jì)，柴油廢氣顆粒的密度為1.1-1.2克/厘米3與1.35克/厘米相比3對(duì)于我們研究的鐵路顆粒中以無(wú)機(jī)金屬為特征的顆粒。不同的化學(xué)成分可能是不同氣溶膠有效密度值不同的原因。

?——【·結(jié)論·】——?

用兩種不同的方法研究了地鐵隧道內(nèi)氣溶膠粒子的有效密度，方法一是基于測(cè)量質(zhì)量濃度和數(shù)量尺寸分布測(cè)量，而方法二是基于比較同時(shí)進(jìn)行的空氣動(dòng)力學(xué)和機(jī)動(dòng)性測(cè)量，不同的方法得到不同的結(jié)果。

當(dāng)使用相同的算法但不同的儀器組合時(shí)，由于它們?cè)诠ぷ鞒叽绶秶矫娴牟煌阅埽踔習(xí)霈F(xiàn)偏差。一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的值是在交通運(yùn)行期間獲得的，而該值劇烈波動(dòng)沒(méi)車(chē)的時(shí)候。此外，還就儀器的性能對(duì)采用不同技術(shù)測(cè)量鐵路顆粒進(jìn)行了比較。

?——【·參考文獻(xiàn)·】——?

阿巴西，《來(lái)自鐵路制動(dòng)材料的空氣傳播磨損顆粒排放率的銷(xiāo)-盤(pán)研究》，2012年。

艾伯塔，《空氣監(jiān)測(cè)和審計(jì)中心錐形振蕩微量天平的標(biāo)準(zhǔn)操作程序》，2009年。

阿萊馬尼，《汽車(chē)制動(dòng)摩擦副氣載磨損顆粒排放的研究》，2015年。

卡特尼，《環(huán)境源對(duì)布拉格地鐵系統(tǒng)空間和列車(chē)中微粒污染的影響》，2006年。

卡斯凱塔，《意大利地鐵系統(tǒng)的地下和地面顆粒物濃度》，2015年。