基質對微粒彈跳之影響

微粒彈跳除了會使得收集到的微粒粒徑不準確更會增加管壁損失(wall lose) (Dzubay et al.,1976；Cheng and Yeh,1979)，固體微粒(Solid particles)互相碰撞產生 的彈跳問題，最早在1945 年時由 May 提出來，而液相微粒(Liquid particles)則不 會明顯產生微粒彈跳 (Rao and Whitby, 1977)，接下來將回顧不同基質與相對溼 度下微粒在多階衝擊器中的彈跳情形。

2.1 基質對微粒彈跳之影響

為了利於採集樣本的後續化學分析，國內外大部份的學者而未在MOUDI 衝 擊板上的濾紙或鋁箔塗敷矽油而進行採樣作業 (Hughes et al., 1998; Chung et al., 2001; Geller et al., 2002; Kim et al., 2002; Fine et al., 2004; Martuzevicius et al., 2004; Miguel et al., 2004; Herner et al., 2005; Sardar et al., 2005; Fujitani et al., 2006;

Herner et al., 2006; Huang et al., 2006)。Hughes et al. (1998) 研究冬季洛杉磯之大 氣超細微粒，探討其數目濃度與化學成份分布；Chung et al. (2001) 研究加州的 奈米微粒化學成份；Geller et al. (2002) 將奈米微粒濃縮器置於 MOUDI 之前，增 加奈米微粒收集量；Martuzevicius et al. (2004) 研究辛辛那堤地區懸浮微粒的粒 徑分布狀況，並進一步分析其微粒中的化學成分；Miguel et al. (2004) 研究洛杉 磯大氣中奈米微粒化學成份與多環芳香汀分布特徵；Fine et al. (2004) 研究洛杉 磯地區奈米微粒之有機物含量；Sardar et al. (2005) 研究洛杉磯大氣中的粗微 粒、細微粒與超細微粒濃度，並將採集的微粒作後續的化學分析；Herner et al.

(2005) 研究冬季加州大氣中奈米微粒的化學成份；Herner et al. (2006) 採集加州 中部的大氣懸浮微粒，並分析微粒的化學成分。上述學者利用未塗敷矽油的收集 表面的MOUDI，探討大氣奈米微粒(或稱超細微粒)的生成機制、質量濃度變化 與化學成份特徵。

收集基質上若不塗敷油品會造成奈米微粒的高估，因此有部分學者在 MOUDI 的收集表面上塗敷矽油進行相關的研究(Shen et at., 2002; Park et al., 2003, Lin et al., 2005)。Lin et al. (2005)使用塗敷矽油的鐵氟龍濾紙作為 MOUDI 的收集 表面，進行交通汙染的微粒採樣，研究大氣微粒濃度及汽機車輛排放廢氣之金屬 成份特性，並分析各項污染物與污染來源之關係。基質與微粒種類對微粒彈跳影 響之文獻比較如表 2.1 所示，Park et al. (2003)使用 SMPS 與塗敷矽油鋁箔之 MOUDI 同時採集柴油引擎排放出的奈米微粒，比較兩者為收集表面的質量濃度 分布，並計算微粒有效密度與形狀係數，發現MOUDI 所採集到小於 0.1 μm 的 微粒質量濃度明顯高於SMPS，且 MOUDI 數據在微粒粒徑等於 0.02 μm 附近出 現一峰值。

使用潤滑油或是油品塗敷在衝擊板上可以有效降低或消除微粒在多階衝擊 器中的彈跳 (Dzubay et al., 1976；Rao and Whitby, 1978a；Vanderpool et al., 1987)，通常塗敷的物質為有黏性的油品 (Sticky oil)、潤滑油 (Grease)以及石蠟 薄 膜 (Wax film) ， 然 而 並 不 是 所 有 的 固 體 微 粒 會 彈 出 未 塗 敷 的 基 質 (bare surface)，微粒的硬度似乎會影響微粒彈跳，將二氧化鉛與黃銅倒進相對硬度較 軟的煙霧粉塵後，在未塗敷的不鏽鋼板上不會有彈跳情形的發生(Hinds et al., 1985)。另外 Newton et al. (1990)也發現氯化銫 (CsCl)以及黏土 (Clay)微粒可能因 為微粒不規則形狀而使微粒彈跳降低。微粒也會因微粒承載量上升而使微粒彈跳 情形趨於嚴重，因為採樣微粒會直接撞擊已收集之微粒而非潤滑油 (Cheng and Yeh, 1979)。Vanderpool et al. (1987)測試固體微粒在不同衝擊基質之收集效率，

見圖 2.1，結果發現玻璃纖維濾紙以及與未塗敷的基質收集固體微粒效率不佳，

最高只有5%，在較重微粒承載的情況下，由於低黏滯性的油品會產生毛細作用 (Capillary action)進而覆蓋採樣微粒，因此低黏滯性的油品比起潤滑油還能更有效 降低微粒彈跳(Turner and Hering, 1987)。Dzubay et al. (1976)使用兩台 Anderson 2000 多 階 衝 擊 器 在 快 車 道 上 同 時 進 行 採 樣 ， 一 個 有 塗 敷 真 空 油 (Vacuum

捕抓的大微粒會彈跳至較下階收集粒徑的衝擊板上。Lawson et al. (1980)也比較 有無塗敷石蠟於濾材上，發現在相同溼度的環境下，有塗敷的濾材收集效率會明 顯比未塗敷的濾材高出25~30%。

由上述的文獻回顧可知，MOUDI 之收集表面大都皆不塗敷矽油，只有部份 學者使用塗有矽油的收集表面，但是過去的許多研究顯示，不論MOUDI 的收集 表面是否塗有矽油，仍會存在奈米微粒彈跳問題 (Shen et al., 2002; Park et al., 2003; Fujitani et al., 2006)。Shen et al. (2002)利用 SMPS-APS 系統比較使用塗有矽 油的鐵氟龍濾紙衝擊板之 MOUDI 的質量濃度分布，發現 SMPS-APS 所採集到 0.32 ~ 1 μm 的微粒質量濃度和 MOUDI 數據相符合，然而當微粒粒徑小於 0.1 μm 時，使用塗有矽油的鐵氟龍濾紙衝擊板之 MOUDI 所採到的質量濃度高於 SMPS-APS 系統，如圖 2.2 所示，由此推論出微粒彈跳問題存在於 MOUDI 中，

造成採樣的質量濃度誤差。Fujitani et al. (2006)比較未塗敷的石英濾紙之低壓衝 擊器，與使用未塗敷矽油的鋁箔的 MOUDI 的微粒質量濃度分布，結果發現 MOUDI 所採集到粒徑小於 0.1 μm 的微粒質量濃度明顯高於低壓衝擊器，可能原 因是MOUDI 採集小於 0.1 μm 的微粒時會有微粒彈跳的現象發生，造成奈米微 粒採樣濃度的高估，且微粒質量濃度分布往粒徑較小的方向偏移，如圖2.3 所示。

Park et al. (2003)使用 SMPS 與塗敷矽油鋁箔之 MOUDI 同時採集柴油引擎排放出 的奈米微粒，以比較兩者為收集表面的質量濃度分布，並計算微粒有效密度與形 狀係數，結果如圖2.4 所示，可看出 MOUDI 數據和 SMPS 數據的相關性很高，

而MOUDI 所採集到小於 0.1μm 的微粒質量濃度明顯高於 SMPS，且 MOUDI 數 據在微粒粒徑等於0.02 μm 附近出現一峰值，推測在 MOUDI 內奈米微粒有很嚴 重的微粒彈跳問題。

Marple (1991)建議收集固體微粒時衝擊基質上應噴灑油類物質以降低微粒 彈跳，雖然無法完全抑制微粒彈跳的發生，但仍屬於較能避免微粒彈跳發生的標 準方法之ㄧ，我們也須考量基質上塗敷矽黃油的量，若塗敷太多會造成油類在 MOUDI 進行採樣時溢出衝擊板而導致微粒重量分析低估；反之若塗敷太少，則 無法有效降低微粒彈跳，鋁箔塗敷量的多寡結果將於第四章說明。

礙於微粒後續的化學分析，若不使用已塗敷的基質來抑制固體微粒彈跳，

另一種較常用的方法就是提高大氣的相對溼度，讓微粒表面有一層液相存在，微 粒間剛體碰撞機會大大降低。

圖 2.1 不同基質對固體與液體微粒的收集效率 (Vanderpool et al., 1987)

MOUDI (μg/m³)

圖 2.2 MOUDI 與 SMPS-APS 之微粒重量濃度比較(Shen et al., 2002)

圖 2.3 分別放置石英濾紙與鋁箔在LPI中測得的微粒質量分布圖 (Fujitani et al., 2006)

圖 2.4 MOUDI 與 SMPS 之微粒質量濃度分布比較(Park et al., 2003)

表 2.1 基質與微粒種類對微粒彈跳影響之文獻比較

Turner and Hering, 1987

塗敷低黏滯油品與潤滑

MOUDI 數據與 SMPS-APS 數 Shen et al., 據相近 質(Pilinis and Seinfeld, 1989)，以上延遲水分吸收以及排出的現象稱為”遲滯”