實驗儀器

本研究使用到的儀器有微孔均勻沉降衝擊器 MOUDI (Micro-Orifice Uniform Deposit Impactor, Model 110, MSP corporation, Minneapolis, MN)、雙通道 PM10-2.5

及PM2.5 Dichot(Dichotomous, Andersen SA-241)、掃瞄式電動式微粒分析儀 SMPS (Scanning mobility particle sizer, TSI Incorporated, St. Paul, MN)。本研究主要使用 MOUDI 進行以下實驗並說明其實驗目的：

1. MOUDI 的測試步驟，測試兩台 MOUDI(M1 與 M4)各階層所收集到的微粒濃 度差異，其目的為確保M1 與 M4 濃度收集濃度相近。MOUDI 分別與 Dichot、

SMPS 收集到的濃度作比對驗證已塗敷矽黃油的鋁箔的確可抑制微粒彈跳。

2. 測試 MOUDI 內不同收集板材質的彈跳情形比對，以了解在一般大氣相對溼 度下(50~80%)，鋁箔與鐵氟龍等不同基質在 MOUDI 內各階收集到的濃度差 異。

3. 控制溼度時 MOUDI 內的微粒彈跳研究，了解提升相對溼度後不同收集基質 在MOUDI 內各階收集到的濃度差異，期望能降低微粒彈跳。

3.1 實驗儀器

下面將一一介紹本研究使用的微粒粒徑量測儀器之粒徑量測範圍、操作條 件及參數等等。

1. MOUDI (圖 3.1)： 此儀器可以量測微粒的重量濃度分布。測量質量濃度分 布時的採樣流量為30 L/min，採樣的粒徑範圍由 56 nm 至 18000 nm。 MOUDI 由噴嘴加衝擊板組合而成，如圖 3.2，其原理是當微粒具有足夠的慣性力時能夠 撞擊於衝擊板上被收集，而當慣性力小的微粒會隨著氣流被帶至下一階，造成不 同粒徑之微粒逐階分離收集。每一階層因為噴嘴口徑大小造成不同出口速度，而

形成可收集微粒之截取直徑，當微粒大於階層的截取直徑則可被收集，比其截取 直徑小之微粒則會通過。表3.1 為多階衝擊器之各階的截取粒徑、噴嘴大小及噴 嘴數等設計的詳細資料，此處截取氣動直徑值(Dpa50)代表微粒經過噴嘴後，微粒 中有此階氣動直徑的50%數量會被此階基質所收集，進口階、第一階、第二階直 至第10 階的衝擊板分別收集微粒粒徑 18μm 以上、18μm~10μm、10μm~5.6μm、

5.6μm~3.2μm、3.2μm~1.8μm、1.8μm~1.0μm、1.0μm~0.56μm、0.56μm~0.32μm、

0.32μm~0.18μm、0.18μm~0.1μm 以及收集微粒粒徑 100nm 以下的終端濾紙。

MOUDI 多階衝擊器的每一階，均有齒輪，收集時由於齒輪的帶動，使噴嘴 面與收集濾紙或鋁箔紙形成相對旋轉，進而使濾紙或鋁箔紙可以均勻收集，不至 於將微粒堆積在同一點上，造成採樣時之局部壓損急升。另外，階與階層間均具 有O-ring seal，可使階與階間密合，不至於在採樣過程中，受到外界氣流干擾及 污染。另外，在 MOUDI 多階衝擊器中，可藉由壓損的變化來控制其穩定的流 量，上下各有錶壓控制器，上面可控制前七階之壓損，下面可以控制其他階的壓 損，當一開始實驗時的設計流量為30 L/min，但是由於微粒阻塞濾紙及噴嘴，於 採樣過程中可能造成壓損的增加使流量下降，因此在開始實驗時，固定表壓控制 器的讀值，往後進行採樣，可依據此讀值調整流量，使流量穩定。

在本研究進行實驗時僅使用9 個衝擊板，因此採樣的粒徑範圍便改由 100 nm 至18000 nm，並且將 MOUDI 第三階截取氣動直徑從 3.2µm 換成 2.5µm 的沖擊 板，以便測得PM2.5。此儀器使用的基質 (substrate) 為鋁箔，此鋁箔紙的製造商 為美國Diamond 公司，直徑 47 mm。鋁箔上塗敷的矽油為日牌的信越矽油，型 號為KF96SP。本研究選用鐵氟龍濾紙作為終端濾紙，其為美國 PALL 公司生產，

型號為R2PL047，孔洞大小為 1 µm，直徑為 47 mm。

圖 3.1 多階衝擊器(MSP, Model 110)

圖 3.2 上圖為 MOUDI 之 10 階噴嘴，下圖為 MOUDI 之衝擊板

表 3.1 MOUDI 設計與操作參數(Marple and Olson, 1999) 行微粒粒徑分徑，微粒進入SMPS 後會先通過靜電中和器 (Neutralizer)，讓微粒 的帶電比例成波茲曼分布(Boltzmann equilibrium)，然後大部分僅帶一顆電荷的微 粒通過DMA(Differential mobility analyzer)時，具有相同電動度的微粒就會受電 荷的吸引而篩出目標粒徑，此粒徑為電動度直徑，最後再經由 CPC 算得微粒在 此目標粒徑的數目濃度。系統中的核凝微粒計數器可以以不同型號的計數器來替 換使用，此儀器系統可測量微粒的數目濃度分布。操作條件設定為Sheath flow: 3 L/min, Aerosol flow: 0.3 L/min，掃描範圍由 15.1 nm 至 661 nm，每筆分布圖的掃 描時間為2 分鐘。

圖 3.3 掃描式微粒電動度分析儀的實際照片及構造示意圖。

(資料來源：TSI website,http://www.tsi.com/)

3. Dichot (圖 3.4)：此儀器可以量測微粒的重量濃度分布。微粒進入 Dichot 上 方的環形入口後，會先經過一PM10的衝擊器去除10 μm 以上的微粒，小於 10 μm 的微粒會通過加速噴嘴而進入虛擬衝擊器中(Virtual Impactor)，微粒因慣性力大 小的不同會被分成兩股，較大顆的微粒(coarse particle, 10-2.5 μm)會直接進入噴 嘴下方，吸取流量較小(1.67 L/min)的通道而被收集在濾紙上；較小的微粒(fine particle, < 2.5 μm)則跟隨氣流轉向，進入吸取流量較大(15 L/min)的通道而被收集 在另一片濾紙上。操作條件設定為Sheath flow: 1.78L/min。

圖 3.4 雙通道 PM10-2.5及PM2.5 (Dichotomous, Andersen SA-241)採樣器

3.1.1. MOUDI 的測試步驟

MOUDI 第七、八兩階(0.25 及 0.18 μm)的噴嘴容易被微粒塞住，所以當流量 還是30 L/min，但壓損有明顯變大時，即表示噴嘴有塞住。不可將 MOUDI 的任 何一部份放入超音波震盪器中清洗(會損壞噴嘴)，正確的方式為先將要清洗的部 份浸入加少許洗潔精的清水中或其他清潔用的溶劑，一段時間後(約 24 小時或更 久)，用蒸餾水或酒精漂洗。取下噴嘴時要相當小心，因為很容易損壞噴嘴。本 研究新設計之噴嘴可直接放入超音波震盪器清洗，並無容易破損之問題。

為防止設備採樣期間產生漏氣現象，需先進行測漏實驗，步驟如下：(1)將 各階衝擊板置入採樣器中。(2)在 MOUDI 入口接上真空計(或壓力計)及針閥，真 空計在針閥與入口之間，並開啟馬達讓衝擊器旋轉。(3)打開真空幫浦並關閉針 閥，當真空計讀值大於80±5 kPa (壓力計則小於 20±5 kPa)，關閉幫浦。(4)觀察 並紀錄真空計讀值的變化，當洩漏率小於25 Pa/s 則表示通過測漏。

濾紙在採樣前須先放至調理箱24 小時以上，溫度控制為 21~22℃，相對溼 度為40±5%，塗敷過矽黃油之鋁箔需先放置烘箱中烘烤 90 分鐘再進行調理，烘

測試不同基質實驗之前，我們需先決定矽黃油(Silicone grease)塗敷於鋁箔上 的量，Marple et al. (1991)指出操作 MOUDI 時要注意乾微粒在衝擊板上反彈而被 帶至下游階層的問題，所以衝擊板需塗敷矽油以降低微粒的彈跳情形。矽油的塗 敷量與預期收集的微粒負載量有關，當衝擊板的微粒負載量為0.2、0.5 或 3.0 mg 時，烘乾後矽油的塗敷量分別至少為0.25、0.5 或 1.0 mg/cm²。Pak et al.(1992)測 試MOUDI 衝擊板的矽油塗敷厚度對微粒彈跳的影響，使用噴灑器在濾紙上塗敷 0.3、0.5、0.7 以及 9μm (相對矽油重量 0.212-6.36 mg)四種均勻厚度的矽油當作 MOUDI 的衝擊基質。結果發現在低微粒濃度情況下(100 #/cm³)任一厚度的矽油 噴灑皆能使微粒彈跳降至很低(<7%)，且一般使用 MOUDI 收集細微粒與奈米微 粒時，微粒需被收集一定的量才能準確的被秤出重量。然而兩台MOUDI 各階效 率比對實驗也需了解，以便於後續實驗，此部分實驗的兩台濾紙需同時放置已塗 敷的鋁箔，且進行為時一天的大氣採樣，測試結果將於4.1 節說明。

SMPS與MOUDI之比對測試

實驗我們將SMPS、Dichot 與 MOUDI 同時在馬路旁、森林中以及隧道內等 不同地方進行採樣並同時紀錄溼度，讓MOUDI 內放置已塗敷的鋁箔當成一個未 產生微粒彈跳的基準藉此比較另一台改變收集基質或大氣溼度的 MOUDI 數 據，驗證塗敷矽黃油的鋁箔的確能大大降低微粒彈跳情形的發生，SMPS 與 MOUDI 彈跳比對實驗示意圖 3.5。

10階 MOUDI

Vacuum pump TSI 3080 TSI 3022

Atmosphere

圖 3.5 SMPS 與 MOUDI 微粒彈跳比對實驗示意圖

微粒的密度可將SMPS取得的數目濃度數據轉換成重量濃度數據，一般微粒 濃度，並且透過公式來訂出微粒的有效密度。Spencer et al.(2007)提到微粒的有效 密度與大氣絕對含水量有關，因此要算出大氣的絕對含水量首先先算得大氣中水

其中T為溫度，ps為1013.25 mb，a = 1-(Ts/T)，Ts = 375.15 K。得知水分子飽 和蒸氣壓以及採樣時之相對溼度 (RH)，則水分子混合比可利用下列公式算得。

R及Mi分別為理想氣體常數及水分子分子量，最後再查詢Spencer et al.(2007) 所提出的相對溼度下大氣水分子毫莫耳比率(mMol/Mol)與有效密度之圖可求得 微粒有效密度，見圖3.6。

圖 3.6 不同微粒電動度下，微粒有效密度與大氣含水量的關係 (Spencer et al. 2007)

藉由有效密度將SMPS的電動度直徑轉換成MOUDI的氣動直徑進行比對

X為粒徑修正係數 (size-correction factor, Khlystov et al.,2004)

若假設微粒為圓球型且C(da) = C(dm)，則微粒數目濃度 (Ni)可利用下列公式

Cm = 微粒重量濃度 Ni = 微粒數目濃度