MOUDI 的收集基質在未塗敷與已塗敷情況下的比較測試結果

微粒經Nafion dryer後損失量測試結果

此研究主要了解環境中奈米微粒量與 MOUDI 所收集到的濃度差異性高 低，表4.5 與表 4.6 右欄數據為裝置溼度控制器的 M4 各階微粒濃度分布，我們 以 M1 為標準比較微粒經過溼度控制器後的微粒損失量。在總濃度方面，發現 M4 的總濃度比 M1 有明顯下降約 20%，主要的微粒損失範圍在粒徑大於 5.6μm，

大微粒的同一截取粒徑範圍的微粒損失最高將近50%左右，大微粒損失可能原因 是微粒通過1 毫米大小、780 個管束且管長為 18.78 公分組成的 Nafion dryer 時 被攔截掉，其結果與Nafion dryer 搭配錐形震盪微量天秤(TEOM 流量為 16.7 Lpm, 是利用濾紙秤重原理來即時監測大氣氣膠質量濃度)使用的結果一樣，嚴重低估 粗粒徑(2.5~10μm)質量濃度之懸浮微粒 (許等人，2004)。奈米微粒的濃度差異很 低小於12%以下，其餘粒徑的微粒濃度並無明顯的改變。

在 PM 比較方面，如表 4.7，表值為 M4 重量濃度與 M1 重量濃度之比值。

若使用Nafion dryer 來收集大氣微粒，除了 PM10方面的濃度差異較大外，約低 估14%，其餘的 PM0.1、PM2.5以及PM1.0的濃度差異並不大，因此Nafion dryer 可與上述三種量測範圍的儀器搭配一起使用，例如雙道採樣器(Dichot)的 PM2.5

與旋風集塵器(Cyclone)的 PM2.5。由此可見裝置Nafion dryer 後的微粒分布除了 大於5.6μm 以上的微粒會損失外，其餘微粒粒徑濃度差異與未加裝 Nafion dryer 相近且小於1.8μm 的微粒粒徑分布無明顯的粒徑偏移。

為了更一步驗證奈米微粒通過 Nafion dryer 後重量損失很低，根據 Gormley

的Nafion dryer 採樣器置入ㄧ個大混合腔中，並使用 Atomizer (TSI 3076)產生氯 化鈉的多徑微粒且加入大量的稀釋氣體一同導入大混合腔以產生一個微粒濃度 穩定的空間。1 與 2 分別代表混合腔內與通過 Nafion dryer 後之濃度，並使用 SMPS 測得其微粒粒徑分布。實驗結果如圖4.5，由圖發現實驗值與理論值很接近，

20nm、50nm、80nm 以及 100nm 理論上與實驗值分別為 12.16%與 14.5%、3.97%

與5.50%、2.27%與 3.00%、1.75%與 2.1%，小於 20nm 的微粒擴散損失較理論值 稍微偏高，主要原因是微粒濃度較低之緣故，使得實驗精準度下降。由此可證明，

奈米微粒經過Nafion dryer 後的主要損失為擴散損失，數目濃度損失比例若換算 成重量濃度損失比例應在5%以下與 MOUDI 實測值極為相近。

表 4.5 使 M1、M4 各階鋁箔收集板均塗矽油時經過 Nafion dryer 的微粒濃度比 較, 981215

Dp50(μm) M1(μg/m³) M4(μg/m³) 各階損失(%)

>18 3.359 0.962 71.35 10~18 1.948 0.521 73.27 5.6~10 4.330 2.914 32.70 2.5~5.6 6.992 5.584 20.14 1.8~2.5 1.394 1.338 3.95 1.0~1.8 1.740 1.614 7.24 0.56~1.0 2.543 2.071 18.58 0.32~0.56 3.047 3.504 -14.99 0.18~0.32 0.891 1.050 -17.86 0.1~0.18 0.544 0.479 11.94

<0.1 0.361 0.319 11.54 SUM 27.149 20.357

註：各階損失= (M1-M4)/M1*100

0.01 0.1 1 10 100 Dpa, μm

0 4 8 12 16 20

d M /d lo g (D p a ), μ g/ m

3

981215 M1 M4

MMAD

M1: 4.94 & 0.49 μm M4: 4.12 & 0.47 μm

圖 4.2 使 M1、M4 各階鋁箔收集板均塗矽油時各階濃度之分布圖, 981215 表 4.6 使 M1、M4 各階鋁箔收集板均塗矽油時經過 Nafion dryer 的微粒濃度比 較, 981218

Dp50(μm) M1(μg/m³) M4(μg/m³) 各階損失(%)

>18 6.155 0.989 83.92 10~18 3.231 0.781 75.82 5.6~10 5.474 4.040 26.20 2.5~5.6 9.347 9.037 3.32 1.8~2.5 2.929 2.905 0.81 1.0~1.8 10.747 10.976 -2.12 0.56~1.0 14.708 13.566 7.76 0.32~0.56 12.684 11.999 5.40 0.18~0.32 3.460 3.961 -14.48

0.1~0.18 0.707 0.828 -17.24

0.01 0.1 1 10 100 Dpa, μm

0 20 40 60

dM/dlog(Dpa), μg/m3

981218 M1 M4

MMAD

M1: 3.78 & 0.62 μm M4: 4.88 & 0.70 μm

圖 4.3 使 M1、M4 各階鋁箔收集板均塗矽油時各階濃度之分布圖, 981218

表 4.7 大氣微粒經 Nafion dryer 之 PM 比值

Date PM0.1 PM1.0 PM2.5 PM10

981215 0.88 1.00 0.99 0.87 equipment loss

981218 0.94 0.96 0.98 0.95

圖 4.4 測試微粒通過 Nafion dryer 損失量之實驗流程圖

表 4.8 奈米微粒的擴散損失

Gormley & Kennedy (1949)

0 40 80

Particle Loss, %

4.2.1. 未塗敷的鋁箔與已塗敷的鋁箔

本研究的三次實驗結果如下，980912 與 980920 兩筆數據的 M1 與 M4 未裝 置溼度控制系統，981231 數據則利用圖 3.8 的(B)溼度控制系統來降低採樣溼度，

M1 與 M4 均同時裝置溼度控制系統且控制相對溼度在 50%左右。980912 的 M4 總濃度損失高達 40%，主要是未塗敷矽黃油的鋁箔基質表面光滑不易抓住粗微 粒，使得大於18μm 的微粒往小微粒方向移動，但是未被抓住的微粒並未被下面 階層捕獲而損失在管壁上，造成微粒的總重量濃度差異性升高，其餘兩次實驗的 粗微粒總濃度沒有980912 此筆數高而使得總濃度差異下降，如圖 4.6、圖 4.8 與 圖4.10。微粒粒徑介於 1.8μm 至 0.32μm 之間的濃度差異性極低，沒有明顯粒徑 偏移發生；奈米微粒重量濃度隨著相對溼度的下降而高估情形越趨嚴重，見表 4.9、表 4.10 與表 4.11，尤其是採樣入口相對溼度達 50%左右時奈米微粒高估一 倍以上，主要原因是粒徑 0.1~0.18μm 的微粒在此環境中因為無法被無塗敷的基 質完全補捉而有往奈米微粒移動的趨勢，使得低濃度的奈米微粒重量濃度明顯高 估，此結果與Park et al. (2003)使用 MOUDI 與 SMPS 比較結果相似。

在 PM 比較方面，如表 4.12，若使用未塗敷的鋁箔基質來收集大氣微粒，

PM0.1方面的濃度隨著相對溼度從67%下降至 52%時有明顯上升的趨勢，980912 與980920 兩筆數據奈米微粒的高估隨著相對溼度上升而攀高但此範圍的絕對溼 度並不因絕對濕度的上升使得奈米微粒彈跳下降；PM10 因為粗微粒的損失而有 些許的濃度差異，主要損失在粒徑10μm 以上；PM2.5、PM1.0則無明顯差異，也 就是說一般相對溼度的大氣採樣並不會嚴重影響到PM2.5與PM1.0。

表 4.9 M1 收集板鋁箔塗敷矽油、M4 則未塗敷時各階濃度差異比較, 980912 (M1 coated Al, M4 uncoated Al, no control RH, RH: 56~70% T: 28~34℃)

Dpa50(μm) M1(μg/m³) M4(μg/m³) 各階損失(%) SUM 39.867 23.641

0.01 0.1 1 10 100

17:50 22:50 3:50 8:50 13:50 18:50

Relative humidity, %

980912 (M1 coated Al, M4 uncoated Al, no control RH, RH: 55~85% T: 25~33℃)

Dpa50(μm) M1(μg/m³) M4(μg/m³) 各階損失(%) SUM 45.853 42.784

0.01 0.1 1 10 100

15:05 20:05 1:05 6:05 11:05 16:05 Time

Relative humidity, %

980920 T RH

表 4.11 M1 收集板鋁箔塗敷矽油、M4 則未塗敷時各階濃度差異比較, 981231 (M1 coated Al, M4 uncoated Al, control RH, RH: 48~58% T: 10.6~12.9℃)

Dp50(μm) M1(μg/m³) M4(μg/m³) 各階損失(%)

>18 1.071 0.327 69.49 10~18 0.694 0.569 18.06 5.6~10 4.947 4.194 15.23 2.5~5.6 19.266 17.429 9.54 1.8~2.5 4.472 4.330 3.17 1.0~1.8 4.409 4.102 6.96 0.56~1.0 6.157 6.606 -7.29 0.32~0.56 7.803 7.559 3.13 0.18~0.32 3.516 3.285 6.56 0.1~0.18 1.121 0.902 19.57

<0.1 0.792 1.838 -132.16 SUM 54.249 51.140

0.01 0.1 1 10 100

Dpa, μm 0

20 40 60

dM/dlog(Dpa), μg/m3

981231 M1 M4

MMAD

M1: 3.70 & 0.50 μm M4: 3.65 & 0.52 μm

圖 4.10 M1 收集板鋁箔塗敷矽油、M4 則未塗敷時之各階濃度之分布圖, 981231

16:20 21:20 2:20 7:20 12:20 17:20

Relative humidity, %

981231

Date Temperature RH_Inlet

absolute humidity,

μg/m³

PM0.1 PM1.0 PM2.5 PM10

980912 30.4±2.3℃

(28~34℃)

64.0±8.9%

(56~70%) 1805.27 1.76 1.11 1.08 0.87 980920 28.8±2.8℃

(25~33℃)

67.7±9.1%

(55~85%) 1749.74 1.47 1.04 1.04 1.01 Normal

humidity

981231 14.6±2.5℃

(11~13℃)

MOUDI 採樣口的相對溼度下降至 8~18%，圖 4.12、圖 4.13 為控制 MOUDI 進口 相對溼度的M4 與未控制溼度的 M1 微粒濃度分布圖，圖 4.14 為 M4 MOUDI 採 樣入口與大氣溫溼度圖，相對溼度平均相差50%。發現低溼度的微粒會產生非常 明顯的微粒粒徑偏移，微粒粒徑大於2.5μm 因溼度控制器以及相對溼度太低而損 失掉，而小於2.5μm 的微粒則開始往小微粒方向移動，當相對溼度控制在 8~18%

時，粒徑大小0.56~1.0μm 範圍的微粒彈跳最明顯，高達 51%的微粒往小微粒方 向移動；相對溼度控制在 10~12%時，粒徑大小 0.56~1.0μm 範圍的微粒有 27%

左右的微粒往下移動；相對溼度從 60%降至 20%時，微粒的粒徑分佈從雙峰變 成單峰分布。低溼度環境下所採集的奈米微粒重量濃度與已塗敷的鋁箔的M1 比 起來，則會高估 2~2.5 倍。綜合以上結果可知當使用未塗敷矽黃油的鋁箔當成 MOUDI 的衝擊基質時，大氣相對溼度越低奈米微粒高估值越高，且相對溼度從 52%降至 15%左右時，奈米微粒彈跳濃度則會從高估的 1.5~1.7 倍上升到 2~2.5 倍。

在總濃度方面，見表 4.13、表 4.14，此部份微粒損失比相對溼度 52%高出許 多，損失將近29~40%，而且相對溼度越低使得微粒損失比例越大，這更能說明 微粒彈跳會除了會使得收集到的微粒粒徑不準確外更會增加管壁損失(Dzubay et al.,1976；Cheng and Yeh,1979)。

在 PM 比較方面，如表 4.15，使用未塗敷的鋁箔且相對溼度控制在極低的情 況下來採集大氣微粒，PM0.1 方面的濃度有明顯高估，代表此部份具有嚴重的微 粒彈跳情形發生，而 PM10則因為使用未塗敷的鋁箔以及低溼度環境下的雙重影 響使得重量濃度差異變大，微粒主要損失在溼度控制器以及 MOUDI 管壁內，

PM2.5以及 PM1.0的濃度差異並不大，可能是因為微粒彈跳以及微粒因水氣成長 且變重的雙重因素下造成的結果。

表 4.13 M1 收集板鋁箔塗敷矽油、M4 未塗敷時之各階濃度差異比較, 980824 (M1 coated Al, RH:57~81% T:28~34℃, M4 uncoated, RH:8~18% T:28~34℃)

Dpa50(μm) M1(μg/m³) M4(μg/m³) 各階損失(%)

>18 4.058 0.345 91.50 10~18 2.324 0.704 69.71 5.6~10 3.858 1.362 64.71 2.5~5.6 6.634 2.752 58.51 1.8~2.5 1.394 1.362 2.26 1.0~1.8 2.779 1.630 41.36 0.56~1.0 8.275 4.031 51.28 0.32~0.56 6.803 8.724 -28.24 0.18~0.32 3.301 4.335 -31.33 0.1~0.18 1.397 1.990 -42.44

<0.1 0.620 2.194 -253.73 SUM 41.444 29.430

0.01 0.1 1 10 100

0 10 20 30 40

d M /d log( D p a) , μg/ m

3

980824 M1 M4

MMAD

M1: 5.69 & 0.53 μm

M4: 0.88 & 0.40 μm

表 4.14 M1 收集板鋁箔塗敷矽油、M4 未塗敷時之各階濃度差異比較, 980905 (M1 coated Al, RH:57~81% T:28~34℃, M4 uncoated, RH:10~12% T:28~34℃)

Dpa50(μm) M1(μg/m³) M4(μg/m³) 各階損失(%) SUM 34.733 21.104

0.01 0.1 1 10 100

21:11 2:11 7:11 12:11 17:11 22:11

Relative humidity, %

980905

Date Temperature RH_Inlet

absolute humidity,

μg/m³

PM0.1 PM1.0 PM2.5 PM10

980824 28~34℃ 8~18% 276.01 3.54 1.04 0.99 0.82 Low humidity

980905 28~34℃ 10~12% 331.2 3.02 1.15 1.09 0.77 註：980824 與 980905 均裝置溼度控制器

4.2.2. 未塗敷的鐵氟龍(M4)與已塗敷的鋁箔(M1)

(M1 coated Al, M4 uncoated Teflon, RH: 22~25% T: 34~35℃) Dp50(μm) M1(μg/m³)

<0.1 18.593 28.259 -51.99 SUM 112.709 111.001

0.01 0.1 1 10 100

12:45 13:35 14:25 15:15 16:05 16:55 30

Relative humidity, %

980508 T

RH_Tunnel

表 4.17 無塗敷矽黃油的鐵氟龍基質與有塗敷矽黃油的鋁箔基質在低相對溼度環 境中之PM 比值

Date Temperature RH_Inlet absolute humidity,

μg/m³

PM0.1 PM1.0 PM2.5 PM10

Low humidity 980508 34.7±0.1℃

(34~35℃)

23.5±1.2%

(22~25%) 834.06 1.52 1.04 1.04 1.03 980508 未裝置溼度控制器

在文檔中 一個多階衝擊器內的微粒反彈及溼度的影響研究 (頁 42-59)