個人奈米採樣器的設計及驗證

國立交通大學

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環境工程研究所

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個人奈米採樣器的設計及驗證

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個人奈米採樣器的設計及驗證

個人奈米採樣器的設計及驗證

Design and validation of a personal nanoparticle

sampler

研究生

研究生

研究生

研究生:洪紹銘

洪紹銘

洪紹銘

洪紹銘

指導教授

指導教授

指導教授

指導教授:蔡春進

蔡春進

蔡春進

蔡春進 博士

博士

博士

博士

中華民國

中華民國

中華民國

中華民國一

一

一

一百

百

百

百年

年

年

年一月

一月

一月

一月

個人奈米採樣器的設計及驗證

個人奈米採樣器的設計及驗證

個人奈米採樣器的設計及驗證

個人奈米採樣器的設計及驗證

Design and validation of a personal nanoparticle sampler

研究生

研究生

研究生

研究生 : 洪紹銘

洪紹銘

洪紹銘

洪紹銘 Student : Shao-Ming Hung

指導教授

指導教授

指導教授

指導教授 : 蔡春進

蔡春進

蔡春進

蔡春進 Advisor : Chuen-Jinn Tsai

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碩士論文

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A Thesis

Submitted to Institute of Environmental Engineering

College of Engineering

National Chiao Tung University

in Partial Fulfillment of Requirements

for the Degree of

Master of Science

in

Environmental Engineering

2010

Hsinchu, Taiwan, Republic of China

中

中

中

中 華

華

華

華 民

民

民

民 國

國

國

國一

一佰

一

一

佰

佰

佰年

年

年

年壹

壹

壹

壹月

月

月

月

摘要

摘要

摘要

摘要

奈米物質具有獨特的物化特性而被廣泛的應用在不同領域，其產量持續地成長當 中，人們也因此開始關注暴露在奈米微粒中對健康所造成的潛在影響。由於奈米物質具 有粒徑小和表面積大的特性，許多研究均顯示奈米物質相較於相同化學成分的塊材物質 對生物有較大的影響。2005 年 NIOSH 建議勞工在每日工作 8 小時、一週工作 40 小時 的情況下，TiO2細微粒及超細微粒的暴露時量平均濃度應分別小於 1.5 mg/m 3 和 0.1 mg/m3。然而目前市面上尚未有合適的採樣器可供個人奈米微粒的暴露評估。因 此本研究主要目的為研發了一組可用於作業場所採集奈米微粒的個人採樣器。 本採樣器(IOSH-NCTU PNS)重 250 g、高 105 cm、直徑 6.3 cm，包含一個旋

風器和一個微孔衝擊器，分別用來分離可呼吸性微粒(respirable particulate matter ,

RPM)及奈米微粒(NPs)，且在 2.0 L/min 的操作流量下，產生的壓損為 125 cm H2O。此微孔衝擊器(含 137 個直徑 55 µm 噴嘴)具有一個可旋轉且塗敷矽油的鋁 箔衝擊基質的衝擊板，使微粒可均勻分布在衝擊基質上並降低微粒彈跳的發生。 最後在衝擊器下方設置有一片用來採集奈米微粒的終端濾紙。 本研究先於實驗室利用液體和固體微粒進行本採樣器的微粒收集效率曲線 校正，再進行微粒負載測試，之後與微孔均勻沉積衝擊器(MOUDI) 進行實驗室 內比對以驗證本採樣器校正曲線的準確性。 校正結果顯示當 S/W 為 13.8，旋風器和微孔衝擊器的截取氣動直徑分別為 3.98±0.1 µm 和 101.4±0.1 nm。而 S/W 由 3.13 增加至 16.2，微孔衝擊器的截取直 徑會由 72.5 nm 上升至 111 nm。由微粒負荷測試結果可知，本採樣器在高微粒濃 度負荷下壓損幾乎不會改變且微粒最大負荷量為 0.65 mg。此外實驗室比對測試 的結果顯示本採樣器採集的的 RPM 及 NPs 濃度和 MOUDI 均十分接近。因此， 本研究設計的採樣器已可用於評估作業人員 RPM 及 NPs 的暴露量。 關鍵詞：奈米微粒、個人奈米採樣器、可呼吸性旋風器、多微孔衝擊器

Abstract

Production of nano-materials has increased continuously because of their unique physicochemical characteristics and extensive applications. There is a great concern for the potential health effects due to exposure to nanoparticles. Because of small size and large surface area, many studies have shown that the biological effects of nano-materials are greater than bulk materials of the same chemical composition. In 2005, the NIOSH recommended the exposure limits of 1.5 mg/m3 for fine TiO2 and

0.1 mg/m3 for ultrafine TiO2, in terms of time-weighted average concentrations (TWA)

for up to 8 hr/day during a 40-hour work. However, there are no active personal sampling devices to assess the exposure levels of workers to engineered nanoparticles (NPs).

To meet the demand, a novel IOSH-NCTU personal nanoparticle sampler (IOSH-NCTU PNS) was designed and tested. The PNS operates at 2 L/min with a pressure drop of 125 cm H2O by a SKC XR 5000 pump. The PNS consists of a

respirable cyclone and a micro-orifice impactor (with 137, 55 µm in diameter nozzles) in series for classifying respirable particulate matter (RPM) and NPs, respectively. The impactor plate is rotated by a stepper motor to deposit particles uniformly on the substrate. A final filter is used to collect NPs. The sampler is light weighted (250 g) and compact (H-10.5 cm, D- 6.3 cm).

Both liquid and solid particles were used to calibrate the sampler for the collection efficiency. The effect of heavy particle mass loading on performance of the PNS was evaluated. For assessing its accuracy, the measured RPM and NPs concentrations by the PNS were compared with those of a collocated MOUDI.

Calibration results show that the cutoff aerodynamic diameter (dpa50) of the

respectively, with the S/W of 13.8. A decreasing S/W from 16.2 to 3.13 in the micro-orifice impactor results in a decreased dpa50 from 111 to 72.5 nm. The particle

loading tests reveals that the PNS has a maximum loading of 0.65 mg with a less than 5 % shift of dpa50 and a negligible solid particle bounce. The change in the pressure

drop was less than 5 cm H2O after heavy particle loading, and the RPM and NPs

concentrations agreed well with those of the MOUDI. Therefore, the present IOSH-NCTU PNS sampler is capable of assessing personal exposure levels of RPM and NPs in workplaces.

Key words ： nanoparticles, personal nanoparticle sampler, respirable cyclone, micro-orifice impactor

致謝

致謝

致謝

致謝

喔耶!總算輪到我了。 兩年多的時光匆匆流過，感謝這段時間內，蔡老師對我的細心指導與教誨。 在研究過程中，不知經歷了多少挫折與失敗，但幸好有許多打球的好夥伴陪 我ㄧ起渡過。包括男排的洸儀、Ian、展帆、京澄、信元；女排的靜宜學姐、小 雞、大王、家馨、恰恰、雅茹；壘隊的傑哥、王董、彥禎學長、文彬學長、理安 學長、亮毅、蝦味鮮、介華、小貓、小咖、排骨飯、庚轅、謝賽、sky、玉米頭 和榮正壘球隊的各位。 此外感謝實驗室的士軒學長、正生學長、承翰師傅、冠宇、凱迪、苦哥、怡 伶學姊、羅楚大大、政毓、宏達、周ㄤㄤ、俊男、天天、技恩弟弟、芸伊、栢森、 毅弘、怡伶、能駿、盧緯、香菇、盈禎、能凱、穎慧、小貓、炯朝、豊琪、偉恩、 秉才等陪我度過碩士班生活。 蕭先生、鄭老闆、蔡師傅、王廠長，謝謝您們幫我製作如此困難的研究設備。 最後感謝我的家人，有你們無私的支持，使我可以無後顧之憂的完成碩士學 業。 特別感謝：傑哥、俊男、宏達、冠宇、政毓、炯朝、秉才、偉恩總在我研究不順 時提供我最大的幫助。

目錄

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摘要 摘要 摘要 摘要... i Abstract ... ii 致謝 致謝 致謝 致謝... iv 目錄 目錄 目錄 目錄... v 圖目錄 圖目錄 圖目錄 圖目錄... vii 表目錄 表目錄 表目錄 表目錄... ix 一 一 一 一、、、、 背景分析背景分析背景分析背景分析 ... 1 1.1 研究背景及重要性研究背景及重要性研究背景及重要性... 1 研究背景及重要性 1.2 可攜帶式奈米微粒監測器可攜帶式奈米微粒監測器可攜帶式奈米微粒監測器... 3 可攜帶式奈米微粒監測器 1.3 微粒分徑採樣器微粒分徑採樣器微粒分徑採樣器... 6 微粒分徑採樣器 1.3.1 個人可呼吸性微粒採樣器個人可呼吸性微粒採樣器個人可呼吸性微粒採樣器個人可呼吸性微粒採樣器 ... 7 1.3.2 小型奈米微粒分徑採樣器小型奈米微粒分徑採樣器小型奈米微粒分徑採樣器小型奈米微粒分徑採樣器 ... 8 1.4 研究目的研究目的研究目的 ... 19 研究目的 二 二 二 二、、、、 個人奈米採樣器個人奈米採樣器個人奈米採樣器個人奈米採樣器 ... 20 2.1 個人奈米採樣器的設計個人奈米採樣器的設計個人奈米採樣器的設計... 20 個人奈米採樣器的設計 2.2 微粒粒徑計算理論微粒粒徑計算理論微粒粒徑計算理論... 24 微粒粒徑計算理論 2.3 旋風器相關理論旋風器相關理論旋風器相關理論... 26 旋風器相關理論 2.4 個人採樣幫浦個人採樣幫浦個人採樣幫浦... 28 個人採樣幫浦 三 三 三 三、、、、 實驗系統與方法實驗系統與方法實驗系統與方法實驗系統與方法 ... 31 3.1 多微孔衝擊器微粒收集效率測試多微孔衝擊器微粒收集效率測試多微孔衝擊器微粒收集效率測試 ... 31 多微孔衝擊器微粒收集效率測試 3.2 可呼吸性旋風器收集效率的測試可呼吸性旋風器收集效率的測試可呼吸性旋風器收集效率的測試 ... 33 可呼吸性旋風器收集效率的測試 3.3 多微孔衝擊器微粒負荷與壓損變化多微孔衝擊器微粒負荷與壓損變化多微孔衝擊器微粒負荷與壓損變化、多微孔衝擊器微粒負荷與壓損變化、、、微粒收集效率之關係微粒收集效率之關係微粒收集效率之關係微粒收集效率之關係 ... 34 3.4 個人奈米採樣器與個人奈米採樣器與個人奈米採樣器與 MOUDI 的實驗室比對系統個人奈米採樣器與 的實驗室比對系統的實驗室比對系統 ... 36 的實驗室比對系統 3.5 品保品管品保品管品保品管(QA/QC) ... 37 品保品管

四 四 四 四、、、、 實驗結果實驗結果實驗結果實驗結果 ... 40 4.1 多微孔衝擊器校正結果多微孔衝擊器校正結果多微孔衝擊器校正結果多微孔衝擊器校正結果... 40 4.2 可呼吸性旋風器的測試結果可呼吸性旋風器的測試結果可呼吸性旋風器的測試結果可呼吸性旋風器的測試結果... 42 4.3 多微孔衝擊器微粒負荷與壓損變化多微孔衝擊器微粒負荷與壓損變化多微孔衝擊器微粒負荷與壓損變化多微孔衝擊器微粒負荷與壓損變化、、、微粒收集效率之關係、微粒收集效率之關係微粒收集效率之關係 ... 44 微粒收集效率之關係 4.4 個人奈米採樣器與個人奈米採樣器與個人奈米採樣器與 MOUDI 比對結果個人奈米採樣器與 比對結果比對結果 ... 49 比對結果 五 五 五 五、、、、 結論結論結論結論... 53 參考文獻 參考文獻 參考文獻 參考文獻... 54 附錄 附錄 附錄 附錄... 58

圖目錄

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圖 1.1 懸浮微粒在人體呼吸道的沉積情形[7]。 ... 1 圖 1.2 超細及細微 TiO2微粒的質量劑量與老鼠肺部洗滌液內之嗜中性白血球含 量的關係曲線[5]。 ... 2 圖 1.3 超細及細微 TiO2與 Al2O3微粒造成老鼠肺部發炎情形[8]。 ... 3

圖 1.4 奈米微粒表面積監測儀(TSI Model 3550, NSAM)。 ... 5

圖 1.5 手提式 CPC(TSI Model 3007, CPC)。 ... 5 圖 1.6 奈米氣膠採樣器 (資料來源：http://www.tsi.com)。 ... 6 圖 1.7 奈米氣膠採樣器內部構造示意圖 (資料來源：http://www.tsi.com)。 ... 6 圖 1.8 濾材的收集效率與微粒粒徑的關係[26]。 ... 9 圖 1.9 奈米微粒分徑器的示意圖[26]。 ... 9 圖 1.10 不鏽鋼纖維濾紙在不同的過濾速度下的收集效率曲線[26]。 ... 10 圖 1.11 不同的過濾速度下，氣流通過不鏽鋼纖維濾材時所產生的壓損[26]。 . 11 圖 1.12 超細微粒的個人分徑採樣器[27]。 ... 12 圖 1.13 奈米採樣器的真實圖片(左)和示意圖(右)[28]。... 12 圖 1.14 奈米採樣器的設計參數[28]。 ... 13 圖 1.15 奈米採樣器各階衝擊器的微粒收集效率曲線[28]。 ... 13 圖 1.16 PCIS 的圖片[29]。 ... 14 圖 1.17 PCIS 所使用的個人攜帶型幫浦[29]。 ... 15 圖 1.18 截取氣動直徑 0.25 µm 階層的微粒負荷量與收集效率的關係[29]。 ... 15 圖 1.19 截取氣動直徑 1.0 µm 階層的微粒負荷量與收集效率的關係[29]。 ... 16 圖 1.20 熱泳沉降器設計圖[32]。 ... 17 圖 1.21 利用 SMPS 及 TEM 影像分析法，分析眾數為 45 及 90nm 的多徑分佈微 粒的結果[32]。 ... 17 圖 1.22 TiO2 微粒暴露評估準則[14]。 ... 19 圖 2.1 個人奈米採樣器的(a)示意圖(b)實體圖。 ... 21 圖 2.2 可呼吸性旋風器(a)示意圖(b)實體圖(c)分解圖。 ... 21 圖 2.3 多微孔衝擊器(a)實體圖(b)分解圖((b1)多微孔噴嘴板基座、(b2)多微孔噴嘴 焊接板(b3)鋁箔基質基座、(b4)馬達支撐座、(b5)步進馬達、(b6)採樣器底座)。 ... 22 圖 2.4 濾紙匣。... 22 圖 2.5 個人奈米採樣器實際配戴圖。... 22 圖 2.6 旋風器示意圖與各符號代表意義[42]。 ... 27 圖 2.7 本研究測試 XR-5000 幫浦所能承受的壓損之實驗架設圖。 ... 29 圖 2.8 XR-5000 幫浦所能承受的壓損對應流量的關係。 ... 30 圖 3.1 多微孔噴嘴板示意圖 (單位：mm)。 ... 31 圖 3.2 多微孔衝擊器微粒收集效率測試系統。... 33

圖 3.3 可呼吸性旋風器微粒收集效率測試系統。... 34 圖 3.4 鋁製圓盤。... 35 圖 3.5 以微小粉末分散器分散 TiO2 粉體，再利用 MOUDI、APS 和 SMPS 測量 分散後粉體的重量濃度及微粒數目濃度分佈。... 35 圖 3.6 多微孔衝擊器微粒負荷與壓損變化、微粒收集效率測試系統。... 36 圖 3.7 個人奈米採樣器與 MOUDI 實驗室比對系統。 ... 37 圖 4.1 多微孔衝擊器在不同 S/W 值之下的微粒收集效率曲線。 ... 40 圖 4.2 多微孔衝擊器在不同 S/W 值之下，液體微粒收集效率和 Stk 的關係。 41 圖 4.3 個人奈米採樣器壓損測試。... 42 圖 4.4 可呼吸性旋風器壓損測試。... 43 圖 4.5 可呼吸性旋風器微粒收集效率曲線(旋風器入口尺寸為 2.4 mm x 2.4 mm)。 ... 43 圖 4.6 以 APS 和 SMPS 量測被 SSPD 分散的 TiO2 粉體的粒徑分佈。 ... 44 圖 4.7 以 MOUDI 量測被 SSPD 分散的 TiO2 粉體的重量濃度分佈。 ... 45 圖 4.8 以 SMPS 量測衝擊器微粒負載實驗時 TiO2 微粒的粒徑分佈。 ... 46 圖 4.9 經 nano-TiO2 微粒負載測試後的採樣器的微粒收集效率測試結果。 ... 47 圖 4.10 本採樣器微粒負載後微粒彈跳現象。... 48 圖 4.11 本衝擊器 St50與 Marple 比較[49]。 ... 49 圖 4.12 本採樣器與 MOUDI 在實驗室比對採集奈米微粒的結果。 ... 50 圖 4.13 本採樣器與 MOUDI 在實驗室採集可呼吸性微粒的結果。 ... 50

表目錄

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表目錄

表 1.1 奈米微粒分徑器實驗參數[26]。 ... 10 表 1.2 PCIS 的設計參數與操作參數[29]。 ... 14 表 2.1 迷你型旋風器設計參數[44]。 ... 28 表 4.1 經微粒負載後採樣器的實驗數據。... 47 表 4.2 單位基質塗敷量下之微粒最大負荷量，和 MOUDI 之比較[48]。 ... 48

表 4. 3 MOUDI 與本採樣器實驗室比對結果(0.01% OA, 採樣時間：120 min)。 ... 51

表 4. 4 MOUDI 與本採樣器實驗室比對結果(0.1% OA, 採樣時間：50 min)。 .. 51

表 4. 5 MOUDI 與本採樣器實驗室比對結果(1% OA, 採樣時間：20 min)。 ... 51

表 4. 6 MOUDI 與本採樣器實驗室比對結果(0.01% OA, 採樣時間：120 min)。 ... 52

表 4. 7 MOUDI 與本採樣器實驗室比對結果(0.1% OA, 採樣時間：50 min)。 .. 52

一

一

一

一、

、

、

、

背景

背景

背景

背景分析

分析

分析

分析

1.1 研究背景及重要性

研究背景及重要性

研究背景及重要性

研究背景及重要性

奈米物質的廣泛定義係指一種合成物的三維空間中，至少有一維的長度介於 1-100 nm。而隨著奈米技術的快速發展，商業化的奈米產品也愈來愈多。當奈米 產品提供功能性的好處的同時，奈米產品在製造過程時奈米物質的逸散及使用時 可能的釋出，是否會對人體造成傷害已逐漸被人們重視。

根據Royal Society & the Royal Academy的報告，奈米微粒可視為一種新的化 學物質[1]，而當一種新物質被製造後，可透過該物質的特性及其進入生物體的 途徑作為評估其危害性的方法。過去曾有研究指出奈米微粒可藉由生物體的吸入 作用、皮膚和消化道進入其體內[2][3]。此外因奈米微粒與較大的懸浮微粒相比， 具有較不易被肺部的巨噬細胞吞噬、表面積較大及反應性較強的特性，所以奈米 微粒進入生物體內後更容易與肺部區上皮細胞相互作用而產生危害[4][5][6]。不 僅如此，不同形狀及尺寸的奈米微粒在進入生物體後，也會在不同器官中沉積， 進而引起呼吸道、心臟與血管系統、中樞神經和免疫系統的損害。圖1.1為被吸. 入的微粒在人體內的沉積情形，如圖所示，奈米微粒較容易到達肺泡區，當微粒 粒徑在10至100 nm時，微粒在肺泡區的沉積效率最高[7]。 圖 1.1 懸浮微粒在人體呼吸道的沉積情形[7]。

過去學者曾將超細微粒 TiO2 (20 nm) 及細微粒 TiO2 (250 nm) 注入老鼠呼 吸系統內，觀測老鼠肺部洗滌液中的嗜中性白血球 (neutrophils) 的含量[5]，結 果如圖 1.2 所示。當注入相同質量的劑量時，老鼠肺部因超細 TiO2微粒(20 nm) 產 生的嗜中性白血球含量較細 TiO2微粒(250 nm)多，顯示超細 TiO2微粒在老鼠肺 部產生較嚴重的發炎反應。此外，老鼠所吸入的奈米微粒不僅會累積在其鼻腔、 肺臟及大腦，亦會轉移到全身的循環系統，造成肺部發炎、肝臟病、心臟病、大 腦的損害或是中樞神經系統組織損害[5]。另外曾有學者比較 TiO2和 Al2O3的超 細微粒及奈米微粒在老鼠肺部引起的發炎情形，結果如圖 1.3 所示[8]，粒徑 20 nm 的 TiO2微粒及 Al2O3微粒較粒徑 250 nm 的相同微粒更為明顯。不僅如此，當老 鼠暴露在這兩種超細微粒的時間越長，老鼠肺部的嗜中性白血球含量會逐漸降 低，顯示對肺部的危害也較趨緩。另一方面，當暴露時間達 59 天時，老鼠肺部 因 20nm 的 Al2O3超細微粒引發的發炎情形較 TiO2超細微粒更明顯，表示不同種 類的超細微粒在進入生物體後，產生的影響也有所不同。 圖 1.2 超細及細微 TiO2微粒的質量劑量與老鼠肺部洗滌液內之嗜中性白血球含 量的關係曲線[5]。

圖 1.3 超細及細微 TiO2與 Al2O3微粒造成老鼠肺部發炎情形[8]。 近年來毒理學研究結果顯示，被吸入的奈米微粒可能由呼吸道轉移到血液及 人體其他器官和神經系統[8][9]，此外有學者曾針對奈米微粒之劑量、毒性及流 行病學的結果進行研究[7]，結果顯示奈米微粒的確會對人體造成影響。根據美、 英及日等國的研究報告，奈米粉體製造作業場所的人員為最容易暴露奈米微粒的 族群[10][11][12][13]。因此美國勞工安全衛生研究院(NIOSH)認為在現行細 TiO2 微粒暴露濃度限值(德國 MAK--1.5 mg/m3，DFG 2000)或總 TiO2微粒暴露濃度限

值下(OSHA--15 mg/m3_{，29 CFR 1910.1000; ACGIH--10 mg/m}3_{，ACGIH, 2001)，}

勞工仍可能因暴露過多的奈米 TiO2 微粒產生致癌問題，所以為確保勞工免於

TiO2的暴露危害，NIOSH 於 2005 年 11 月針對 TiO2發表了一份「現有知識佈告

欄」 (CIB, Current Intelligence Bulletin)的報告[14]，提出工作場所 TiO2微粒的暴

露建議值(REL, recommended exposure limit)，在考慮勞工每日工作 8 小時以內，

一週工作 40 小時情形下建議 TiO2的暴露時量平均濃度值(TWA, time-weighted

average concentration)為 1.5 mg/m3，可呼吸性及奈米微粒為 0.1 mg/m3_{。在此限值} 下，NIOSH 計算出勞工終生的致癌機率將低於千分之一。

1.2 可攜帶式

可攜帶式

可攜帶式

可攜帶式奈米微粒監測器

奈米微粒監測器

奈米微粒監測器

奈米微粒監測器

與生物體接觸反應的機會，因此有學者指出以奈米微粒的表面積作為其毒性評估 的指標較適合[4][8][15]，有鑑於此，準確的量測微粒的表面積濃度相當重要。目 前市面上能夠有效監測奈米微粒的表面積濃度的儀器，主要為 TSI 公司所生產的 奈米微粒表面積監測儀(Nanoparticle surface area monitor, NSAM, Model 3550 )，

如圖 1.4 所示，NSAM 雖然不是個人奈米採樣器，但因其體積不大(13.3cm x 38cm x 28cm)重量也只有 6.8 Kg，因此一般人可以藉由攜帶 NSAM 來進行個人暴露評 估。 NSAM 可監測到沉積於肺胞區或胸腔區奈米微粒的表面積，其設計原理為 先在儀器入口以旋風集塵器去除 1 微米以上的微粒，接著利用擴散充電的原理使 微粒帶電，再利用電場使帶電的奈米微粒被收集到法拉第杯，並以靜電電流計測 量電流，因電流計測得的帶電量與微粒表面積成正比，因此藉由電量數據可得微 粒的表面積。雖然 NSAM 量測的數據可作為個人的奈米微粒暴露評估之用，但 無法採集到微粒，因此無法對採集的樣本作後續的重量及化學成份分析。

此外 TSI 公司也研發了一款手提式核凝微粒計數器(Condensation Particle

Counter, CPC, Model 3007,TSI Inc., MN, USA)，長 29.2 cm × 寬 14 cm × 高 14 cm，如圖 1.5 所示。此 CPC 重量只有 1.7kg，可供個人攜帶。CPC 的設計原理

是將微粒與 37℃的正丁醇飽和蒸汽混合後，再導入溫度為 10℃的冷卻管內，使 正丁醇蒸氣凝結在微粒表面使微粒成長，再利用光偵測器來測得微粒的數目濃 度。同樣地，該儀器也只能作即時監測，無法採集可供重量分析的微粒樣本。

奈米氣膠採樣器(Nanometer Aerosol Sampler, NAS, Model 3089,MN,USA)是 一部可收集帶電超細微粒的儀器，長 20.3cm × 寬 25.6 cm × 高 22.8 cm，重 3.75

kg，如圖 1.6 所示。該儀器收集微粒的原理與靜電集塵器相似。如圖 1.7 所示，

是讓欲進入 NAS 的氣膠帶電，再經導管導入 NAS。而 NAS 的中央置有一圓型 平板和一支方向與微粒流場垂直的電極。當微粒隨流場被帶到電極附近時，會因 為電極產生的負電電場，使正電的微粒被吸引至電極，並隨著流場流至電極下方 的基質上( 基質直徑 3 mm、內含 200 個網格)，進而被收集，而收集微粒後的基

質可做為其他分析使用。

圖 1.4 奈米微粒表面積監測儀(TSI Model 3550, NSAM)。

(資料來源：http://www.tsi.com/en-1033/models/13864/3007.aspx)

圖 1.5 手提式 CPC(TSI Model 3007, CPC)。

(資料來源：http://www.tsi.com/uploadedFiles/Product_Information/Literature /Spec_Sheets/3007_1930032.pdf)

圖 1.6 奈米氣膠採樣器 (資料來源：http://www.tsi.com)。

圖 1.7 奈米氣膠採樣器內部構造示意圖 (資料來源：http://www.tsi.com)。

1.3 微粒分徑

微粒分徑

微粒分徑

微粒分徑採樣

採樣

採樣器

採樣

器

器

器

在國內常被環工學者使用的微粒採樣器為微孔均勻附著衝擊器(Micro-orifice

Uniform Deposit Impactor, MOUDI, Model 110, MSP Co)與 Nano-MOUDI(Nano Micro-orifice Uniform Deposit Impactor, Model 122, MSP Co)，MOUDI 採樣器在

設計流量 30 L/min 的操作條件下可將懸浮微粒分徑為 18、10、5.6、3.2、1.8、 1.0、0.56、0.32、0.18、0.10、0.056 及＜0.056 µm (後端濾紙)；Nano-MOUDI 採 樣器在設計流量 30 L/min，可將微粒再細分為 0.032、0.018、0.01 及＜0.01 µm。 上述兩種採樣器均可以用於量測奈米微粒分佈，但因為體積太大，所以不適用於 工作場所的個人採樣之用。 1.3.1 個人可呼吸性微粒採樣器個人可呼吸性微粒採樣器個人可呼吸性微粒採樣器 個人可呼吸性微粒採樣器 評估人體可呼吸性微粒暴露量的採樣器的收集效率規範包括有 ACGIH、ISO 及 CEN 等所訂的效率曲線[17]。為了準確收集可呼吸性粉塵，採樣器通常利用 前置旋風器去除粒徑大於 4 µm 的微粒，例如 10 mm 尼龍旋風器及新型 IOSH 旋 風器[18]。新型 IOSH 旋風器係使用導電的鋁合金製作而成，並加大內徑尺寸及 出口管長以降低微粒累積於內壁的厚度，進而減少微粒負荷對收集效率的影響。 實驗結果顯示，新型 IOSH 旋風器的微粒收集效率幾已不受粉塵靜電之影響，而 其截取氣動直徑因粉塵負荷所造成的變化遠較 10 mm 尼龍旋風器小。不僅如

此，新型 IOSH 旋風器採樣流量在 1.7 L/min 時，其收集效率曲線能符合 ACGIH

規範。此外曾有學者利用海綿做為前置分徑器，進而設計出一個可呼吸性粉塵採 樣器[19]。其實驗方法係利用不同的海綿表面風速、厚度、填充密度及孔隙度或 是串聯不同厚度、孔隙度的海綿進行測試，實驗結果發現僅能達到國際定義曲線 截取氣動直徑的要求，不過其斜率仍無法與 ACGIH 曲線一致。 至於工作場所可呼吸性粉塵的濃度也可利用多階慣性衝擊器量測，如 Marple 個人多階衝擊器[20]，在求取粉塵粒徑分佈後，利用採樣效率規範即可得 可呼吸性粉塵的濃度。有關 Marple 個人多階衝擊器之各階收集效率與粒徑之關 係，入口採樣效率、在衝擊板上塗油對固體微粒反彈程度之影響，及微粒在各階

的內壁損失等問題，均曾有學者利用實驗室產生單徑的聚苯乙烯乳膠(polysterene

latex, PSL)、油酸(oleic acid)及 ammonium fluorescein 等微粒來加以研究[20]。

在國內，多孔金屬片曾被採用做為慣性衝擊器的衝擊基質[21]，其研究結果 顯示，以多孔金屬材質做為衝擊板時，由於金屬片的毛細作用可容納較多的微粒 量，所以無微粒過負荷的問題。但因為氣流會貫穿進入多孔金屬材質內部，所以 會造成微粒收集效率曲線和傳統理論預測的曲線不同[22]。 此外曾有學者探討以聚氨基甲酸酯(Polyurethane, PU)泡綿做為慣性衝擊器 的收集基質時的微粒收集曲線特徵[23][24][25]。結果顯示，使用聚氨酯泡綿做為 收集基質時會導致收集效率曲線明顯改變，而收集效率曲線的改變與 PUF 基質 的密度、流體雷諾數、衝擊基質直徑和噴嘴至衝擊板(jet-to-plate)的距離等影響 因子有關[23]，且傳統慣性衝擊器的設計理論會高估聚氨酯泡綿收集介質的截取 氣動直徑。但使用聚氨基甲酸酯泡綿的好處在於可改善固體微粒在慣性衝擊器中 的反彈及再揚起問題，同時具有較高的收集容量和不需塗敷衝擊板等優點。 1.3.2 小型奈米微粒分徑採樣器小型奈米微粒分徑採樣器小型奈米微粒分徑採樣器 小型奈米微粒分徑採樣器 為了能發展出奈米微粒的分徑採樣器，過去 Otani 等人提出一種新的構想： 利用不銹鋼纖維濾材作為奈米微粒的分徑器[26]。典型的濾紙收集效率(Typical E curve)如圖 1.8 中的實線所示，隨著氣流通過濾材的速度上升，濾紙的慣性收集 機制會更加顯著，而濾材因擴散收集的效率會降低，使得收集效率曲線會向左移 動，如圖 1.8 中的虛線所示。若繼續增加通過濾材的速度時可以使濾材的收集效 率曲線成為微粒分徑器的理想收集效率曲線。

圖 1.8 濾材的收集效率與微粒粒徑的關係[26]。 為了提高微粒通過濾材時的過濾速度，Otani 等人將濾紙的有效過濾面積縮 小至 4 mm [26]，並利用粒徑介於 6-200 nm ZnCl2微粒在操作流量介於 3-40 L/min 之間測試不鏽鋼纖維濾材的微粒收集效率。實驗系統如圖 1.9 所示，表 1.1 為詳 細的實驗參數。 圖 1.9 奈米微粒分徑器的示意圖[26]。

表 1.1 奈米微粒分徑器實驗參數[26]。 實驗結果如圖 1.10 所示，當過濾速度為 20 m/sec 時，不鏽鋼纖維濾材的截 取直徑約為 100 nm，對於粒徑範圍介於 8-100 nm 微粒的收集效率約為 20%；當 過濾速度提高至 50 m/sec 時，不鏽鋼纖維濾紙的截取直徑約為 50 nm，且對於粒 徑範圍介於 8-20 nm 微粒的收集效率均為 0%；對於粒徑 300 nm 以上的微粒的收 集效率接近 100%，為一條理想的收集效率曲線。 圖 1.10 不鏽鋼纖維濾紙在不同的過濾速度下的收集效率曲線[26]。

圖 1.11 呈現出不同的過濾速度下，氣流通過不鏽鋼纖維濾材時所產生的壓 損。如圖所示，當過濾速度為 20 與 50 m/sec 時，濾紙產生的壓損分別約為 10

與 28 kPa (約為 40 及 112 in H2O)，低於 LPI 採樣器最後一階的壓損 90 kPa。但

由於此採樣器的壓損太大，因此也無法作個人採樣之用，只能作固定點採樣器。 圖 1.11 不同的過濾速度下，氣流通過不鏽鋼纖維濾材時所產生的壓損[26]。 Otani 教授的研究團隊進一步於 2010 年研發了兩组可攜帶式的個人採樣器 [27][28]。第一組如圖 1.12 所示，此採樣器長 66 mm、寬 77 mm，是以兩片不 銹鋼慣性濾材(inertial filter,孔洞直徑為 5.6 µm)作為微粒分徑之用[27]。實驗結果 顯示，此採樣器在 6.0 L/min 的操作流量下，產生的壓損約為 5.7 kPa (58 cm H2O)，而不銹鋼濾材的截取氣動直徑分別為 700 nm 與 140 nm。該採樣器雖可供 個人攜帶，但仍無法有效分離 100 nm 以下的微粒。 第二組採樣器的實體圖及設計參數如圖 1.13、圖 1.14 所示。此採樣器長、 寬分別為 195 mm 與 82 mm，為一個五階的奈米採樣器，包含四階慣性衝擊器和 最後一階不鏽鋼濾材，各階設計的截取直徑分別為 10 µm、2.5 µm、1 µm、0.5 µm 及 70 nm [28]。實驗結果如圖 1.14 和圖 1.15 所示，此採樣器在操作流量 40 L/min 的條件下，產生的壓損約為 30 kpa (306 cm H2O)，各階的截取直徑為 9.7 µm、2.71

µm、1.08 µm、0.46 µm 及 65 nm，與原設計值差異不大。雖然該個人採樣器可分 離 65nm 的微粒，但仍無法提供大部分學者較關心的 NPs 數據，且該研究也尚未 評估微粒負荷對不鏽鋼濾材的奈米微粒分徑效果的影響。

圖 1.12 超細微粒的個人分徑採樣器[27]。

圖 1.14 奈米採樣器的設計參數[28]。

圖 1.15 奈米採樣器各階衝擊器的微粒收集效率曲線[28]。

另外，有學者研發出最後一階截取氣動直徑為 250 nm 的四階個人採樣器

(PCIS, Personal Cascade Impactor Sampler) [29]，如圖 1.16 所示。該採樣器係利用

慣性衝擊原理所設計，其設計參數如表 1.2 所示。當流量為 9 L/min 時各階層的 截取氣動直徑分別為 0.25、0.5、1.0、2.5 µm，採樣器所產生的壓損為 11 in H2O， 因此可以使用個人攜帶型幫浦進行個人採樣，如圖 1.17 所示。 如圖 1.18 與圖 1.19 所示，由於微粒的彈跳會影響 PCIS 的微粒收集效率， 彈跳的微粒也會造成低粒徑的微粒重量高估，且 PCIS 採樣器僅能分離出粒徑 < 250 nm 的微粒，無法針對粒徑 < 100 nm 的微粒進行分徑，故仍無法用於工作場

所個人暴露奈米微粒的評估。

表 1.2 PCIS 的設計參數與操作參數[29]。

圖 1.17 PCIS 所使用的個人攜帶型幫浦[29]。

圖 1.19 截取氣動直徑 1.0 µm 階層的微粒負荷量與收集效率的關係[29]。

此外也有學者利用熱泳沉降器 (Thermophoretic Precipitator, TP) 收集奈米 微粒[30][31][32]。例如 Lorenzo 學者在 2007 年設計的熱泳沉降器[32]，如圖 1.20 所示，該儀器將微粒收集在穿透式電子顯微鏡(Transmission Electron Microscopy,

TEM)專用的格網上，再利用 TEM 分析微粒形狀、晶型。此外該學者也使用數 值模擬方法算出一個關係式，可經由分析微粒的 TEM 影像而推算出微粒的數目 濃度以及粒徑分布。圖 1.21 為眾數為 45 及 90nm 的多徑分佈微粒，利用 SMPS 及 TEM 影像分析法所量測的結果。由該圖所示，兩者結果十分接近。然而此儀 器雖可準確的推算出微粒數目濃度以及粒徑分佈，但仍然無法得知微粒的重量濃 度。

圖 1.20 熱泳沉降器設計圖[32]。 圖 1.21 利用 SMPS 及 TEM 影像分析法，分析眾數為 45 及 90nm 的多徑分佈微 粒的結果[32]。 由以上回顧可知，目前尚無合適的個人奈米採樣器，在未有採樣器之過渡期 間，為了評估未知粒徑分佈的 TiO2對健康可能產生的危害， NIOSH 在 2005 年 時提出一套決定工作場所中的 TiO2可呼吸性微粒與奈米微粒是否超過 REL 值的

準則，內容如以下所示，圖 1.22 為詳細流程圖[14]：

1. 利用一截取直徑為 4 µm 的可呼吸性旋風器+5 µm 孔徑的 PVC 濾紙 [33]，及

另一相同的旋風器+混合 O.V 濾紙(MCEF, mixed cellulose ester filter)同時進行

採樣。若是 PVC 濾紙所採集到的可呼吸性微粒重量濃度小於或等於 0.1 mg/m3

[33]，則可確定採樣地點的 TiO2 可呼吸性微粒與奈米微粒重量濃度均低於

REL 值，無需進一步的改善方案。

2. 若 PVC 濾紙上可呼吸性微粒的重量濃度大於 0.1 mg/m3，則需使用穿透式電

子顯微鏡 TEM(transmission electron microscope)觀察 MCEF 濾紙上可呼吸性 微粒與超細微粒所佔的比例，並利用能量分散式 x-光分析儀(EDXA, energy

dispersive x-ray analyzer)決定不同粒徑微粒中 TiO2的含量，再計算出 TiO2可 呼吸性微粒與超細微粒重量濃度。為避免經常性的 TEM 人工觀測，可使用感

應耦合電漿(ICP, induced coupled plasma)分析 PVC 濾紙上可呼吸性 TiO2的重

量濃度 [34]，決定其在可呼吸微粒中的比例，並可作為 TEM/EDXA 方法的

品管之用，但限於 TiO2可呼吸性微粒重量濃度。

3. 若 ICP 決定出 PVC 濾紙上的 TiO2 可呼吸性微粒重量濃度小於或等於 0.1

mg/m3，則無需進一步的改善方案；若 TiO2 可呼吸性微粒重量濃度大於 1.5

mg/m3，則表示 REL 超過，需要控制 TiO2的暴露濃度。若 ICP 決定出的 TiO2

重量濃度介於 0.1 mg/m3_{與 1.5 mg/m}3_{之間，則 TEM/EDXA 量到的 TiO} 2可呼 吸性微粒與超細微粒的重量濃度需依下式計算是否超過 REL 值： 3 3 2 3 3 2 mg/m 1.5 mg/m , TiO mg/m 0.1 mg/m , TiO 超細微粒的重量濃度 細微粒的重量濃度 合計值= +

若上式中的合計值(Sum)值若大於 1 表示採樣地點的 TiO2 濃度超過 REL

值，需要控制 TiO2的暴露濃度；若 Sum 值小於或等於 1 則表示採樣地點的 TiO2

圖 1.22 TiO2微粒暴露評估準則[14]。

1.4 研究

研究

研究

研究目的

目的

目的

目的

為了評估作業場所人員的奈米微粒暴露量，本研究研發一個適用於作業場 所的個人奈米採樣器，可配戴在操作人員的身上，以得知勞工的奈米微粒暴露 量，採集到的奈米微粒並可作進一歩的重量及化學成分分析，數據將可作為將來 奈米物質風險管理之用。 本研究先在實驗室進行此個人奈米採樣器的微粒收集效率曲線的校正、壓損 測試及微粒負荷等實驗，確認本採樣器可有效採集奈米微粒後，再於實驗室與 MOUDI 作進一步的採樣比對。

二

二

二

二、

、

、

、 個人奈米採樣器

個人奈米採樣器

個人奈米採樣器

個人奈米採樣器

2.1 個人奈米採樣器的設計

個人奈米採樣器的設計

個人奈米採樣器的設計

個人奈米採樣器的設計

由於市面上尚無個人奈米採樣器，因此只能在定點採集奈米微粒，並搭配工 作人員行為模式的間接方法計算出工作人員的個人暴露量，或是將採集到的可呼 吸性微粒樣本，利用 TEM 觀察樣本中可呼吸性微粒與奈米微粒的比例，再推估 出奈米微粒的暴露濃度。但這些方法均無法直接量測出個人奈米微粒質量暴露濃 度。而有學者曾指出因為不同區域的污染物濃度不同，再加上個人的行為模式會 影響其暴露的濃度量，因此用定點採樣所得到的暴露值來代表個人的暴露值並不 恰當[29]。 為了直接評估工作人員在作業場所時的個人奈米微粒暴露質量濃度，國內曾 有學者利用理論計算的方式[35]，預測靜電旋風器、纖維濾紙是否適合用來分離 奈米微粒[36]。結果顯示，若使用靜電旋風器或纖維濾紙分離奈米微粒，會因為 奈米微粒容易因擴散機制而被靜電旋風器或纖維濾紙所收集，因此其奈米微粒的 收集效率會高估，所以無法使用於分離奈米微粒。 而本研究設計了一組可同時收集奈米微粒(NPs, Nanoparticles)和可呼吸性微

粒(RPM, Respirable particulate matter)的個人奈米採樣器(IOSH-NCTU PNS) ，如

圖 2.1(a)所示。第一階為一截取直徑 4 µm 的可呼吸性旋風器，其切線方向置有 一正方形入口，作為採樣器的採樣入口(sampling inlet)，如圖 2.2 所示；第二階 為多微孔衝擊器，其內部的多微孔噴嘴焊接板(圖 2.3(b2))上焊有一片多微孔噴嘴 板，使採樣器在特定的操作流量下，截取直徑為 100 nm。焊接板下方的衝擊基 座(圖 2.3 (b3))上放置一片直徑 25 mm 鋁箔衝擊基質以收集粒徑介於奈米微粒和 可呼吸性微粒的微粒(PM0.1-4.0)。為避免微粒彈跳並使微粒平均分布在衝擊板上， 本採樣器用一個步進馬達(圖 2.3(b5))(SPC-15RF, 元本電子股份有限公司)帶動衝 擊板旋轉。而採樣器的終端濾紙是放在濾紙匣(圖 2.4)內直徑 37 mm (孔洞直徑為

1 µm)的鐵氟龍濾紙(Teflo R2PL037, Pall Corp., USA，作為收集 100 nm 以下之微 粒之用。本採樣器長 10.5 cm、直徑 6.3 cm，重量約 250 g。圖 2.1(b)為本採樣 器之實體，圖 2.5 為本採樣器實際配戴圖。 (a) (b) 圖 2.1 個人奈米採樣器的(a)示意圖(b)實體圖。 圖 2.2 可呼吸性旋風器(a)示意圖(b)實體圖(c)分解圖。

圖 2.3 多微孔衝擊器(a)實體圖(b)分解圖((b1)多微孔噴嘴板基座、(b2)多微孔噴嘴 焊接板(b3)鋁箔基質基座、(b4)馬達支撐座、(b5)步進馬達、(b6)採樣器底座)。

圖 2.4 濾紙匣。

本採樣器內的微孔數目是根據蔡等人的實驗結果[37]，其實驗結果顯示當採 樣器微孔數為 250 個(平均孔徑為 55 µm)、操作流量 3.65 L/min 時，採樣器的截 取直徑為 100 nm，但其採樣器壓損與體積過大，不適合佩帶於人。為改善壓損 過大的問題，本研究設計的採樣器壓損必須降低，實際方法為減少採樣器的多微 孔數以降低操作流量，且壓損所對應的流量仍需使本衝擊器的截取直徑為 100 nm。透過公式(2.1)，可計算本採樣器多微孔衝擊器上的噴嘴數目。 L/min 3.65 L/min) ( ) 250( 數目(個) 多微孔衝擊器上噴嘴的 量 個人奈米採樣器操作流 個 ≅ × (2.1) 為了使本旋風器能截取可呼吸性微粒(RPM)，本研究同樣根據蔡等人[37]旋 風器的實驗結果( St50 為 0.174)及衝擊器校正的流量，並透過公式(2.2)-(2.4)，計 算可呼吸性旋風器的入口大小。 s m V W CVD St p p 5.35 / 9 174 . 0 2 50 2 = ⇒ = =

µ

ρ

(2. 2) (m/s) V (L/min) ) (m2 奈米微粒衝擊器操作流量 面積 可呼吸性旋風器入口截 = (2. 3) C C C C 2 B H ) (B ) (H ) (m = ⇒ × =旋風器入口高度 旋風器入口寬度 面積 可呼吸性旋風器入口截 (2. 4)

其中 ρp為微粒的密度(kg/m3)、C 為滑動修正因子(Slip correction factor)、V 為旋

風器入口氣體速度(m/s)、Dp為微粒的直徑(m)、µ 為氣體的黏滯係數(N-s/m2)、

2.2 微

微

微

微粒粒徑

粒粒徑

粒粒徑

粒粒徑計算

計算

計算理論

計算

理論

理論

理論

本實驗使用的微粒共有三種，分別為油酸(Oleic acid)、NaCl 和奈米二氧化

鈦(nano-TiO2)。因本研究所使用的單徑微粒的產生器為靜電分離器((Electrostatic

Classifer, Model 3080, TSI Inc., MN, USA)，其篩選出的微粒為具有等電移動度直

徑(Particle Mobilit y Diameter, Dp m e)的微粒，但本研究是採用氣 動 直 徑

(Parti cl e Aero d yn am ic Diamet er, Dp a) 計算微粒的收集效率， 因 此 透 過 公 式 (2.5)可 將 Dpme轉為 Dpa[38][39]。 pme p Dpme pa Dpa D C D C 0

χρ

ρ

= (2.5) 其中 CDpa為氣動直徑的滑動校正係數。 Dpa為微粒氣動直徑, m。 Cpme為等電移動度直徑的滑動校正係數。 Dpme為微粒等電移動度直徑, m。 ρp為微粒的密度, kg/m3。 ρ0為單位密度, 1000 kg/m3。 χ 為微粒形狀因子。 由公式(2.5)可知，若要將微粒由電移動度直徑改為氣動直徑，則需知道微粒 的真實密度。但因奈米微粒容易聚集(agglomerate)而成長形成不規則的形狀，且 聚集後的微粒內部會存在著比例不等的空洞，因而導致微粒的密度與塊材密度不 同，因此本研究在進行計算氣動直徑時，是以微粒的有效密度代替塊材密度。 根據 Hinds[17]，可將油酸液滴可視為圓形球體微粒(χ=1)，且其有效密度為 895 kg/m3。至於 NaCl 微粒的有效密度，過去曾有學者指出，當 NaCl 的粒徑<1000

nm 時，不同的微粒產生系統會產生三種不同形狀的 NaCl 微粒：快速的乾燥可

以產生出狀似圓形的 NaCl 微粒，此時微粒的形狀係數 χ 為 1.02±0.01，而有效密

度約為 2059±36 kg/m3；緩慢乾燥系統產生的低濃度 NaCl 微粒會呈現立方體的

形狀，當微粒粒徑從 200 上升至 800 nm 時，微粒的形狀係數會從 1.06 上升至

1.17，有效密度則從 1974 kg/m3下降至 1624 kg/m3；而高濃度的 NaCl 微粒在通 過混合/乾燥腔(Mixing/Drying Chamber)時會因聚集而成長為不規則形的 NaCl 微

粒，其形狀係數介於 1.3-1.4 之間，而有效密度介於 1393-1145 kg/m3之間[40]。 當本研究使用噴霧器—乾燥管系統產生 NaCl 奈米微粒時假設 NaCl 的有效密度 為 1800 kg/m3；而當本研究使用蒸發/凝結法—混合/乾燥腔產生 NaCl 奈米微粒 時則假設 NaCl 的有效密度為 1269 kg/m3 )；ρair為氣體密度 (本研究中氣體的密 度約為 1.2 kg/m3)。

因本研究係使用微小粉末分散器(Small Scale Powder Disperser, SSPD, Model

3433, TSI Inc., St. Paul, MN, USA)產生 TiO2微粒。又因目前文獻上尚無學者定量

以 SSPD 產生的 TiO2微粒的密度。為決定 TiO2微粒密度，本研究利用方程式(2.6)

將 MOUDI 質量濃度分佈得到的質量中間氣動直徑(Mass Median Aerodynamic

Diameter, MMAD)與幾何標準偏差(Geometric Standard Deviation, GSD)轉換成數

目中間氣動直徑(Number Median Aerodynamic Diameter, NMAD)，再利用方程式

(2.7)計算出 TiO2微粒密度。將此微粒密度代入方程式(2.8)即可將 SMPS 測到的 微粒電移動度直徑轉為氣動直徑[17]。

(

g

)

MMAD NMAD

σ

2 ln 3 exp = (2.6) 2 0 2 NMAD p NMD NMAD C NMD C

ρ

ρ

= × × × (2.7) 2 1 0 2 1       ×         × =

ρ

ρ

P D D pm Pa Pa Pm C C D D (2.8)

其中 NMAD C :數目中間氣動直徑的滑動校正係數。 NMD C :數目中間直徑的滑動校正係數。

σ

g:質量中間氣動直徑幾何標準偏差值 Dpa: 微粒的氣動直徑，nm。 Dpme: 微粒的電移動度直徑，nm。 CDpme: 電移動度直徑的滑動校正係數。 CDpa: 氣動直徑的滑動校正係數。 ρp: 微粒密度，kg/m3。 ρ0: 微粒單位密度，為 1000 kg/m3。

2.3 旋風器

旋風器

旋風器

旋風器相關

相關

相關

相關理論

理論

理論

理論

旋風器是一種利用離心力去除微粒的設備。其原理是當帶有微粒之氣流延著 切線方向進入旋風器時，會因為氣流旋轉，使得較大微粒受到離心力的影響，先 行偏離流線，於旋風器內壁部分被收集。當氣流繼續流至下方圓錐體時，氣流旋 轉速度增加，產生更大的離心力，使較小微粒也開始偏離流線而撞擊至腔體內壁 而被收集。移除部份微粒、較乾淨的空氣則由下往上翻轉，經旋風器上方出口排 出。 一般常用的旋風器為一種切線型旋風器，其各部份符號代表意義如圖 2.6。 因為旋風器具備有結構簡單、操作容易、維持費用低、可負荷高濃度粉塵與在高 溫高壓下使用等優點，所以在工業上常用來作為前處理的除塵設備。又因為使用 上較不易產生微粒反彈及再揚起的現象[41]，且其微粒收集效率曲線與傳統可呼 吸性採樣設備相似[17]，因此也常作為可呼吸性微粒採樣。

圖 2.6 旋風器示意圖與各符號代表意義[42]。 旋風器截取直徑理論計算，最早由 Lapple [43]提出，如公式(2.9)所示： 9 2 _p Bc Dp NtVi C

µ

π

ρ

= (2.9) 其中 Nt為氣體在旋風器內旋轉的圈數， ) 2 ( 1 Zc Lc Hc Nt= + ， Vi 為氣體進口速度(m/s) Bc 為進口處寬度(m)。 Hc：旋風器進口高度, m Lc：旋風器圓柱體長度, m Zc：旋風器圓錐體長度, m 因旋風器常作為預篩選的設備，因此若降低旋風器的截取氣動直徑，提升微 粒的收集效率，將可減低後端處理設備的微粒負荷。而根據公式(2.9)，縮小旋風 器的入口處或增加旋風器主體的長度將可達到上述目標。此外也有學者利用其他 方式來降低旋風器的截取直徑，例如 2009 年，曾有學者發表兩種迷你旋風器的

設計，其作法為縮小旋風器的尺寸，設計參數如表 2.1 所示[44]。二種迷你旋風 器在 0.3 L/min 的操作流量下，壓損分別為 20 與 1.8 in H2O，截取氣動直徑為 0.3 µm 與 1.0 µm [44]。另外也有學者在旋風器內加裝一旋轉式的推進器(Rotary impeller)，稱為動力式旋風器(dynamic cyclone)，同樣地也可增加旋風器的收集 效率[45]。不僅如此，也有學者提出適當的旋風器出口處尺寸設計也可增加收集 效率[46]。 表 2.1 迷你型旋風器設計參數[44]。

Model Dc (in) a (in) S (in) H (in)

1.0 µm mini -cyclone 0.3 µm mini -cyclone 0.023 0.014 0.046 0.025 0.075 0.042 0.313 0.174 此外壓損也是旋風器設計的重要參數，較大的壓損雖然可以增加旋風器的收 集效率，但相對來說，所需耗費的動力成本則會大幅增加。而本研究設計的旋風 器的截取氣動直徑為 4 µm，為一個可呼吸微粒的旋風器。

2.4 個人

個人

個人

個人採樣

採樣

採樣幫浦

採樣

幫浦

幫浦

幫浦

本研究 使用 的個 人採 樣幫浦 為 SKC 公 司 所開發 的攜 帶型 高壓 損幫浦

(XR5000, SKC Inc., PA, USA)，其長寬高分別為 8 cm × 6 cm × 10 cm，重量約 1054 g (含電池)，如圖 2.7 所示。在不更換電池的情況下此幫浦可連續操作 40

小時，並且具有自動確認流量的功能，當採樣器的壓損在採樣過程中急遽上升， 使得流量低於採樣開始時所設定之值達 15 秒以上時，此時幫浦會自動停止，記 錄停止採樣的時間，並且重新啟動。當 5 次重新啟動都無法恢復應有的流量時， 幫浦將完全停止運轉。

為了確認 XR-5000 幫浦實際操作時所能承受的壓損，在使用該幫浦進行實 驗之前，本研究對於不同流量下該幫浦所能承受的壓損進行測試，測試系統如圖

2.7 所示。利用泡沫流量計(Bubble meter, Model PN#800268, Gillian Instrument Corp. C)來測量 XR-5000 幫浦的抽氣量，並且以針閥控制壓損的變化，以 5 cm H2O 為一個單位。確認幫浦能在流量為 X L/min (cm3/min)、壓損為 Y cm H2O 的 條件下連續使用 30 分鐘以上後，在流量不變的條件下將壓損增加至 Y+5 cm H2O，重複以上步驟直到幫浦在 X L/min、Y+n cm H2O 的條件下因壓損過大無法 負荷而自動關機時，則判斷 XR5000 在 X L/min 時所能承受的最大壓損為 Y+n-5 cm H2O。 圖 2.7 本研究測試 XR-5000 幫浦所能承受的壓損之實驗架設圖。 測試結果顯示隨著流量從 1.08 L/min 升高至 5.0 L/min，採樣器所能承受的 壓損從 280 cm H2O 降至 45 cm H2O，實驗結果如圖 2.8 所示。

0 2 4 6 Flowrate, L/min 0 100 200 300 50 150 250 P r es su re D ro p , cm H 2 O 圖 2.8 XR-5000 幫浦所能承受的壓損對應流量的關係。

三

三

三

三、

、

、

、 實驗

實驗

實驗

實驗系統與方法

系統與方法

系統與方法

系統與方法

本採樣器的操作流量視多微孔衝擊器的設計而定，該流量須讓衝擊器的微粒 截取氣動直徑為 100 nm 且 XR-5000 個人幫浦必須可以負荷採樣器產生的壓損。 因此本研究先進行衝擊器的校正實驗，再進行旋風器的校正曲線測試。待前二項 實驗結束後，再進行採樣器微粒負荷實驗與比對實驗。

3.1 多微孔

多微孔

多微孔

多微孔衝擊器

衝擊器

衝擊器

衝擊器微粒

微粒

微粒收集效率

微粒

收集效率

收集效率測試

收集效率

測試

測試

測試

根據蔡等人[37]實驗結果，當本衝擊器內的噴嘴數為 137 個、2.0 L/min 的操 作流量下，截取直徑為 100 nm。為準確控制本採樣器多微孔噴嘴的數目及位置， 本研究設計一直徑 13 mm 的噴嘴板，如圖 3.1 所示。噴嘴板厚度 0.12 mm，內徑 6.8 mm 的面積內含有 137 個直徑約 55 µm (實際測量後平均直徑為 54.3±0.5 µm) 的微孔。而透過公式(3.1)-(3.4)，可計算出噴嘴間的間距。其計算原理是在正三 角形的頂點各置上一噴嘴，則每一個三角型與噴嘴重疊的角度約為 180°(為一半 圓)，因此噴嘴板上正三角形的數量應為 274 個(噴嘴數的兩倍)。再將噴嘴板的面 積除以正三角形的總數即可求得的單一三角形的面積，進而推算三角形的邊長， 而此邊長即為噴嘴間的間距(約 0.55 mm)。 圖 3.1 多微孔噴嘴板示意圖 (單位：mm)。

2 2 ) 2 (mm) π ) (mm (噴嘴板直徑 噴嘴板面積 = (3.1) 倍噴嘴數 正三角形數量=2 (3.2) 正三角形數量 噴嘴板面積 一個正三角形面積= (3.3) 3 4 (mm) 正三角形邊長 三角型面積 噴嘴間的間距 = = × (3.4) 因本採樣器的微孔直徑略小於 55 µm，因此本採樣器噴嘴-衝擊板距離(S)與 噴嘴直徑(W)的比值不能以 MOUDI 第九階的 S/W 值(10.6)作為設計值。為此本 研究採以改變噴嘴板-衝擊板的距離(S)和噴嘴直徑(W)比值(S/W)的方式，使本衝 擊器在 2.0 L/min 的流量下，截取直徑為 100 nm。 圖 3.2 為多微孔衝擊器收集效率測試系統示意圖，而本研究選擇油酸(液體 微粒)和 NaCl(固體微粒)作為本衝擊器的微粒收集效率的測試微粒。多徑微粒是 由定量霧化器(Constant output atomizer, Model 3076, TSI Inc., MN, USA)產生，經 乾燥、稀釋後導入靜電分離器篩選欲測試的單徑微粒，被篩選出的單徑微粒再通 過靜電中和器(Aerosol Neutralizers, Model 3077, TSI Inc., MN, USA)以去除微粒 電荷，之後藉由後端三向閥(Three way valve)的調整，讓微粒分別導入旁通管(上 游, Upstream)及衝擊器(下游, Downstream)，再以核凝微粒計數器(Condensation

Particle Counter, CPC, Model 3776, TSI Inc., MN, USA)分別量測衝擊器上、下游的

微粒數目。將 CPC 所測得的上游粒徑的數目(Nupstream)及下游(Ndownstream)粒徑的數 目濃度帶入公式(3.5)即可計算衝擊器對各粒徑的微粒收集效率。而此實驗在不同 的粒徑下各須進行十次以上的重複以求取平均值。另外本研究在各校正實驗中皆 固定旁通道的管線長度與經過採樣器的管線長度，以減低微粒傳輸損失造成量測 的誤差。 % 100 ) 1 ( (%)= − × upstream downstream N N Efficiency Collection (3.5)

圖 3.2 多微孔衝擊器微粒收集效率測試系統。

3.2 可呼吸性

可呼吸性

可呼吸性

可呼吸性旋風器收集效率

旋風器收集效率

旋風器收集效率的

旋風器收集效率

的

的測試

的

測試

測試

測試

本研究設計的旋風器的截取氣動直徑設定為 4 µm，為一個可呼吸性旋風 器。根據衝擊器的實驗結果(詳細敘述如 4.1 節所示)，旋風器的操作流量為 2.0

圖 3.3 可呼吸性旋風器微粒收集效率測試系統。

圖 3.3 為可呼吸性旋風器微粒收集效率測試系統。本實驗使用的油酸微粒是 將配置完成的油酸溶液透過蠕動幫浦(Micro tube pump, MP-3, Tokyo Rikakikai

Co., Ltd, Sunnyvale, CA, USA)導入超音波霧化器內(Ultrasonic atomizing nozzle, Model 06-05108, Sono-Tek Corp., NY, USA)，藉由超音波震盪將油酸溶液霧化而

成。產生的油酸微粒再經過乾燥、去靜電等過程後，由三向閥分別導入旁通管(上 游)及旋風器(下游)內，並使用氣動直徑微粒測定儀(Aerodynamic Particle Sizer,

APS, Model 3321, TSI Inc., St. Paul, MN, USA)測量上下游各微粒粒徑的數目濃

度，最後利用公式(3.5)即可得旋風器對各微粒粒徑的收集效率。同樣地，旋風器 對不同粒徑的微粒收集效率實驗各須進行十次以上的重複以求取平均值。

3.3 多微孔

多微孔

多微孔

多微孔衝擊器

衝擊器

衝擊器

衝擊器微粒負荷與壓損變化

微粒負荷與壓損變化

微粒負荷與壓損變化、

微粒負荷與壓損變化

、

、微粒收集效率之關

、

微粒收集效率之關

微粒收集效率之關

微粒收集效率之關

係

係

係

係

為探討多微孔衝擊器的微粒負荷量是否對採樣器壓損變化及微粒收集效率 產生影響，且根據 NIOSH 報告建議勞工在每日工作八小時內、一週工作四十小 時的情形下，TiO2的曝露時量的平均濃度值須小於(1.5 mg/m3)的標準，本研究將 以實驗室自行產生的 TiO2 微粒進行衝擊器的微粒負荷實驗。在進行負載實驗 前，本研究將先針對 TiO2微粒的質量濃度及粒徑分佈進行評估，以推算 TiO2微 粒的有效密度。實驗方法為將 TiO2粉體平均鋪在一個具有三道同心圓凹槽軌道

的鋁製圓盤上(圖 3.4)，並置於微小粉末分散器(Small Scale Powder Disperser,

SSPD, Model 3433, MN, USA)內，透過操作流量為 18.5 L/min 的分散器提供足夠

的剪力(shear stress)將 TiO2粉體均勻分散，最後由 SMPS、APS 及 MOUDI 等儀

器測量被分散的 TiO2 粉體的粒徑分佈及重量濃度，分散測試系統架設如圖 3.5

圖 3.4 鋁製圓盤。 圖 3.5 以微小粉末分散器分散 TiO2粉體，再利用 MOUDI、APS 和 SMPS 測量 分散後粉體的重量濃度及微粒數目濃度分佈。 本衝擊器微粒負載測試系統如圖 3.6 所示。係以微小粉末分散器分散 TiO2 粉體，再導入靜電中和器後進入混合腔體內混合均勻，以得到濃度穩定的 TiO2 微粒，最後通入本採樣器中。於負荷實驗過程中，5 分鐘即紀錄一次衝擊器壓損， 以評估負荷微粒對本採樣器壓損的影響，且為了不影響採樣器的壓損讀值，實驗 過程中還需確認腔體內外的壓力平衡。微粒負荷實驗測試時間是根據 SMPS 測

得的 TiO2微粒的重量濃度結果而定。微粒負荷實驗結束後即進行衝擊器的微粒 收集效率測試，最後再將衝擊器下方的鋁箔衝擊基質秤重，並減去由微粒收集效 率曲線試驗所增加的微粒重量，即可得到本衝擊器的微粒負荷量，藉由公式(3.6) 可計算出採樣器的微粒負荷濃度。另外，實驗中使用的管長及管徑需固定，以避 免微粒因傳輸損失而造成實驗數據的誤差。 ) ( 1 ) ( 1000 (L/min) 2.0 (min) (mg) ) (mg/m3 ₃ m L × × = 負荷時間 微粒負荷重量 微粒負荷濃度 (3.6) 圖 3.6 多微孔衝擊器微粒負荷與壓損變化、微粒收集效率測試系統。

3.4 個人奈米

個人奈米

個人奈米

個人奈米採樣器與

採樣器與

採樣器與 MOUDI 的

採樣器與

的

的

的實驗室比對

實驗室比對

實驗室比對

實驗室比對系統

系統

系統

系統

完成衝擊器及旋風器的校正實驗後，需進行本採樣器與 MOUDI 的實驗室比 對，透過比對可了解本採樣器與 MOUDI 採集 NPs 濃度的差異，且可確認採樣 器對奈米微粒採樣之準確性及驗證實驗室校正結果是否正確。 實驗系統如圖 3.7 所示，本研究使用定量霧化器產生不同濃度的油酸微粒以 進行比對實驗，並將 35 L/min 的乾淨空氣通入混合腔體，使 MOUDI 及本採樣

器有足夠的採樣流量。在實驗進行中，需維持腔體內的壓力平衡，以確保腔體內 流量及微粒濃度穩定。 圖 3.7 個人奈米採樣器與 MOUDI 實驗室比對系統。

3.5 品保品管

品保品管

品保品管

品保品管(QA/QC)

為了確保實驗結果的準確性與可信度，因此本研究在實驗前進行儀器及實驗 系統背景值與漏氣的測試。

本 研 究 會 在 使 用 的核 凝 微 粒 計 數 器 (Condensation Particle Counter,CPC,

Model 3776,TSI Inc., MN,USA)於實驗計數之前在入口端接上一高效率微粒空氣

過濾器(High Efficiency Particulate Air Filter, HEPA Filter, Pall Gellman Sciences

Inc., Ann Arbor, MI)，以確認核凝微粒計數器內部的乾淨程度，測試時間為 5 分

鐘，測試流量為 0.3 L/min (Low flow mode)，測試結果必須滿足：

1. 平均濃度＜0.05 particle/cm3_。

2. 瞬間濃度＜0.2 particle/cm3。

此外，本研究使用的氣動直徑分析儀同樣地也會測試內部乾淨的程度，測試

1. APS 平均濃度 ＜0.01 particle/cm3。

本研究的測漏方法為在實驗系統前端接上真空計(Gauge Pressure meter)，並

透過接於實驗系統後端的真空幫浦抽至負壓 30 cm Hg 後，關閉連接實驗系統與 幫浦之間的閥門。測漏標準為經過 10 分鐘後，真空計上顯示的數值不得低於 20

cm Hg。

另外，本實驗使用的濾紙有兩種，分別為鐵氟龍濾紙(Teflo R2PL037,

R2PL047, Pall Corp., USA)與鋁箔 (Alumium foil, 25 mm, 47 mm)。而濾紙在實驗

使用前，會於溫度 22.0±0.5 ℃、溼度 40±3.0%的環境下調理至少 24 小時。此外 本研究濾紙秤重是使用一六位數的天平(Sartorius CP2P-F, 最小可測的重量為

0.001 mg)，且在秤重前會以靜電消除器(constant ionizing air blower, Model CSD-0911, MEIMEI, Japan)去除靜電，以增加濾紙秤重的穩定性。本研究濾紙秤 重的步驟如下： (1)紀錄秤重當時的溫度與相對溼度。 (2)進行實驗室空白的秤重，以確認天平的穩定性(本次秤重數據的平均值與上次 秤重平均值差異，鐵氟龍濾紙不得高於 ±3 µg、鋁箔不得高於 ±2 µg)。 (3)將待秤的濾紙置於靜電消除器前數秒後，再放至天平得到穩定後的數值作為 濾紙的重量，以此重複五次的平均值則為該濾紙的重量。 此外本研究會在欲使用的鋁箔上塗敷矽黃油，以降低實驗中產生微粒彈跳的 現象，塗敷的步驟如下： (1)將欲塗敷之鋁箔濾紙先秤重。 (2)將已秤重鋁箔放在已清洗乾淨的壓克力板，再將壓克力上蓋蓋上，在蓋時需 注意不可使鋁箔產生皺摺，並且要使壓克力板與上蓋壓密。 (3)將裝有鋁箔的壓克力置於報紙上，矽黃油由壓克力板上方噴灑至壓克力板 上。 (4)將塗敷後的濾紙再予以秤重，以便得知每張鋁箔的塗敷量。 (5)將塗敷且秤重後的鋁箔依序放至在鐵盤上，並於 65 ℃的溫度下，烘乾 90 分

鐘。

(6)烘乾後的鋁箔會再進行秤重，以確認塗敷在鋁箔上的矽黃油不會在烘乾的過 程中揮發。

四

四

四

四、

、

、

、 實驗結果

實驗結果

實驗結果

實驗結果

4.1 多微孔

多微孔

多微孔

多微孔衝擊器

衝擊器

衝擊器校正

衝擊器

校正

校正結果

校正

結果

結果

結果

本研究製造的衝擊器內部的孔洞數目已可精準的控制在 137 個，而孔洞平均 直徑為 54.3±0.5 µm。 圖 4.1 為本衝擊器的液體及固體微粒收集效率測試結果，由液體微粒(Oleic Acid)測試結果可知，當 S/W 值為 9.76、13.8 和 16.2 時，衝擊器的截取直徑分別 為 86.6 nm、101.4 nm 和 111 nm。其中當 S/W 為 13.8 時，衝擊器的截取直徑最 接近 100 nm，因此本衝擊器的 S/W 設定為 13.8 (S=750 µm)。此外，固體微粒(NaCl) 所校正出的微粒收集效率曲線也和液體微粒的曲線十分相近，表示置有塗敷矽油 基質與旋轉的衝擊板能有效防止微粒彈跳，並有效地分離固體奈米微粒。 10 100 aerodynamic diameter, nm 0 20 40 60 80 100 co ll e ct io n e ff ic ie n cy , %

open symbol: Oleic acid filled symbol: NaCl

S/W : 9.76 S/W : 13.8 S/W : 16.2 9th stage of MOUDI 圖 4.1 多微孔衝擊器在不同 S/W 值之下的微粒收集效率曲線。 (微孔數目：137 個、流量：2.0 L/min、壓損：122 cm H2O) 圖 4.2 為本衝擊器在不同 S/W 值之下，液體微粒收集效率曲線和 Stk 的關 係圖，當 S/W 值為 9.76、13.8 和 16.2 時， St50 分別為 0.521、0.583 及 0.624。 由此結果可知，當 S/W 值改變時， St50 值會因截取直徑改變的影響而改變。歸

納以上結果可知當噴嘴板-衝擊板的距離(S)增加時，S/W 值會提高，微粒收集效 率曲線會向右偏移，使截取氣動直徑與 St₅₀ 隨之提高。此外，當 S/W 為 13.8 時，因本衝擊器微孔流速與截取氣動直徑均與 MOUDI 第九階接近，所以 St50 值 也與 MOUDI 第九階( St50 =0.585)相近。 0 0.4 0.8 1.2 1.6 √Stk 0 20 40 60 80 100 c o ll e c ti o n e ff ic ie n cy , % S/W : 9.76 S/W : 13.8 S/W : 16.2 9th _{stage of MOUDI} 圖 4.2 多微孔衝擊器在不同 S/W 值之下，液體微粒收集效率和 Stk 的關係。 由於個人採樣幫浦在不同流量下均有一個可負荷的最大壓損，故須先針對幫 浦及本採樣器作壓損測試，確保幫浦可提供足夠的抽力。測試結果如圖 4.3 所示， 當操作流量為 2.0 L/min 時，本採樣器的壓損約為 125 cm H2O(旋風器、衝擊器 和後端濾紙產生的壓損分別為 1 cm H2O、122 cm H2O 和 1-5 cm H2O)。本研究使 用的 XR-5000 幫浦在 2.0 L/min 最大可承受壓損約為 210 cm H2O，遠高於本組採 樣器產生的壓損，故無抽力不足之虞。

0 2000 4000 6000 flowrate, cm3_/min 0 100 200 300 p re ss u re d ro p , cm H 2 O Temp . : 297 K Pressure : 1.0 atm XR-5000 PNS 圖 4.3 個人奈米採樣器壓損測試。

4.2 可

可

可

可呼吸性旋風器的測試結果

呼吸性旋風器的測試結果

呼吸性旋風器的測試結果

呼吸性旋風器的測試結果

根據衝擊器的校正結果，本採樣器的採樣流量為 2.0 L/min。圖 4.4 為可呼吸 性旋風器壓損測試結果。如圖所示，此旋風器於流量 2.0 L/min 的操作條件下， 產生的壓損約為 10 mm H2O (1 cm H2O)。

0 1000 2000 3000 4000 5000 flowrate, cm3_/min 0 10 20 30 40 50 ∆ P , m m H 2 O respirable cyclone fitted curve 圖 4.4 可呼吸性旋風器壓損測試。 圖 4.5 為可呼吸性旋風器的微粒收集效率曲線，結果顯示該旋風器的截取氣 動直徑為 3.98±0.1 µm，與本研究設計值相近。但微粒收集效率曲線較可呼吸性 微粒準則(American Conference of Governmental Industrial Hygienists, ACGIH)略 顯陡峭。

4.3 多微孔

多微孔

多微孔

多微孔衝擊器微粒負荷與壓損變化

衝擊器微粒負荷與壓損變化

衝擊器微粒負荷與壓損變化、

衝擊器微粒負荷與壓損變化

、

、微粒收集效率之關

、

微粒收集效率之關

微粒收集效率之關

微粒收集效率之關

係

係

係

係

為了確認本實驗使用的 TiO2微粒的密度，本研究利用 APS、SMPS 和 MOUDI

分別量測以 SSPD 分散的 TiO2粉體的粒徑分佈及質量分佈。如圖 4.6 與圖 4.7 所

示，TiO2 微粒粒徑分佈呈現 log-normal，微粒的數目中間直徑(Number Median

Diameter, NMD)為 225 nm，幾合標準偏差為(σg)為 2.13；而質量中間氣動直徑約 為 1.11 µm，σg為 1.99，RPM 濃度為 2.2±0.5 mg/m3。由圖 4.7 可知，APS 與 MOUDI 量測 4 µm 以下的質量分佈相近，但粒徑 4 µm 以上卻差異甚大，原因可能是部 分通過 APS 的微粒聚集變大，使得 APS 測量到的大顆微粒數值變大，雖然不影 響 TiO2微粒粒徑分佈，但轉換成質量濃度時，大微粒質量會增加許多[47]。 將上述得到的數目中間直徑、幾何標準偏差和質量中間氣動直徑代入公式 (2.6)-(2.7)內，得到 TiO2微粒的密度為 870 kg/m3。 10 100 1000 10000 100000 particle diameter, nm 0.01 0.1 1 10 100 1000 10000 100000 d N /d lo g Dp , # /c m 3 nano-TiO2 dispersed by SSPD NMD: 225 nm σg: 2.13 SMPS , Dpme APS, Dpa fitted curve 圖 4.6 以 APS 和 SMPS 量測被 SSPD 分散的 TiO2粉體的粒徑分佈。 (Dpa 表示氣動直徑、Dpme 表示電移動度直徑)