大氣污染控制實驗講義(已修改)
2025-04-29 00:24 本頁面
【正文】 實驗一 粉塵的粒徑分布測定一、實驗?zāi)康?了解LS900激光粒度分析儀的工作原理。 了解不同粉塵粒度的分布情況。 掌握LS900激光粒度分析儀的基本操作。二、實驗原理(1) 基礎(chǔ)知識——顆粒對光的散射理論眾所周知,光是一種電磁波。它在傳播過程中遇到顆粒時，將與之相互作用，其中的一部分將偏離原來的行進方向，稱之為散射，如圖1所示：圖1 光的散射現(xiàn)象示意圖當顆粒是均勻、各向同性的圓球時，可以根據(jù)Maxwell電磁波方程嚴格地推算出散射光場的強度分布，稱為Mie散射理論，摘錄如下：其中Ia和Ib分別表示垂直偏振光和水平偏振光的散射光強；θ表示散射角，al和bl的表達式分別如下：此地，)，；式中，為介質(zhì)的介電常數(shù)，為散射粒子的介電常數(shù)，為電導(dǎo)率，和分別為真空和介質(zhì)中的光波長，r為粒子半徑，而其中這里和分別是第一類Bessel函數(shù)和諾俟曼函數(shù)。和的表達式則為：其為一次締合勒讓德多項式Mie理論是描述散射光場的嚴格理論，適用于經(jīng)典意義上任意大小的顆粒。但是對大顆粒()，Mie散射公式的數(shù)值計算十分復(fù)雜。通常人們認為這種情況下散射現(xiàn)象可以用較常見而簡單的衍射公式描述。當散射粒子到觀察點的距離無限遠時，衍射公式可簡化為Fraunhoff衍射公式：。(2) 工作原理激光粒度儀由測量單元、樣品池、計算機和打印機組成，如圖2所示:圖2 LS900型激光粒度儀的結(jié)構(gòu)示意圖，經(jīng)擴束鏡后會聚在針孔，針孔將濾掉所有的高階散射光，只讓空間低頻的激光通過。然后激光束成為發(fā)散的光束。該光束遇到透鏡后被聚焦。反射棱鏡使光學(xué)系統(tǒng)的光軸轉(zhuǎn)折90176。，即，使之由水平傳播變成垂直傳播。當樣品池內(nèi)沒有顆粒時，光束將被聚焦在環(huán)形光電探測器的中心，并穿過中心的小孔照到中心探測器上。當樣品池內(nèi)有顆粒樣品時，會聚的光束將有一部分被顆粒散射到環(huán)形探測器的各探測單元以及大角探測器上。 設(shè)樣品池內(nèi)沒有顆粒時，中心探測器接收到的光能為E0，其他各探測單元接收到的光能（由于象差和塵埃散射等）從里到外依次為B1，B2，…，Bn；樣品內(nèi)有待測顆粒時，變?yōu)镋`0，S`1，S`2，…，S`n；則： ，稱為遮光比。樣品濃度越高，遮光比越大。I=1,2,…,n；稱為散射光能分布，它包含了待測顆粒的粒度分布信息。光能信號通過光電探測器轉(zhuǎn)換成了相應(yīng)的電流信號，送給數(shù)據(jù)采集卡。該卡將電信號放大，再進行A/D轉(zhuǎn)換后送入計算機。根據(jù)光的散射理論和儀器的光學(xué)結(jié)構(gòu)，計算機事先已計算出了儀器測量范圍內(nèi)各種直徑粒子對應(yīng)的散射光能分布，其集合組成了光能矩陣M，即：矩陣中每一列代表一個粒徑范圍一個單位重量的顆粒產(chǎn)生的散射光能分布。因此:式中w1，w2，…，wn代表顆粒的重量分布。根據(jù)上式，只要已知散射光能分布s1,s2,…,sn,通過適當?shù)臄?shù)值計算手段可以計算出與之相應(yīng)的粒度分布。三、測試準備儀器及用品準備 (1)仔細檢查粒度儀、電腦、打印機等，看它們是否連接好，放置儀器的工作臺是否牢固，并將儀器周圍的雜物清理干凈。(2)向超聲波分散器分散池中加大約250ml的水。(3) 準備好樣品池，蒸餾水、取樣勺、攪拌器、取樣器等實驗用品，裝好打印紙。取樣與懸浮液的配置：BT—9300H型激光粒度儀是通過對少量樣品進行粒度分布測定來表征大量粉體粒度分布的。因此要求所測的樣品具有充分的代表性。取樣一般分三個步驟：大量粉體（10n千克）→實驗室樣品（10n克）→測試樣品（10n毫克）。(1) 從大堆粉體中取實驗室樣品應(yīng)遵循的原則：盡量從粉體包裝之前的料流中多點取樣；在容器中取樣，應(yīng)使用取樣器，選擇多點并在每點的不同深度取樣。★ 注意：每次取完樣后都應(yīng)把取樣器具清洗干凈，禁止用不潔凈的取樣器具取樣。(2) 實驗室樣品的縮分勺取法：用小勺多點（至少四點）取樣。每次取樣都應(yīng)將進入小勺中的樣品全部倒進燒杯或循環(huán)池中，不得抖出一部分，保留一部分。圓錐四分法：將試樣堆成圓錐體，用薄板沿軸線將其垂直切成相等的四份，將對角的兩份混合再堆成圓錐體，再用薄板沿軸線將其垂直切成相等的四份，如此循環(huán)，直到其中一份的量符合需要（一般在1 克左右）為止。分樣器法：將實驗室樣全部倒入分樣器中，經(jīng)過分樣器均分后取出其中一份，如這一份的量還多，應(yīng)再倒入分樣器中進行縮分，直到其中一份（或幾份）的量滿足要求為止。(3) 配制懸浮液介質(zhì)：用BT9300H 型激光粒度儀進行粒度測試前要先將樣品與某液體混合配制成懸浮液，用于配制懸浮液的液體叫做介質(zhì)。介質(zhì)的作用是使樣品呈均勻的、分散的、易于輸送的狀態(tài)。對介質(zhì)的一般要求是：（a）不使樣品發(fā)生溶解、膨脹、絮凝、團聚等物理變化；（b）不與樣品發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；（c）對樣品的表面應(yīng)具有良好的潤濕作用；（d）透明純凈無雜質(zhì)?？蛇x作介質(zhì)的液體很多，最常用的有蒸餾水和乙醇。特殊樣品可以選用其它有機溶劑做介質(zhì)。分散劑：分散劑是指加入到介質(zhì)中的少量的、能使介質(zhì)表面張力顯著降低，從而使顆粒表面得到良好潤濕作用的物質(zhì)。不同的樣品需要用不同的分散劑。常用的分散劑有焦磷酸鈉、六偏磷酸鈉等。分散劑的作用有兩個方面，其一加快“團粒”分解為單體顆粒的速度；其二延緩和阻止單個顆粒重新團聚成“團?！薄７稚┑挠昧繛槌两到橘|(zhì)重量的千分之二至千分之五。使用時可將分散劑按上述比例先加到介質(zhì)中，待充分溶解后即可使用?！?說明：用有機系列介質(zhì)（如乙醇）時，一般不用加分散劑。因為多數(shù)有機溶劑本身具有分散劑作用。此外還因為一些有機溶劑不能使分散劑溶解。四、實驗步驟測量單元預(yù)熱：打開激光粒度分析儀電源，預(yù)熱半小時；系統(tǒng)對中：打開計算機，在WINDOWS操作系統(tǒng)桌面上，雙擊“OMEC激光粒度儀”圖標，進入儀器配套軟件介面；旋轉(zhuǎn)上下兩個對中旋鈕，使“背景光能分布”中“零”環(huán)最高，而其它環(huán)相對低；系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置: 在主菜單下，用鼠標左鍵單擊“文件”，屏幕上即彈出“文件”子菜單。在用鼠標左鍵單擊“重新開始”，屏幕繼續(xù)彈出“系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置”欄。在該欄上按提示輸入測試內(nèi)容；樣品準備在50ml量杯內(nèi)盛大約25ml的懸浮液（以循環(huán)進樣器為例）； 用取樣勺有代表性地取適量的待測樣品，投入量杯中；在量杯內(nèi)滴入適量的分散劑，用玻璃棒攪拌懸浮液；樣品與液體應(yīng)混合良好，否則要更換懸浮液或分散劑；將量杯放入超聲波清洗機中，讓清洗槽內(nèi)的液面到達量杯總高度的1/2左右，打開電源，讓其振動2分鐘左右（振動時間可長可短，視具體樣品而定；對容易下沉的樣品，應(yīng)一邊振動，一邊用玻璃棒攪拌杯內(nèi)液體）；關(guān)掉電源，取出量杯。背景測量：用鼠標左鍵單擊屏幕上的“背景測量”按鈕；待該按鈕上的“背景
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