?——【·前言·】——?

本研究的目的是研究鐵路隧道環境中氣溶膠粒子有效密度的測量。在比較和校準不同的氣溶膠測量值時，有效密度可以作為一個參數，它也可以用作反映粒子來源的代理參數。

方法一通過質量濃度與表觀體積尺寸分布的比率來定義它，方法二依賴于空氣動力學和流動性直徑尺寸分布測量的比較，方法一的空氣動力學尺寸范圍是0.006-10微米，方法二是10-660納米。

使用第一種方法，日平均值約為1.87克/厘米3在使用錐形元件振蕩微量天平與空氣動力學粒度分析儀+掃描遷移率粒度分析儀的串聯測量中觀察到，為1.2克/厘米3對于TEOM與電動低壓撞擊器plus 的組合，在有交通流量的情況下。

采用方法二，有效密度為1.45克/厘米3用ELPI +和快速遷移率粒度分析儀進行粒度分布測量，估算值為1.35克/厘米3從ELPI +與SMPS一前一后。當沒有交通運行時，小尺寸顆粒的比例對有效密度值有顯著影響。還比較了不同儀器對鐵路顆粒物測量的響應。

?——【·介紹·】——?

由于地下鐵路是世界上大多數大都市地區越來越多的人的主要公共交通選擇之一，地下隧道中的空氣質量非常受關注。顆粒物是影響隧道環境室內空氣質量的主要因素之一，據報道，隧道中的火車站比地面上的火車站顆粒濃度更高。

鐵路顆粒通常被表征為包含寬尺寸范圍的金屬元素，已經調查了長期暴露于鐵路顆粒對健康的潛在有害影響。為了正確評估鐵路顆粒對人類健康的影響以及它們的濃度、尺寸分布、化學成分和形態，需要對它們的有效密度進行表征。

有效密度，也稱為表觀密度，是一個反映顆粒物理化學性質的量。在文獻中可以找到有效密度的各種定義，導致給定顆粒或給定顆粒群的不同值，一個常用的定義是假設一個球形粒子的質量與表觀體積之比。

在這種情況下，顆粒的有效密度與它們與周圍環境的相互作用以及它們在人體呼吸道中的沉積有關。或者，有效密度可以通過比較空氣動力學直徑和流動性直徑的尺寸分布來估算，空氣動力學直徑被定義為單位密度的球形顆粒的直徑具有與實際粒子相同的沉降速度。

遷移率當量直徑被定義為與所討論的不規則顆粒具有相同電遷移率和相同堆積密度的球形顆粒的直徑。在第二個定義中，有效密度將這兩種直徑聯系起來。對于大多數商用氣溶膠儀器，報告的質量濃度是使用有效密度從測量的數量濃度轉換而來的。

通常，為了簡單起見，或者為了粒子數和質量濃度之間的轉換，或者為了估計呼吸系統中的粒子沉積，假設單位密度。這些假設可能會導致錯誤的結論，除了具有給定成分和材料密度的特定顆粒的研究，有效密度也被用來描述具有不同成分的不同類型的氣溶膠粒子。

例如，使用APS-SMPS表征木材燃燒粒子;使用ELPI-SMPS對柴油機廢氣進行了研究，并用DMA-CPMA測定尺寸分辨有效密度，用ELPI-FMPS公司研究了汽車制動材料產生的磨粒，環境空氣顆粒物的測量采用MOUDI使用DMA-APM，以及DMA-UFATOFMS。

這些使用不同方法的研究報告了不同氣溶膠的不同值，但共同的因素是有效密度與顆粒來源和形態有關。在鐵路隧道環境中，懸浮微粒是來自室外的微粒、來自列車部件的機械磨損微粒、再懸浮塵埃和乘客引起的微粒的復雜混合物。

因此，鐵路顆粒的特性可能不同于其他類型的氣溶膠。迄今為止，還沒有關于鐵路隧道中氣溶膠有效密度的公開數據。當評估質量濃度需要此類信息時，假定或簡單估計為4-5克/厘米3。當研究地鐵顆粒在人體呼吸道中的沉積時，密度為2-3克/厘米3基于對氣溶膠化學成分的估計。

在本研究中，使用兩種不同的方法評估了鐵路隧道中測量的顆粒的有效密度。方法一由質量濃度與表觀體積尺寸分布的比率定義；方法二是基于空氣動力學和流動性直徑尺寸分布測量的比較。

?——【·方法學·】——?

有效密度的通用定義單個粒子的質量是粒子質量和表觀體積之比，假設是球形粒子。我們沒有測量單個粒子，而是像其他作者所做的那樣，通過同時測量質量濃度和數量濃度來測量粒子群。

使用配備有PM10入口的錐形元件振蕩微量天平，每1分鐘測定一次PM10水平。樣品流速設定為3升/分鐘。TEOM是一種基于重力的直接測量顆粒質量濃度的方法。它配備了一個過濾器動態測量系統，以減少質量損失，如果粒子是由揮發性成分組成。

根據制造商的說法，最低檢測限為5 g/m3。對于PM10測量，美國環境保護局已批準TEOM的精確度為±10%。根據瑞典測量系統標準，TEOM是可靠的，TEOM的不同部分提供穩定的性能，彼此之間只有百分之幾的偏差。

使用空氣動力學和遷移率儀器測量顆粒數尺寸分布。空氣動力學測量是用電低壓撞擊器和空氣動力學粒度儀進行的。同時，用快速遷移率粒度分析儀和掃描遷移率粒度分析儀進行遷移率測量。

ELPI +可測量空氣動力學直徑在6 nm到10 m之間的顆粒的實時數量濃度和尺寸分布。因此，在使用TEOM的串聯測量中，可以估計6nm-10m尺寸范圍內的有效密度，首先將測量的顆粒在電暈充電器中充電，充電取決于顆粒的遷移率直徑。

然后根據空氣動力學直徑將帶電粒子分為14個撞擊級，然后在這些撞擊級收集起來進行化學分析。帶電粒子在每個階段所攜帶的電流可以用多通道靜電計來測量。最后，從測量的電流計算粒子數濃度和尺寸分布。

為了防止顆粒反彈和脫落，在沖擊器測量之前，所有過濾器基底都涂有DS-515潤滑脂噴霧。取樣流速設置為10升/分鐘，時間分辨率為1分鐘。與ELPI+不同，APS對單個顆粒進行計數，并根據兩個激光束之間的傳輸時間對顆粒大小進行分類。

由于慣性，空氣動力學直徑較小的粒子比較大的粒子加速更快，因此飛行時間較短。APS能夠在多達48個通道中測量0.523至14.86 m的寬空氣動力學直徑范圍內的顆粒，APS與遷移率儀的組合通常也用于覆蓋0.5 m以下的超細顆粒。

靜態測量在阿蘭達中央站進行，作為瑞典運輸管理局支持的測量活動的一部分，阿蘭達C是1999年竣工的火車站，位于瑞典斯德哥爾摩阿蘭達機場正下方。該平臺位于大約5000米長的寬隧道內。測試儀器放置在平臺的末端，以減少乘客的影響。

隧道天花板高于平臺水平面約7.5米，平臺長約354米，寬約11米，高出軌道0.5-1米。它分隔了南北列車每天運行的兩條鐵軌。通過這條隧道的交通是不同類型的電動火車的混合。它們都由電力弓網系統供電。

大多數列車使用的制動系統是盤式制動器與電力制動相結合。通常情況下，盤式制動器是車速為30公里/小時或更低時的主要制動系統。注意，仍然有一些類型機車列車組不使用電力制動，而是結合盤式制動器和塊式制動器。

機車上的主制動器是盤式制動器，但塊制動器也可用于阻力制動，在低附著力期間施加小的恒定負載來清潔和粗糙化車輪，或在下坡時控制列車速度。

?——【·討論·】——?

有效密度反映了顆粒的組成及其形狀因子，因此，它受到影響這些方面中至少一個方面的過程的影響。由于不同的來源，鐵路系統中的PM在化學成分方面與周圍的氣溶膠或柴油機排放的煙塵有很大的不同。

鐵路氣溶膠的排放源主要包括金屬部件的機械磨損過程、空氣交換或風力作用產生的室外顆粒物以及列車和乘客移動產生的再懸浮粉塵。由于金屬部件磨損的重要貢獻，鐵路氣溶膠通常的特征是富含用于生產鐵軌、車輪、制動器和電力供應系統的金屬。

就鐵路氣溶膠的形狀或結構而言，據報道，在列車部件的磨損過程中出現了大致球形、片狀、針狀和卷曲的裂紋片狀顆粒。在磨損顆粒中通常觀察到團聚的形式。顆粒的不同化學成分和結構會導致有效密度的變化。考慮這些參數對有效密度的影響是有益的。

關于鐵路顆粒有效密度的研究，目前還沒有公開發表的文獻。然而，有效密度已被廣泛用于單個顆粒、柴油廢氣顆粒、城市大氣和燃燒煙塵，柴油排放的特點是元素碳和有機碳濃度高，有效密度低。

相似水平已經被顯示用于木材燃料的燃燒煙灰，其包含高濃度的有機氣溶膠和耐火黑碳。在交通擁擠的城市環境中，低有效密度被報道在顆粒中具有高有機物含量。

除了化學成分之外，顆粒大小和形狀也對有效密度值起著重要作用。例如，不同結構的氯化鈉顆粒具有不同的有效密度。對于團聚顆粒，有效密度的降低通常是作為遷移率直徑大小的函數獲得的。

另一項關于汽車制動材料中磨損顆粒有效密度的研究表明，其值為0.75±0.2克/厘米3。通過隨后對橫截面圖像的分析，發現這種低有效密度對形狀因子的依賴性比孔隙度因子更強。由于有效密度與顆粒來源、形態和測定方法有關。

因此在比較不同研究中的數值時會出現困難。據我們所知，在其他地方沒有進行過類似的研究來調查鐵路隧道環境中顆粒的有效密度。相反，大多數文獻關注的是城市環境和柴油排放。當將我們的結果與使用相同測量系統的研究結果進行比較時。

發現鐵路顆粒物的有效密度高于城市環境的測量值，甚至高于柴油機廢氣的測量值。據發現，城市大氣確定。而日平均值為1.87±0.22克/厘米3是在我們的研究中用同樣的儀器完成的。通過比較ELPI和SMPS的方法，發現北方森林環境中的氣溶膠平均密度為1.0克/厘米3。

據估計，柴油廢氣顆粒的密度為1.1-1.2克/厘米3與1.35克/厘米相比3對于我們研究的鐵路顆粒中以無機金屬為特征的顆粒。不同的化學成分可能是不同氣溶膠有效密度值不同的原因。

?——【·結論·】——?

用兩種不同的方法研究了地鐵隧道內氣溶膠粒子的有效密度，方法一是基于測量質量濃度和數量尺寸分布測量，而方法二是基于比較同時進行的空氣動力學和機動性測量，不同的方法得到不同的結果。

當使用相同的算法但不同的儀器組合時，由于它們在工作尺寸范圍方面的不同性能，甚至會出現偏差。一個相對穩定的值是在交通運行期間獲得的，而該值劇烈波動沒車的時候。此外，還就儀器的性能對采用不同技術測量鐵路顆粒進行了比較。

?——【·參考文獻·】——?

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