盐雾是由海浪碰撞和海水蒸发产生的微小盐粒, 通常以湿润盐核颗粒的形态存在于大气中, 绝大部分盐雾颗粒直径在1~5 μm范围^[1], FENG等^[2]在黄海、渤海测量了盐雾粒径–质量分布, 指出盐雾中粒径小于2.5 μm的微粒的质量分数约为3.3%。海上和近海地区的高盐雾浓度环境不仅会导致建筑和室内设备的腐蚀, 还会损害海上操作平台的工程性能^[3-6]。中国作为海洋大国, 濒临的海洋从北到南依次为渤海、黄海、东海、南海, 这四大海域及其复杂的气候条件导致了沿海地区盐雾浓度的多样性。各地盐雾的成分和海水成分大致相似, 其中氯离子的含量最高, 约占55.2%^[7], 其他离子的含量取决于当地生态环境和工业污染的程度。

目前已经有一些研究对部分沿海地区的盐雾浓度进行了测量。梁攀等^[8]对青岛沿海地区的盐雾浓度进行了测试, 并指出海陆风现象显著影响盐雾浓度, 在海风时盐雾浓度随风速减小而增大。陈孝渝等^[9]对南海大亚湾地区的空中盐雾浓度进行了测量, 他们发现空气中氯离子含量的变化规律为夏天低、冬天高, 全年盐雾浓度的最大值出现在每年的11或者12月。唐佑等^[10]对广州珠江入海口附近的滨海区域盐雾浓度进行了测试, 并指出空气中的盐雾浓度随离海距离的增加而减小。总的来说, 目前的大多数沿海地区盐雾测量都是对局部地区进行的测试, 无法宏观地反映中国海域盐雾浓度的概况。因为测量时段的不同, 所以来源于不同实验中的盐雾数据无法直接进行比较。此外, 不同季节的测试结果不具有可比性。

近年来, 海上风电项目蓬勃兴起, 工程上对海上升压变电站的室内环境控制提出了要求, 通过设置微正压送风防止室外盐雾侵入, 并对进风设置除盐雾过滤装置来控制腐蚀。但目前还缺少各海域的盐雾含量数据, 国内也没有室内盐雾控制的标准, 因此, 为了了解中国四大海域盐雾浓度的现状, 有必要在相近的时段内对多个沿海地区的盐雾浓度进行测试和分析。在盐雾过滤器选择方面, 国内外相关标准规定的中效和高效过滤器效率主要是计数效率, 而盐雾控制采用的是计重效率, 因此有必要研究各级过滤器实际的盐雾过滤计重效率, 为盐雾过滤器的选择提供依据。

1 海上盐雾浓度测试 1.1 测试地点

本次测试选择了四大海域的11个典型城市海域, 信息如表 1所示, 其中天津和大连等城市海域作为渤海地区的代表, 青岛、盐城和烟台等城市海域作为黄海地区的代表城市海域, 上海、舟山和福州等城市海域作为东海地区的代表, 三亚、阳江和汕头等城市海域作为南海地区的代表, 11个城市海岸线上近似均匀分布, 能够有效地代表中国大部分沿海地区。在综合考虑了测量准确度和测量安全的前提下, 我们优先选择近岸海岛作为测试地点, 对于沿海附近没有海岛或者交通不便的地区, 选择半岛或者海岸作为测试地点。

1.2 盐雾采样方法

本次测试于夏季和冬季两个时间段进行, 夏季的测试时段为2022年7月15日—2022年8月5日, 冬季的测试时段为2023年1月2日—2023年1月20日。依据GB/T10593.2—2012《电工电子产品环境参数测量方法第2部分: 盐雾》^[11]进行大气盐雾采样。空气采样器的原理为让含盐雾空气以一定的流速通过吸收液, 进而检测吸收液中的离子浓度。因为盐雾成分以无机盐阴离子为主, 所以使用超纯水作为吸收液。本研究中使用的空气采样器采用双通道平行采样的形式, 每个通道上串有2个10 mL的多孔玻板吸收管。采样方式为主动采样, 采样流量设为0.5 L/min, 每组采样时长为120 min, 以双通道采样的平均值作为该采样时段的盐雾浓度值。

采样点离海距离和高度会显著影响盐雾浓度^[8], 在综合考虑潮汐、盐雾浓度垂直分布和海岸线相对位置等因素后, 所有采样点的采样仪器均布置于垂直距离海岸线的3~5 m处, 采样器空气入口的高度距离地面1.5 m。考虑到海陆风作用对盐雾浓度的影响^[8], 即海风时的盐雾浓度会远高于陆风, 为了获取最不利工况, 所以选择海风时段进行测试。另外, 在大气采样器附近设置进行同期气象参数观测, 每分钟记录1次风速、风向、温度、湿度等气象数据, 夏季和冬季的采样现场见图 1和图 2, 采样过程中涉及到的仪器信息见表 2。

1.3 采样液离子浓度检测方法

当前对于离子浓度的检测方法一般有两种-分光光度法和离子色谱法, 分光光度法通过各种溶液对光的选择性吸收来测定物质的含量, 离子色谱法是利用流动相与固定相中的离子进行可逆的离子交换、来分离离子性化学物的色谱方法。相较于分光光度法, 离子色谱法专属性强、灵敏度和准确度高^[12]。尤其是对于大气采样获取的吸收液, 其中离子的浓度可能并不高, 采用分光光度法将导致部分离子无法被检出, 因此本研究采用离子色谱法对溶液样本中的离子浓度进行检测, 检测设备如图 3所示。

1.4 大气盐雾浓度换算方法

依据检测出的吸收液中的离子浓度计算空气中的盐雾浓度, 计算公式参照GB/T10593.2—2012《电工电子产品环境参数测量方法第2部分: 盐雾》^[11], 具体如下所示:

$S{\text{ = 1}}{\text{.806}}\;{\text{5}}\frac{{[{X^ - }] \cdot V}}{{Q \cdot t}} ,$

(1)

其中, S为盐雾浓度, mg/m³; [X^–]为吸收液中离子浓度, mg/L; V为样品溶液总体积, mL; Q为大气采样器吸气流速, L/min; t为采样时间, min。

1.5 测试结果与分析 1.5.1 气象测量结果

参考中国气象网的历史数据和预测数据, 选择夏季和冬季的典型日进行测试, 并对海风期间的空气温度、空气湿度和风速进行测量, 图 4—图 6显示的是测量期间空气温度、湿度和风速的平均值。可以发现, 季节和地域对气象参数的变化具有显著影响。夏季的空气温度明显高于冬季, 并且在渤海、黄海这两个高纬度海域的季节差异尤为显著; 在南海地域的3个城市, 虽然空气温度的变化幅度没有渤黄海大, 但是仍然呈现出显著的变化趋势。总的来说, 在渤海、黄海、东海和南海, 空气温度的季节性差异分别为31.7 ℃、32.9℃、18.3 ℃和5.1 ℃。

对于空气湿度, 夏季的空气湿度明显高于冬季, 具体表现为: 在渤海、黄海、东海和南海, 空气湿度的季节性差异分别为13.9%、9.3%、22.7%和19.0%。对于风速, 虽然其可能受到季风性气候的影响, 但是在本次测试中没有观察到明显的季节差异。

1.5.2 盐雾浓度测量结果

依据上述盐雾采样方法及“吸收液-空气”浓度换算公式, 夏季的大气中盐雾浓度结果如表 3所示, 冬季的盐雾浓度结果如表 4所示。离子色谱仪主要对F^–、Cl^–、Br^–、NO₃^–、PO₄^3–、SO₄^2– 6种阴离子的浓度进行了检测, 其中F^–和Br^–的浓度较低, 一般不对它们的负面效应进行讨论。现有的盐雾测试一般以Cl^–作为主要研究对象^[13], 因为它是海水中的主要阴离子且对于建筑物和生态环境具有不可忽视的腐蚀性。对于剩下的3种离子NO₃^–、PO₄^3–和SO₄^2–, 它们的出现和当地的农业状况和生态状况密切相关, NO₃^–和PO₄^3–是衡量水体富营养化的重要指标^[14], SO₄^2–主要来源于工业废水和废气排放^[15]。

在进行实地测试的11个地点, Cl^–的浓度普遍最高, 且在不同地点和季节呈现出不同的分布规律; 而NO₃^–、PO₄^3–和SO₄^2– 3种离子的浓度主要由人为活动导致, 受气候的影响并不显著。综上, 对于本次盐雾测试的结果, 将Cl^–作为主要的考量指标。

1.5.3 盐雾浓度的季节性差异

为探究盐雾浓度的季节性差异, 我们采用SPSS软件对两个季节的盐雾浓度进行了统计学分析。首先采用K-S检验判定盐雾浓度的分布整体服从正态性, 进而用配对样本T检验对于11个地点的盐雾数据进行了分析。基础显著性水平设置为5%, 经过显著性检验可以发现冬季的盐雾浓度显著(P < 0.001)高于夏季, 这个发现与张颖等^[16]对东亚海域盐雾浓度的分析趋势一致。氯离子浓度季节性对比的结果如图 7所示, 其中夏季和冬季的平均盐雾氯离子浓度分别为0.42和1.05 mg/m³。

盐雾的形成主要与海水的平衡水汽压相关, 当大气中的水汽压低于盐雾水滴的平衡气压时, 水就会蒸发, 使得盐分浓度增大; 反之则会使得水发生凝结, 使得盐分浓度减少。根据向延华等^[7]对Köhler盐溶液滴饱和水气压方程的理论推导结果, 盐雾气体的湿度越低, 盐分物质的摩尔浓度显著升高。因此我们进一步从夏季和冬季气候条件的角度来解释盐雾浓度的季节性差异。根据图 4和图 5的温度和相对湿度的测量结果, 我们计算了夏季和冬季的大气绝对湿度, 结果如图 8所示, 夏季和冬季的平均大气绝对湿度分别为20.42和4.83 g/m³。经过显著性检验可以发现冬季的绝对湿度显著(P < 0.001)低于夏季, 绝对湿度的季节性差异正是导致冬季盐雾浓度高于夏季的主要原因。

1.5.4 盐雾浓度地域性差异

不同海域的盐雾氯离子浓度分布如图 9所示, 可以发现空气中氯离子浓度的排序存在一定规律, 在夏季, 南海、黄海、渤海和东海的盐雾氯离子质量浓度分别为0.76、0.45、0.25和0.14 mg/m³, 在冬季, 南海、黄海、东海和渤海的盐雾氯离子质量浓度分别为1.31、1.16、0.99和0.60 mg/m³。总的来说, 盐雾浓度的地域性差异非常明显, 尤其是南海地区的浓度明显高于其他地区, 这表明各类盐雾防护的标准需要因地制宜。

盐雾浓度的地域性差异可能主要由3个因素导致。

(1) 各地海水成分和浓度的差异。因为大气中的盐雾液滴本身来源于海水, 海水的成分和浓度直接决定了盐雾的成分和浓度。现有资料显示^[17], 渤海海水中的盐度是最低的(仅30), 黄海和东海的盐度平均为31~32, 而南海的盐度最大(35)。海水盐度排序与本项研究测得的盐雾浓度的排序大体吻合, 这证实了海水成分差异是导致盐雾浓度地域性差异的根本原因。

(2) 季风性气候的全球性大范围调控。因为盐雾含量受海上风速和风向影响较大, 不同气候类型例如温带海洋性气候和极地海洋性气候的海风状况不同。例如, 在南海一般能测到1~3级风(风速1~5 m/s), 而“极地”号科学考察船在南太平洋能测到4级风(风速5.5~7.9 m/s), 当发生热带风暴时, 风速可以达到5级(风速8~10.7 m/s)^[18]。各区域的风力等级不同将导致海面浪花增加, 使得海上空气的盐雾浓度升高。因为本项研究采用短期测量的方式, 所以区域间的风速差异并不显著。

(3) 突发天气的小范围干扰, 例如降雨和阵风。局部的气候突变主要从两方面影响盐雾浓度, 一方面例如强降雨等天气会稀释海水中的盐离子浓度, 从而使得大气盐雾浓度相应降低; 另一方面例如阵风等天气会加快局部的盐雾形成速度。

2 盐雾过滤器效率测试

过滤盐雾是为了降低室内盐雾浓度, 从而降低室内环境腐蚀性等级, 实现室内设备的防腐。因此, 采用计重效率来计算是合适的。但是, 在国内外相关标准中, 中效和高效过滤器效率均以计数效率定义。而计数效率不能直接表示计重效率。当前对于盐雾过滤器过滤效率的研究较少, 大多数研究都是关注于细颗粒物(PM2.5)的过滤效率研究。虽然有学者提出盐雾过滤器的性能分析可以参考PM2.5的过滤分析结果^[19], 如表 5, 但是二者之间其实还是有着不小的差距, 该表为针对粒径小于2.5 μm的颗粒物的计重效率, 但如前所述盐雾中粒径小于2.5 μm的微粒的质量分数约为3.3%^[2], 该表的计重效率会小于过滤器对实际盐雾的计重效率, 因此本文认为该表并不能用盐雾过滤器的性能分析。

当前尚无针对盐雾的过滤计重效率测试, 因此本文针对盐雾过滤器进行实测, 得到各级过滤器的计重效率。

2.1 盐雾过滤器测试原理

如图 10所示, 在实验室中构建一条通过盐雾的管道, 管道的入口通过盐雾发生器产生具有盐雾颗粒的气体, 具体浓度模拟海风中的盐雾浓度。管道的出口处采用轴流式抽风风机将盐雾气流抽出。在管道的中间布置盐雾过滤器。在过滤器的两侧分别进行入口采样和出口采样, 根据入口、出口采样的盐雾浓度差计算过滤器的效率。其总的计重过滤效率可按式(2) 进行计算:

$\eta = \frac{{{c_0} - {c_1}}}{{{c_0}}} \times 100{\text{% }} ,$

(2)

其中, c₀为室外盐雾计算浓度, c₁为室内盐雾计算浓度。

2.2 盐雾过滤器实验室实验 2.2.1 实验仪器

如前所述, 绝大部分盐雾颗粒直径在1~5 μm范围, 并且盐雾中粒径小于2.5 μm的微粒的质量分数约为3.3%, 因此选择产生2 μm左右粒径盐雾喷雾的盐雾发生器^[20]。用天平称取14 g氯化钠, 加入1 000 mL去离子水中, 溶液倒入盐雾发生器, 盐雾发生器不断采用产生2 μm左右粒径的盐雾喷雾, 其产生浓度模拟海边盐雾状况, 其真机如图 11所示。在实验过程中, 需要采集相应的样本, 采用的仪器为和盐雾测试中相同的大气采样仪和热线风速仪。

对8种类型的过滤器(G3、G4、M5、M6、F7、F8、F9、H10)进行研究, 具体尺寸及性能参数可参照国家标准GB∕T 13554—2020《高效空气过滤器》^[21]。

2.2.2 过滤器迎面风速测定及计算方法

整个实验迎面风速是一个重要监测指标, 因此, 采用如下办法计算迎面风速: 将140 mm的圆形风管断面分成了3个面积相等的同心圆环^[22], 布置两个测定孔, 并测量了如图 12中2、4、6共计6个点一分钟的平均风速, 计算平均值。迎面风速根据厂家建议和工程实际, 一般取2.5 m/s。

考虑到过滤器为正方形, 其边长为a, 而管道为圆形, 其半径为r, 所以通过每个过滤器的迎面风速v计算如下:

$v=\frac{1}{2} \times\left(v_{\text {入口 }}+v_{\text {出口 }}\right) \times \frac{\mathtt{π} r^2}{a^2} .$

(3)

2.2.3 实验过程

选用可无级调节风量的大功率轴流风机作为盐雾气流的驱动力, 以保证每次测量时不同过滤器的迎面风速都能控制在2.5 m/s左右。连接盐雾发生器、过滤器和轴流风机的风管为定制的铝箔管道, 管道密封性良好。管道与设备的连接口处用胶带进行多层密封, 经测试后保障无风量外泄。

对8个过滤器进行两次重复采样, 以保证测量的准确性。在管道内风速稳定后进行采样, 每次采样的时长为1 h。

2.2.4 实验结果

采样结束后, 和实地测试的“采样液离子浓度检测方法”和“大气盐雾浓度换算方法”过程相同, 计算过滤器进出口的盐雾浓度差异, 并根据“盐雾过滤器测试原理”一节中提出的过滤器效率计算公式, 计算过滤器的计重效率。结果如表 6所示。

参考GB/T 33630—2017《海上风力发电机组防腐规范》^[23]中的限值进行设计, 得到室内盐雾设计计算质量浓度为6.61 μg/m^3[24]。考虑到室内盐雾质量浓度需要控制在6.61 μg/m³以下, 所以如果使用单一的盐雾过滤器很难达成这一要求, 因此考虑对过滤器进行串联, 具体选用优化方案见第2.3节。

2.3 盐雾过滤器选用优化方案

目前的8种盐雾过滤器在单一使用时均难以满足将室内盐雾浓度控制在6.61 μg/m³以下的要求。因此, 实际设计时需要将多个盐雾过滤器进行串联后使用。

取南海、黄海、东海和渤海的室外计算盐雾质量浓度分别为1.31、1.16、0.99和0.60 mg/m³, 考虑到室内盐雾质量浓度需要控制在6.61 μg/m³以下, 由此计算出四大海域所需盐雾过滤器计重效率, 如表 7所示。南海、黄海、东海和渤海所需过滤器计重效率分别为99.50%、99.43%、99.33%、98.89%。不同过滤器组合方案计重效率如表 8所示, 工程上常用的过滤器组合F9+M5+G4实测计重效率计算值为98.97%, 是不满足室内盐雾控制要求的, 而组合F9+M5+G4+G4实测计重效率计算值为99.67%, 可以满足室内盐雾控制要求。而根据表 6计算的不同过滤器组合的计重效率, 只有在组合F9+F9+F9(计重效率99.6%)及以上等级组合的过滤器效率才能满足室内盐雾控制要求, 但如前所述, 表 5的计重效率会小于过滤器对盐雾的实际计重效率, 根据表 5计算的不同过滤器组合的计重效率仅供参考^[25]。

3 结论

本文对天津、大连、烟台、青岛、盐城、上海、舟山、福州、汕头、阳江和三亚11个城市海域进行冬夏两季的盐雾含量测定, 获得了工程设计的基础数据; 对8种类型的过滤器(G3、G4、M5、M6、F7、F8、F9、H10)进行了计重效率的测定, 并对盐雾过滤器选用优化提供了建议。

(1) 冬季盐雾浓度显著高于夏季, 其中, 夏季和冬季的平均盐雾氯离子质量浓度分别为0.42和1.05 mg/m³。绝对湿度的季节性差异是导致冬季盐雾浓度高于夏季的主要原因, 因为夏季和冬季的平均大气绝对湿度分别为20.42和4.83 g/m³。

(2) 盐雾浓度存在一定的地域性差异。在夏季, 南海、黄海、渤海和东海的盐雾氯离子质量浓度分别为0.76、0.45、0.25和0.14 mg/m³, 在冬季, 南海、黄海、东海和渤海的盐雾氯离子浓度分别为1.31、1.16、0.99和0.60 mg/m³。

(3) 工程上常用的过滤器组合F9+M5+G4实测计重效率计算值为98.97%, 不满足室内盐雾控制要求, 而组合F9+M5+G4+G4实测计重效率计算值为99.68%, 可以满足室内盐雾控制要求。