瀕海大氣環(huán)境氯離子高度分布規(guī)律研究

張濤，李鴻飛，劉靜，朱浩若

瀕海大氣環(huán)境氯離子高度分布規(guī)律研究

張濤1,2，李鴻飛1，劉靜1，朱浩若1

（1.西南技術(shù)工程研究所，重慶 400039；2.海南萬寧大氣環(huán)境材料腐蝕國家野外科學觀測研究站，海南 萬寧 571522）

研究瀕海大氣環(huán)境氯離子沿建筑物高度的分布規(guī)律。以海南瀕海高層建筑為研究平臺，在建筑物不同高度樓層設置監(jiān)測點，采用“紗布法”完成不同高度層的大氣環(huán)境氯離子沉積速率數(shù)據(jù)采集，每次取換樣周期為30 d，連續(xù)監(jiān)測1 a。利用離子色譜儀對所采集的樣本進行檢測分析，研究瀕海大氣環(huán)境氯離子沿建筑物高度的分布規(guī)律。氯離子沉積速率隨塔樓高度的增加而升高，在塔樓建筑高度60%～70%的區(qū)域，受到高層建筑“下沖風”的影響，氯離子沉積速率會有所下降，出現(xiàn)相對低值。通過這個區(qū)域后，氯離子沉積速率又逐漸升高。瀕海大氣氯離子沉積速率沿建筑物高度變化規(guī)律受到大氣氯離子濃度、風向風速、溫濕度和高層建筑氣流的綜合影響。

氯離子；沉積速率；瀕海大氣；紗布法；離子色譜法；高樓風

海洋大氣環(huán)境的一個主要特征就是氯離子含量高，大氣氯離子是影響金屬腐蝕的重要環(huán)境介質(zhì)。材料大氣腐蝕的相關(guān)研究表明，相對濕度、大氣中腐蝕性成分（主要是SO2、Cl–含量）、水溶性降塵量、氣溫為大氣腐蝕的顯著因子。ISO 9223更將大氣氯離子沉積速率作為環(huán)境因素法評價大氣腐蝕等級的一項重要因素[1]。除了加劇金屬或金屬鍍層的腐蝕，海洋大氣中高濃度的氯離子還會造成電子設備損壞、絕緣表面導電性增加[2]、表面保護膜破壞等危害。因此，掌握瀕海地區(qū)的大氣氯離子分布規(guī)律，對于瀕海地區(qū)高新武器裝備、大型國防工程、跨海大橋、沿海風電等軍民裝備、建筑工程的防腐設計以及其日常管理和使用維護，有非常重要的指導作用和參考價值[3]。

在瀕海地區(qū)，大氣環(huán)境中的氯離子在空間分布上并不是均勻的。有研究表明[4]，在地面上，大氣氯離子濃度及其沉積速率都隨采樣點離海邊距離的增大而迅速下降。在海南萬寧站測試表明，距海邊100 m處，Cl–質(zhì)量濃度可達0.185 3 mg/m3，在350 m處則降為0.029 4 mg/m3。

除了離海距離因素外，高度也會對大氣氯離子分布造成影響[5]，可能致使腐蝕環(huán)境發(fā)生明顯變化。近年來，隨著在瀕海地區(qū)大型工程建設加速，通過研究瀕海大氣環(huán)境氯離子沿建筑物高度的分布規(guī)律，能夠為瀕海大型工程特別是高層建筑以及內(nèi)部設備的防腐和維護方案制訂提供科學依據(jù)，既滿足長期防腐和設備穩(wěn)定運行的要求，又避免過度防護，合理有效利用資源，節(jié)約成本。

1 研究現(xiàn)狀分析

1.1 國外研究現(xiàn)狀

在海洋大氣環(huán)境下，大氣氯離子對金屬腐蝕的影響尤為突出[6]，國外研究機構(gòu)很早就開始對其進行監(jiān)測，并制定了相應的測試方法標準。如ISO 9223—1992根據(jù)大氣氯離子、二氧化硫、潤濕時間3項因素進行過大氣腐蝕性分級[7]，該標準同時明確指出了其分級準則中大氣氯離子沉降速率指標按ISO 9225所規(guī)定的濕燭法進行采集分析[8]。經(jīng)修訂后的ISO 9225—2012增加了“紗布法”采樣方法。日本JISZ 2382則規(guī)定采用“紗布法”進行采樣，與我國自然環(huán)境試驗站網(wǎng)現(xiàn)行的掛片法大體一致[9]。日本作為島國，對海洋大氣研究較多，有人員根據(jù)不同離海距離的測試結(jié)果將沿海地區(qū)大氣劃分為海上、海濱、沿岸、準沿岸、內(nèi)陸5個區(qū)，將各區(qū)距海岸線距離分別劃分為<0 m、0～300 m、300～2 000 m、2～20 km、>20 km，但對不同高度的大氣氯離子測試研究尚未見報道。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)環(huán)境試驗研究單位很早就開始對大氣氯離子進行監(jiān)測，目前的主要監(jiān)測指標有大氣氯離子濃度和大氣氯離子沉積速率。大氣氯離子濃度是瞬時值，單位為mg/m3，其物理意義為某一時間點單位體積大氣所含的氯離子質(zhì)量。大氣氯離子沉積速率則是累計平均值，單位為mg/(100 cm2·d)，其物理意義為某段時間內(nèi)暴露在大氣中的樣品單位時間內(nèi)在單位表面積上的平均氯離子沉積質(zhì)量[10]。針對這2個指標相應的標準測試方法有：GJB 8894.1—2017《自然環(huán)境因素測定方法第1部分：大氣環(huán)境因素》、WJ 2360—1995《兵器產(chǎn)品自然環(huán)境試驗方法環(huán)境因素監(jiān)測》、《全國大氣腐蝕網(wǎng)站操作規(guī)程腐蝕性物質(zhì)濃度監(jiān)測分析方法》等。由于現(xiàn)有標準主要針對自然環(huán)境試驗站暴曬場日常監(jiān)測，均規(guī)定在離地1～1.5 m高度進行測試。有調(diào)查表明，距海平面7～8 m處，腐蝕性最強，在此之上，距海平面越高，腐蝕性越弱。這種差異是否來自或部分來自于大氣氯離子沿高度分布的差異，暫時還無法判斷，因為目前針對不同高度系統(tǒng)開展的大氣氯離子監(jiān)測很少。我國部分核電站如秦山核電站、紅沿河核電站等，為預測設備腐蝕情況，利用氣象塔測過不同高度氯離子，但均只測了1.5、10 m這2個高度，變化規(guī)律不夠明顯。大氣氯離子的垂直（距海平面高度）分布情況尚不明確，亟待進一步的深入研究。

2 研究方法

鹽霧中的氯離子主要是通過沉積在金屬表面形成薄液膜進而加速金屬腐蝕的[11]。在環(huán)境工程專業(yè)，常用來表征鹽霧嚴重程度的有大氣氯離子濃度和大氣氯離子沉積速率2種指標。其中大氣氯離子濃度是瞬時值，該指標隨機誤差較大[12]，且難以反映大氣氯離子作用于產(chǎn)品的實際情況，因為大氣氯離子并不是直接破壞產(chǎn)品，而是通過沉積于產(chǎn)品表面起作用。因此，環(huán)境工程上更多地使用大氣氯離子沉積速率來評價氯離子的污染程度。本項目以大氣氯離子的沉積速率作為主要測試指標，以海南島東海岸瀕海高層塔樓為研究平臺，在建筑物塔樓不同樓層設置監(jiān)測點，完成不同高度層大氣氯離子沉積率數(shù)據(jù)采集工作。通過對環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析和比對，研究瀕海大氣環(huán)境氯離子沿建筑物高度的分布規(guī)律。

3 研究過程

3.1 氯離子沉積速率的測量方法

3.1.1 測量原理

氯離子沉積速率測量原理是利用其采集裝置中具有過濾及吸附能力的雙層紗布，吸附空氣中的含鹽粒子而進行樣品采集。連續(xù)采集一定時間后（一般為30 d），對采集裝置中的紗布樣品進行取樣分析。

3.1.2 裝置和儀器

1）氯離子沉積速率采樣器，PVC外框外側(cè)尺寸為150 mm×150 mm，內(nèi)側(cè)尺寸為120 mm×120 mm，PVC內(nèi)框外側(cè)尺寸為120 mm×120 mm，內(nèi)側(cè)尺寸100 mm×100 mm，采樣面積為100 cm2。

2）美國戴安公司ICS 900離子色譜分析儀，最小檢出限≤0.02 mg/L。

3）QC-3氣體采樣器，流量范圍為0～1 L/min。

4）玻砂吸收管，規(guī)格為10 mL。

5）電子分析天平，感量為0.1 mg。

3.1.3 測量方法

在測量點位懸掛3片氯離子沉積速率采樣裝置，利用一定面積的紗布在固定時間段內(nèi)連續(xù)吸附空氣中的鹽霧，然后對采集樣品進行分析處理，計算單位時間內(nèi)單位面積紗布所沉積的氯離子質(zhì)量[13]。

氯離子沉積速率采集參照GJB 8894.1—2017《自然環(huán)境因素測定方法第1部分：大氣環(huán)境因素》。氯離子沉積速率樣品分析方法參照HJ 549—2009《環(huán)境空氣和廢氣氯化氫的測定離子色譜法（暫行）》，采用離子色譜儀進行分析。

3.1.4 測量準備

采用紗線數(shù)規(guī)格為22C/（120±6/100）mm×（100± 6/100）mm的脫脂棉紗布，將其剪成尺寸約150 mm× 150 mm的方塊。用超純水對裁剪好的紗布逐一清洗多次，放入電熱鼓風干燥箱120 ℃溫度烘干4 h。分析人員戴上潔凈的手套，將烘干的雙層紗布繃直固定在干凈的采集裝置上，用刀片把四周多余的部分沿著固定卡條剪掉，見圖1。編號后，立即密封包裝待用。

圖1 氯離子沉積速率采樣器安裝

3.2 氯離子測量過程

3.2.1 監(jiān)測地點設立

建筑物距離海岸850 m，塔樓高度為92 m，樓層為12層，每層高度在7 m左右。在塔樓設置氯離子沉積速率垂直分布監(jiān)測點7個，每個監(jiān)測點設置鹽霧氯離子沉積率采樣器3個，方向朝南，監(jiān)測點設置情況見表1。監(jiān)測試驗架和氯離子沉積速率采樣器安放情況見圖2和圖3。

表1 監(jiān)測點設置情況

Tab.1 Setting of monitoring points

圖2 塔樓樓頂監(jiān)測點

圖3 氯離子沉積速率監(jiān)測采樣

3.2.2 監(jiān)測樣本采集

對各監(jiān)測點的鹽霧（氯離子）沉積速率（mg/ 100 cm2·d）進行持續(xù)監(jiān)測，監(jiān)測總時長為12個月，氯離子沉積速率采樣器每月更換和取樣分析1次。為了掌握塔樓不同高度層大氣氯離子濃度分布與氯離子沉積速率之間的關(guān)系，在塔樓氯離子沉積速率各監(jiān)測點開展了大氣氯離子濃度監(jiān)測。

鹽霧濃度樣本采集參照GB/T 10593.2—2012《電工電子產(chǎn)品環(huán)境參數(shù)測量方法第2部分：鹽霧》中3.4規(guī)定執(zhí)行。采用QC-3氣體采樣器，在雙氣路大氣采樣器上，左右兩邊均串聯(lián)2支各裝有5 mL吸收液的多孔玻板吸收管，以0.5 L/min流量采集大氣，采樣60 min，即獲得氯離子濃度樣本。

3.2.3 監(jiān)測樣品分析

樣本采集后，按照HJ 549—2009《環(huán)境空氣和廢氣氯化氫的測定離子色譜法（暫行）》，采用離子色譜儀（含電導檢測器及陰離子色譜柱）進行分析[14]。該方法是利用不同離子在色譜柱中的離子交換速率不同，通過析出的時間來定性，通過測特征離子的電導來定量。該方法對溶液的檢出限達到0.2 μg/10mL。

氯離子沉積速率計算公式為：

=[Cl–]·/(·)

式中：為氯離子沉積速率，mg/(m2·d)；[Cl–]為樣品溶液氯離子質(zhì)量濃度，mg/L；為樣品溶液總體積，L；為紗布面積，m2；為大氣采樣時間，d。

3.2.4 監(jiān)測數(shù)據(jù)處理

氯離子沉積速率以每個測試點3個平行樣測試數(shù)據(jù)的平均值作為該點測試值。氯離子沉積速率每個月的監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果見表2。

表2 氯離子沉積速率每月數(shù)據(jù)記錄

Tab.2 Monthly recorded data of chlorine ion deposition rate mg/(m2·d)

3.3 分析與討論

通過對監(jiān)測采集的12個月氯離子沉積速率數(shù)據(jù)進行分析比對，可以發(fā)現(xiàn)，每個月建筑物不同高度層氯離子沉積速率分布具有相似的規(guī)律。塔樓不同高度層全年氯離子沉積速率數(shù)據(jù)分布曲線如圖4所示。

圖4 不同高度層氯離子沉積速率全年分布曲線

塔樓不同高度層氯離子沉積速率分布具有以下特征：

1）由于塔架1+層和樓頂為完全戶外環(huán)境，氯離子沉積速率高于半封閉陽臺環(huán)境的其他樓層。

2）88 m高度的塔架樓頂，其氯離子沉積速率高于1+層的氯離子沉積速率。

3）塔架半封閉陽臺環(huán)境的氯離子沉積速率隨樓層高度的增加而升高，到達第9層（56.25 m）時出現(xiàn)下降，然后又逐漸升高。

塔樓不同高度層氯離子濃度瞬時值采樣時間為春季的3月，連續(xù)2 d，每天上午、下午各1次，共計采樣4次，取平均值作為該監(jiān)測點的氯離子濃度瞬時值，塔樓不同高度層氯離子濃度分布如圖5所示。

圖5 塔樓不同高度層氯離子濃度分布曲線

塔樓半封閉環(huán)境氯離子濃度分布規(guī)律與氯離子沉積速率沿高度分布規(guī)律相似，先隨樓層高度的增加而升高，到達塔樓9層樓時下降，然后又逐漸升高。半封閉環(huán)境各樓層氯離子濃度測試值比較接近，戶外環(huán)境氯離子濃度高于半封閉環(huán)境。大氣氯離子濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)是瞬時值，隨機性比較大，與氯離子沉積速率沿建筑物高度分布規(guī)律具有一定的相關(guān)性，也存在差異。

塔樓的氯離子沉積速率沿建筑物高度分布規(guī)律與高層建筑物形成的“高樓風”也存在相關(guān)性。由于高層建筑阻擋了近地風的流動，造成不同部位風差。在迎風面上，由于空氣流動受阻，速度降低，風的部分動能變?yōu)殪o壓，使建筑物迎風面的壓力大于大氣壓，從而形成正壓；在背風面、側(cè)風面（屋頂或兩側(cè)），由于氣流曲繞過程形成空氣稀薄現(xiàn)象，該處壓力小于大氣壓，從而形成負壓，這2種氣壓差造成氣流快速流動，產(chǎn)生“高樓風”[15]。當氣流遇到建筑物時，會在建筑物高度的60%～70%處分為上下、左右的風。其中左右方向的風由于受建筑物表面低壓區(qū)的吸引，變成從上往下沖的勁風，即“下沖風”。

隨著建筑物高度和地面風速的增加，高樓風速呈倍速增加。樓層越高，風速越大，空氣中的氯離子越容易附著在采樣紗布表面，氯離子沉積速率隨樓層高度的增加而升高。然而，在塔樓的第9層，氯離子沉積速率卻有所下降，這是由于高層建筑產(chǎn)生的“下沖風”造成的。塔樓高度為91.7 m，第9層的高度為56.25 m，位于整個塔樓高度的61%處，正好處于形成“下沖風”的部位。在這個位置，氣流處分為上下、左右的風，其中左右方向的風又變成從上往下沖的勁風，該區(qū)域空氣中的海鹽顆粒會隨“下沖風”被上下分流，造成該樓層大氣氯離子濃度和沉積速率都相對較低。

通過對不同季節(jié)的氯離子沉積速率數(shù)據(jù)進行比較分析發(fā)現(xiàn)，建筑物不同高度層氯離子沉積速率隨季節(jié)的變化規(guī)律不完全一致。塔架樓頂?shù)穆入x子沉積速率隨季節(jié)變化規(guī)律為冬季高、秋季低，而其他樓層監(jiān)測點的氯離子沉積速率隨季節(jié)的變化規(guī)律為夏季高、秋冬季低。塔樓不同高度層氯離子沉積速率隨季節(jié)的變化情況如圖6所示。

圖6 塔樓氯離子沉積速率隨季節(jié)變化情況

建筑物樓頂和其他樓層大氣氯離子沉積速率隨季節(jié)的變化規(guī)律有所差異，其原因主要與塔樓的地理位置、各監(jiān)測點的位置和不同季節(jié)風向有關(guān)。由于海浪互擊或撞擊海岸沙灘、礁石破碎后，產(chǎn)生大量的鹽霧，除了向高空升騰外，還會被海風吹向內(nèi)陸，因此瀕海大氣環(huán)境氯離子濃度和沉積速率與風向風速密切相關(guān)。塔樓東側(cè)和南側(cè)臨海，冬季以東北風為主，夏季以東南風和西南風為主。由于塔樓半封閉陽臺朝南，冬季受東北風的影響較小，夏季受西南風和東南風的影響較大，因此氯離子沉積速率表現(xiàn)為冬季低、夏季高；而樓頂戶外環(huán)境在受風向的影響方面沒有限制，所以氯離子沉積速率冬季高、夏季低；1+層戶外在北面受到建筑物阻擋，這也是1+層氯離子沉積速率與樓頂?shù)某练e速率相比在冬季差距較大，而其他季節(jié)季差距較小的原因。

4 結(jié)語

瀕海地區(qū)大氣氯離子沉積速率沿建筑物高度變化規(guī)律受到大氣氯離子濃度、風向風速、溫濕度[16]和高層建筑氣流等的綜合影響，氯離子沉積速率隨建筑物高度的增加而升高。在建筑高度60%～70%的區(qū)域，受到高層建筑“下沖風”的影響，氯離子沉積速率會有所下降，出現(xiàn)相對低值。通過這個區(qū)域后，氯離子沉積速率又逐漸升高。

瀕海高層建筑物不同高度層、不同朝向的風向和風速分布規(guī)律及其對氯離子沉降速率的影響后續(xù)還需要進一步研究。同時，可通過開展碳鋼、鋁、鋅、銅4種標準金屬材料在不同高度層的大氣暴露試驗，收集標準金屬材料的大氣腐蝕數(shù)據(jù)，結(jié)合大氣氯離子沉積速率監(jiān)測結(jié)果，綜合研究評估瀕海高層建筑物不同高度層的大氣腐蝕特征和腐蝕嚴酷度等級。

通過研究和掌握瀕海大氣環(huán)境氯離子高度分布規(guī)律及腐蝕特征，可以為改進瀕海地區(qū)相關(guān)材料的環(huán)境適應性，為衛(wèi)星發(fā)射塔架等瀕海大型國防工程的建筑結(jié)構(gòu)防腐方案設計、材料優(yōu)化選型、環(huán)境條件控制、管道和空調(diào)等設施的日常維護和保養(yǎng)提供科學依據(jù)。

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Height Distribution Law of Chlorine Ions in Coastal Atmosphere

ZHANG Tao1,2, LI Hong-fei1,LIU Jing1, ZHU Hao-ruo1

(1.Southwest Technology and Engineering Research Institute, Chongqing 400039, China; 2.Hainan Wanning Materials Corrosion National Observation and Research Station, Hainan Wanning 571522, China)

The work aims to study the distribution law of chlorine ions along the height of buildings in the coastal atmosphere. With coastal high-rise buildings of Hainan as the research platform, monitoring points were set at different floors of the buildings, and the “gauze method” was used to collect the chlorine ion deposition rate in the atmospheric environment at different heights. Each sampling and changing cycle was 30 days, and the continuous monitoring time was 1 year. The collected samples were detected and analyzed by ion chromatograph to study the distribution law of chlorine ions along the height of buildings in the coastal atmosphere. The chloride ion deposition rate increased with the height of the tower building. In the area of 60%-70% of the height of the tower building, the chloride ion deposition rate decreased to a relatively low value due to the effects of the “downwind” of high-rise buildings. After passing through this area, the chloride ion deposition rate gradually increased. The change of chloride ion deposition rate along the height of buildings in the coastal atmosphere is affected by the overall influence of atmospheric chlorine ion concentration, wind direction and wind speed, temperature and humidity and high-rise building airflow.

chlorine ion; deposition rate; coastal atmosphere; gauze method; ion chromatograph; high-rise wind

TG172

A

1672-9242(2022)12-0137-06

10.7643/ issn.1672-9242.2022.12.019

2021-11-03；

2021-12-15

2021-11-03；

2021-12-15

張濤（1969—），男，高級工程師，主要研究方向為防腐工程技術(shù)與環(huán)境試驗技術(shù)。

ZHANG Tao (1969-), Male, Senior engineer, Research focus: corrosion prevention engineering and environmental test technology.

張濤, 李鴻飛, 劉靜, 等. 瀕海大氣環(huán)境氯離子高度分布規(guī)律研究[J]. 裝備環(huán)境工程, 2022, 19(12): 137-142.

ZHANG Tao, LI Hong-fei, LIU Jing, et al.Height Distribution Law of Chlorine Ions in Costal Atmosphere[J]. Equipment Environmental Engineering, 2022, 19(12): 137-142.

責任編輯：劉世忠