雾霾模拟生成装置如图1所示。主模拟室由有机玻璃组成，高度为1.17 m，直径为0.36 m，壁厚为5 mm，上顶盖厚为10 mm。2个分散环分别用于通入水雾和灰霾。水雾分散环和颗粒物分散环分别在装置的0.7 m和1 m的高度，入口在装置两侧，实物图如图2所示。超声波水雾箱用于模拟和输送水雾，霾颗粒物存储箱和鼓风机用于模拟和输送霾颗粒物。底部风扇用于提供上升气流，稳定装置内部的流场变化，配合主模拟室侧边2个通气管，模拟大气静稳环境。装置内部使用PMS3003激光测尘仪监测颗粒物的质量浓度，使用Anseny316温湿度传感器测量颗粒物的浓度和温湿度变化。

根据《环境空气质量标准》(GB 3095-2012)^[17]，PM₁₀ 定义为环境空气中空气动力学当量小于等于10 μm，也称为可吸入颗粒物；PM_2.5 的定义也是同理，又被称为细颗粒物。按照PM_2.5和PM₁₀的二级日平均标准，将空气划分为一般空气、轻度雾霾(150 μg·m⁻³)、中度雾霾(300 μg·m⁻³)、重度雾霾(450 μg·m⁻³)。

据报道^[18]，燃煤的燃烧和排放是雾霾污染的主要源头，河北地区的经济产业结构以第一产业为主，能源消耗方式以燃煤和天然气为主，这导致PM_2.5构成中有近60%来自燃煤的燃烧。装置选用的颗粒物主要为粉煤灰。粉煤灰是燃煤电厂排出的主要固体废物，也是目前大气颗粒物中最普遍的成分，其主要成分是SiO₂、Al₂O₃、FeO、Fe₂O₃、CaO和TiO₂等。

本研究使用的激光测尘仪如图3所示。主要测量PM₁(CF)、PM_2.5(CF)、PM₁₀(CF)、PM₁(自然)、PM_2.5(自然)和PM₁₀(自然)等6个数据。PM₁(CF)、PM_2.5(CF)和PM₁₀(CF) 分别表示测得的数据通过等效测试认证校正后的粒径小于1、2.5和10 µm的颗粒物浓度，校正后的颗粒物浓度比相应的自然颗粒物浓度高^[19]。一般情况下，PM₁(CF)/PM₁(自然) ≈ PM_2.5(CF)/PM_2.5(自然) ≈ PM₁₀(CF)/PM₁₀(自然)≥1。通过空调系统调节温度，将装置内部的实验温度控制为室温(25±3) ℃。水雾的相对湿度≥90%，霾的相对湿度≤80%，雾霾的相对湿度为80%~90%，通过加湿器调节雾霾环境的相对湿度，保持为65%~85%。通过调节雾和霾发生系统，将PM₁₀(CF)、PM_2.5(CF)和PM₁(CF)的初始雾霾浓度控制为1 800~2 000、400~600和100~300 μg·m⁻³，随后关闭装置。0~10 min 为雾霾生成阶段，10~130 min 为自然沉降阶段，共测量130 min。

为探讨模拟雾霾环境的各粒径沉降效果，保证本次实验的雾霾沉降速率比自然雾霾环境要快，本次实验仅采用3个底部风扇，并且风扇档位选择低档。本研究进行3类实验，分别为单一水雾实验、单一霾颗粒物实验和雾霾混合实验，并通过开启或关闭3个底部风扇，监测3种环境下有无风扇时浓度的变化和各粒径颗粒物浓度占比的变化。

1)单一水雾模拟实验：密封装置内部，打开监测仪器，调节温湿度并保持稳定；启动无发生系统，生成水雾。

2)单一霾颗粒物模拟实验：密封装置内部，打开监测仪器，调节温湿度并保持稳定；启动霾发生系统，通入粉煤灰混合颗粒。

3)混合雾霾模拟实验：密封装置内部，打开监测仪器，调节温湿度并保持稳定；同时启动霾发生系统和雾发生系统，进行混合雾霾实验。

单一水雾环境的各粒径浓度变化情况如图4所示。温度设定为(25±1) ℃，湿度设定为(78±2)%。由图4可知，各粒径的浓度随时间的延长而下降，但有风扇情况下各粒径的浓度沉降速率明显小于无风扇情况，这说明底部风扇提供的上升力能减缓单一水雾环境中各粒径水雾颗粒的沉降速率。

单一水雾环境的各粒径颗粒物浓度占比情况如表1所示，无风扇情况下的各粒径颗粒物浓度占比在40 min后几乎不变。有风扇情况下的初始各粒径颗粒物浓度占比较小，但在实验结束时，与无风扇情况下数值差距小于5%。值得注意的是，无风扇情况下，PM₁(自然)/PM₁₀(自然)、PM_2.5(自然)/PM₁₀(自然)与PM₁(CF)/PM₁₀(CF)、PM_2.5(CF)/PM₁₀(CF)相比呈下降趋势。这主要是因为部分自然PM₁和PM_2.5凝聚成自然PM₁₀，导致PM₁(自然)/PM₁₀(自然)和PM₁(自然)/PM₁₀(自然)的浓度占比减小^[20]。

单一霾颗粒物环境的各粒径浓度变化如图5所示。与单一水雾不同的是，有风扇情况下，各粒径浓度沉降速率比无风扇情况时更快，说明底部风扇提供的上升力促使该环境下各粒径霾颗粒物沉降更加迅速。值得注意的是，在0~10 min，PM₁₀下降时，PM_2.5和PM₁的浓度出现短暂的回升现象，单一水雾环境并未出现。产生这种现象的主要原因是可吸入颗粒物分解积聚产生二次气溶胶，提高了装置内PM_2.5和PM₁的浓度^[21-22]。

单一霾颗粒物环境的各粒径颗粒物浓度占比变化如表2所示。在0~10 min时，由于PM₁₀的迅速沉降和PM_2.5和PM₁的回升现象，各粒径颗粒物浓度占比从低值迅速上升；但在10 min后，上升速率明显降低，尤其是无风扇情况。实验结束时，无风扇情况下各粒径颗粒物浓度占比分别为54.10%、43.42% 和80.26%。有风扇情况的各粒径颗粒物浓度占比要高于无风扇情况下的浓度占比，但变化幅度逐渐减小。

混合雾霾环境的各粒径颗粒物浓度变化如图6所示。可以看出，混合雾霾可以保持长时间的悬浮效果，尤其在有风扇情况下更是如此。实验结束时，PM₁₀(CF)、PM_2.5(CF)和PM₁(CF)的浓度依旧能保持在500、400和300 μg·m⁻³以上，且PM_2.5和PM₁的浓度也出现了回升现象，这说明混合雾霾环境的浓度变化也具有单一水雾和单一霾颗粒物环境同样的浓度回升特征。

混合雾霾环境的各粒径颗粒物浓度占比情况如表3所示，该环境的各粒径颗粒物浓度占比变化与霾颗粒物环境下相似。但是，在有风扇情况下，各粒径颗粒物浓度占比要高于无风扇情况下的浓度占比。通过对比分析得出以下3种结果。

1)无风扇时，霾颗粒物环境的各粒径颗粒物浓度沉降速率较小，混合雾霾环境下颗粒物沉降速率更小，但在模拟后期，混合雾霾环境下各粒径颗粒物浓度占比要比单一水雾环境的颗粒物浓度占比低20%~30%。在无风扇情况下，混合雾霾环境中的PM₁和PM_2.5的雾霾粒子难以保持长时间的悬浮，仍以PM₁₀雾霾粒子为主，约占总量的45%，PM_2.5和PM₁含量分别为34%和20%。

2)有风扇时，各粒径颗粒物的沉降速度明显大于无风扇时的沉降速度。单一霾颗粒物环境下颗粒物沉降速率最高，单一水雾环境的各粒径颗粒物浓度沉降速率较小，混合雾霾环境下各粒径颗粒物沉降速率最小。这说明，湿度为65%~85%，雾霾的沉降速度随着湿度的增加将会降低；反之，湿度越小，雾霾的沉降速度越高。在130 min时，3种环境装置内颗粒物都以PM_2.5和PM₁₀为主，PM₁仅占颗粒物总浓度的24%，PM_2.5和PM₁₀分别为36%和40%。

3)在有风扇条件下，模拟装置可以生成超过100 min的浓度大于450 μg·m⁻³的PM_2.5和PM₁₀雾霾环境，即重度雾霾环境，这是现今雾霾治理的重点。在无风扇环境下，可维持浓度为300~450 μg·m⁻³的PM_2.5环境超过20 min和PM₁₀环境超过30 min，即中度雾霾环境。也可维持浓度为150~ 300 μg·m⁻³的PM_2.5环境超过60 min和PM₁₀环境超过40 min，即一般雾霾环境。

1)本研究的雾霾模拟装置成功模拟6种不同雾霾环境以及各种环境下各粒径颗粒物的沉降效果并进行交叉对比。模拟结果表明，该装置能持续地模拟自然雾霾环境，反映雾霾在自然条件下呈现较为缓慢的沉降特征，颗粒物粒径越大，沉降愈发明显。

2)在风速稳定、湿度为(78 ± 2)% 的情况下，本装置生成的雾霾环境中的各粒径颗粒物不易沉降，可以生成持续稳定的雾霾，为雾霾治理提供良好的实验环境，也可为研究工业设备在雾霾环境下的老化、污染现象提供准确可控的研究环境。

3)在雾霾加重时，可以通过降低雾霾的湿度，提高颗粒物的沉降速度，使雾霾加速沉降。

4) 研究表明，PM₁₀颗粒物在各种环境下沉降速度都明显高于PM₁和PM_2.5颗粒物，且当PM₁₀颗粒物分解时，会造成PM₁和PM_2.5颗粒物浓度回升，选择合适的颗粒物凝结催化剂，使PM₁和PM_2.5颗粒物快速集聚凝结成粒径较大的颗粒物，使其沉降速度加快，加速雾霾的消散，可达到雾霾快速治理的目的。