大氣顆粒物濃度檢測(cè)技術(shù)及其發(fā)展_楊書申

1、收稿日期:2005-12-15作者簡(jiǎn)介:楊書申(1966-,男,中原工學(xué)院機(jī)械工程專業(yè)畢業(yè),中國(guó)礦業(yè)大學(xué)北京校區(qū)在讀博士生,副教授。大氣顆粒物濃度檢測(cè)技術(shù)及其發(fā)展楊書申1,2邵龍義1龔鐵強(qiáng)3劉昌鳳1(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京校區(qū),北京100083;2.中原工學(xué)院,鄭州450007;3.湖南省煤礦設(shè)計(jì)研究院,長(zhǎng)沙410000摘要:大氣顆粒物是一種重要的空氣污染物,詳細(xì)分析了大氣顆粒物濃度的檢測(cè)原理、檢測(cè)方法?；谀げ都姆Q重法是最基本的顆粒物濃度檢測(cè)方法,但是基于其他原理的顆粒物濃度檢測(cè)方法在顆粒物的實(shí)時(shí)在線檢測(cè)方面得到了廣泛應(yīng)用,對(duì)各類監(jiān)測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)作了對(duì)比,指出自動(dòng)化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化是大氣顆

2、粒物濃度檢測(cè)儀器的方向發(fā)展。關(guān)鍵詞:大氣顆粒物;濃度;檢測(cè);實(shí)時(shí)在線中圖分類號(hào):X831文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B 文章編號(hào):1671-6558(200501-36-04An Overvie w of the Monitoring T echnology forAirborne Particulate ConcentrationsYang Shushen 1,2Shao Longyi 1G ong Tieqiang 3Liu Changfeng 1(1.China University of Mining and Technology ,Beijing ,100083,China ;2.Zhongyuan

3、 Institute of Technology ,Zhengzhou 450007,China ;3.Hunan Institute of Mining Design &Research ,Changsha 410000,China Abstract :The airborne particulates are an important type of air pollutants.This paper analyzes the principles and methods of the monitoring of the ambient airborne particulate c

4、oncentration.The gravimetric analysis based on filter collection is a fundamental monitoring method but the real 2time on 2site monitoring technologies based on other principles are more extensively used.The advantage and disadvantage of all kinds of methods are compared in this paper.It is pointed

5、out that the modern ambient particulate concentration monitoring instruments are those with technology of automation ,intelligent and network.Key words :airborne particulates ;concentration ;monitoring methods ;real 2time and on 2site大氣環(huán)境檢測(cè)是所有大氣環(huán)境工作的物質(zhì)基礎(chǔ),不論是進(jìn)行大氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)、大氣污染防治,還是進(jìn)行大氣環(huán)境科學(xué)及工程的研究,都必須是在科學(xué)

6、、準(zhǔn)確測(cè)定大氣環(huán)境參數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行,離開了準(zhǔn)確的檢測(cè),其他的大氣環(huán)境方面的所有工作都成了無稽之談,因此,大氣環(huán)境檢測(cè)技術(shù)也隨著大氣環(huán)境科學(xué)與工程的發(fā)展而得到了迅速發(fā)展。大氣中懸浮顆粒物的存在,會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重影響,因此,大氣顆粒物一直是大氣環(huán)境研究中最前沿領(lǐng)域之一。大氣顆粒物濃度是評(píng)價(jià)大氣顆粒物的重要指標(biāo)之一,顆粒物濃度的檢(監(jiān)測(cè)一直受到環(huán)境工作者的重視。本文綜述大氣顆粒物濃度檢測(cè)技術(shù)的原理及檢測(cè)儀器設(shè)備的市場(chǎng)及研究現(xiàn)狀,并展示其發(fā)展趨勢(shì)。第4卷第1期2005年1月北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)JOURNAL OF BEIJ ING VOCATIONAL &TECHNICAL INSTITU

7、TE OF INDUSTRY.1Vol.4Jan.20051大氣顆粒物濃度及測(cè)試分類大氣中的懸浮顆粒物(SPM是大氣顆粒物的統(tǒng)稱,可分為一次污染物和二次污染物。一次污染物是直接進(jìn)入大氣中的顆粒物,粒徑大小一般在1 20m范圍內(nèi),大部分大于2.5m;二次污染物顆粒較小,其大小在0.011.0m范圍內(nèi),是大氣中的氣態(tài)污染物之間及氣態(tài)污染物與塵粒之間相互發(fā)生化學(xué)或光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的。根據(jù)大氣顆粒物的粒徑大小,將大氣顆粒物分別命名。其中,對(duì)環(huán)境影響較大,引起人們普遍關(guān)注的有總懸浮顆粒物(TSP、可吸入顆粒物(PM10、可入肺顆粒物(PM2.5。大氣中的懸浮顆粒物對(duì)人體健康的負(fù)面影響,及對(duì)城市大氣能見度、

8、氣候、空氣質(zhì)量、生態(tài)環(huán)境的影響,都與總懸浮顆粒物(TSP、PM10及PM2.5的數(shù)量及質(zhì)量多少有關(guān),為準(zhǔn)確描述顆粒物的影響,在研究大氣顆粒物的行為、影響時(shí),制定了大氣顆粒物濃度的指標(biāo),大氣顆粒物濃度可分為個(gè)數(shù)濃度、質(zhì)量濃度和相對(duì)質(zhì)量濃度。個(gè)數(shù)濃度指以單位體積空氣中含有的顆粒物個(gè)數(shù)表示的濃度值,單位為粒/cm3、粒/L,多應(yīng)用于空氣潔凈技術(shù)領(lǐng)域,無塵室、超凈工作間等超低濃度環(huán)境和需要?dú)馊苣z的個(gè)數(shù)濃度來解釋種種現(xiàn)象的氣象學(xué)領(lǐng)域。質(zhì)量濃度指以單位體積空氣中含有的顆粒物的質(zhì)量表示的濃度,單位為mg/m3或g/m3,用于一般的大氣顆粒物研究領(lǐng)域。相對(duì)濃度是指與顆粒物的絕對(duì)濃度有一定對(duì)應(yīng)關(guān)系的物理量數(shù)值,

9、作為相對(duì)濃度使用的物理量有光散射量、放射線吸收量、靜電荷量、石英振子頻率變化量等。大氣顆粒物濃度的測(cè)量,主要是根據(jù)顆粒物的物理性質(zhì)(包括力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)等與顆粒物的數(shù)量或質(zhì)量之間的關(guān)系,通過相應(yīng)的儀器設(shè)備進(jìn)行的。根據(jù)測(cè)量的具體操作,可將大氣顆粒物的測(cè)試方法分為捕集測(cè)定法和浮游測(cè)定法,捕集測(cè)定法是指先用各種手段捕集空氣中的微粒,再測(cè)定其濃度的方法;能保持空氣中的浮游顆粒仍為浮游狀態(tài)而測(cè)定其濃度的方法為浮游測(cè)定法。2個(gè)數(shù)濃度的測(cè)定個(gè)數(shù)濃度的測(cè)定方法主要有兩種:2.1化學(xué)微孔濾膜顯微鏡計(jì)數(shù)法在潔凈環(huán)境含塵濃度的測(cè)定中,用濾膜顯微鏡計(jì)數(shù)法測(cè)量個(gè)數(shù)濃度是個(gè)數(shù)濃度測(cè)定法的最基本方法,其原理是將微粒捕集在濾

10、膜表面,再使濾膜在顯微鏡下成為透明體,然后觀察計(jì)數(shù),分試樣樣品采集、顯微鏡觀察和粒子計(jì)數(shù)三個(gè)過程,屬捕集測(cè)定法。2.2光散射式粒子計(jì)數(shù)器光散射式粒子計(jì)數(shù)器的原理是用光照射浮游粒子,粒子將引起入射光的散射,球形粒子引起的光散射強(qiáng)度可由Mie的光散射理論式計(jì)算,被測(cè)粒子的散射光強(qiáng)與含各種粒徑的聚苯乙烯標(biāo)準(zhǔn)粒子的散射光強(qiáng)相比較,得到不同粒徑粒子的個(gè)數(shù)濃度。光散射法可直接得到測(cè)量數(shù)據(jù),但顆粒物重疊、標(biāo)準(zhǔn)粒子與被測(cè)粒子的折射率不同及粒子帶有電荷會(huì)造成誤差;對(duì)于濃度較高的粒子,幾乎所有的計(jì)數(shù)器都是隨粒徑的變小而計(jì)數(shù)率變低。3質(zhì)量濃度的測(cè)定顆粒物的質(zhì)量濃度在大氣顆粒物研究中使用最多,所以其測(cè)定方法的研究得到

11、了充分重視,基于各種原理的測(cè)定的方法也最多,經(jīng)常使用的方法有濾膜稱重法、光散射法、壓電晶體法、電荷法、射線吸收法及最近幾年發(fā)展起來的微量振蕩天平法等。這些測(cè)試方法的具體原理是:3.1濾膜稱重法濾膜稱重法是顆粒物質(zhì)量濃度測(cè)定的基本方法,以規(guī)定的流量采樣,將空氣中的顆粒物捕集于高性能濾膜上,稱量濾膜采樣前后的質(zhì)量,由其質(zhì)量差求得捕集的粉塵質(zhì)量,其與采樣空氣量之比即為粉塵的質(zhì)量濃度。儀器主要由采樣儀、分析天平等組成,根據(jù)所用的采樣儀的流量大小不同,將采樣儀分為大流量(1m3/min以上、中流量(100L/min左右和小流量(1030L/min三種,在選用采樣儀時(shí),應(yīng)考慮他們之間的可比性,一般以大流量

12、采樣儀作比較。稱重法單獨(dú)或配合切割器可測(cè)量TSP、PM10、PM2.5,稱重法測(cè)定顆粒物質(zhì)量濃度時(shí)需要的時(shí)間一般較長(zhǎng)(324h。濾膜稱重法測(cè)定的是顆粒物的絕對(duì)質(zhì)量濃度,其優(yōu)點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單,測(cè)定數(shù)據(jù)可靠,測(cè)量不受顆粒物形狀、大小、顏色等的影響,但在測(cè)定過程中,存在操作煩瑣、費(fèi)時(shí)、采樣儀笨重、噪聲大等缺點(diǎn),不能立即給出測(cè)試結(jié)果。3.2光散射式測(cè)量?jī)x光散射式測(cè)量?jī)x測(cè)量質(zhì)量濃度的原理和光散射式粒子計(jì)數(shù)器的原理類似,是建立在微粒的Mie散射理論基礎(chǔ)上的。光通過顆粒物質(zhì)時(shí),對(duì)于數(shù)量級(jí)與使用光波長(zhǎng)相等或較大的顆粒,光散射是光能衰減的主要形式。光散射數(shù)字測(cè)塵儀包括光源、集光鏡、傳感器、73第1期楊書申,等:大氣

13、顆粒物濃度檢測(cè)技術(shù)及其發(fā)展放大器、分析電路及顯示器等,由光源發(fā)出的光線照射在顆粒物上產(chǎn)生散射,此散射光通過集光鏡到達(dá)傳感器上,傳感器把感受到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),經(jīng)過放大和分析電路,可以計(jì)測(cè)脈沖的發(fā)生量,即可得到以每分鐘脈沖數(shù)(CPM表示的相對(duì)濃度。當(dāng)顆粒物性質(zhì)一定時(shí),可以通過稱重法先求出CPM與mg/m3的轉(zhuǎn)換系數(shù)K,根據(jù)K值將CPM值直接轉(zhuǎn)換、顯示為質(zhì)量濃度(mg/m3。光散射數(shù)字測(cè)塵儀的光源有可見光(如P-5L型光散射測(cè)塵儀、激光(如LD-1型激光粉塵儀及紅外線等,配合切割器,可以用來測(cè)量PM10、PM2.5。光散射測(cè)塵儀屬浮游測(cè)定法,可以實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)空氣中顆粒物的濃度,根據(jù)顆粒物性質(zhì)預(yù)先

14、設(shè)K 值,可以現(xiàn)場(chǎng)直接顯示質(zhì)量濃度(mg/m3,體積小,重量輕,操作簡(jiǎn)便,噪音低,穩(wěn)定性好,可直讀測(cè)定結(jié)果,可以存儲(chǔ)以及輸出電信號(hào)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制,適于公共場(chǎng)所衛(wèi)生及生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)粉塵等場(chǎng)合和大氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)中使用。3.3壓電晶體法壓電晶體法(又稱壓電晶體頻差法,采用石英諧振器為測(cè)量敏感元件,其工作原理是使空氣以恒定流量通過切割器,進(jìn)入由高壓放電針和微量石英諧振器組成的靜電采樣器,在高壓電暈放電的作用下,氣流中的顆粒物全部沉降于測(cè)量諧振器的電極表面上,因電極上增加了顆粒物的質(zhì)量,其振蕩頻率發(fā)生變化,根據(jù)頻率變化可測(cè)定可吸入顆粒物的質(zhì)量濃度,石英諧振器相當(dāng)于一個(gè)超微量天平。壓電晶體法儀器可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線檢測(cè)。

15、石英諧振器對(duì)其表面質(zhì)量的變化十分敏感,使用一段時(shí)間后需要清潔。利用此原理的大氣監(jiān)測(cè)儀一般裝備于環(huán)境監(jiān)測(cè)自動(dòng)站。3.4射線吸收法射線吸收式測(cè)量?jī)x的工作原理是:射線在通過顆粒物時(shí)會(huì)被吸收,當(dāng)能量恒定時(shí),射線的吸收量與顆粒物的質(zhì)量成正比。測(cè)量時(shí),經(jīng)過切割器,將顆粒物捕集在濾膜上,通過測(cè)量射線的透過強(qiáng)度,即可計(jì)算出空氣中顆粒物濃度。儀器可以間斷測(cè)量,也可以進(jìn)行自動(dòng)連續(xù)測(cè)量,粉塵對(duì)線的吸收與氣溶膠的種類、粒徑、形狀、顏色和化學(xué)組成等無關(guān),只與粒子的質(zhì)量有關(guān)。射線是由14C射線源產(chǎn)生的低能射線,安全耐用,其半衰期可達(dá)數(shù)千年,十分穩(wěn)定。3.5微量振蕩天平法微量振蕩天平法(TEOM法,英文名稱Tapered

16、Element Oscillating Microbalance,是近年發(fā)展起來的顆粒物濃度測(cè)量方法,測(cè)量原理是基于專利技術(shù)的錐形元件振蕩微量天平原理,由美國(guó)R&P公司研制,符合美國(guó)EPA標(biāo)準(zhǔn)。此錐形元件于其自然頻率下振蕩,振蕩頻率由振蕩器件的物理特性、參加振蕩的濾膜質(zhì)量和沉積在濾膜上的顆粒物質(zhì)量決定。儀器通過采樣泵和質(zhì)量流量計(jì),使環(huán)境空氣以一恒定的流量通過采樣濾膜,顆粒物則沉積在濾膜上。測(cè)量出一定間隔時(shí)間前后的兩個(gè)振蕩頻率,就能計(jì)算出在這一段時(shí)間里收集在濾膜上顆粒物的質(zhì)量,再除以流過濾膜的空氣的總體積,得到這段時(shí)間內(nèi)空氣中顆粒物的平均濃度。在大氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,美國(guó)R&P公司

17、的RP1400a測(cè)塵儀用于實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)空氣中顆粒物的濃度,其測(cè)量精度和實(shí)時(shí)性是傳統(tǒng)方法所無法比擬的。配以不同的切割器,RP1400a可用于測(cè)量PM2.5、PM10和TSP。儀器每2秒測(cè)量一次濾膜的振蕩頻率,同時(shí)儀器也可輸出0.5、1、8、24h的平均濃度。但該儀器在測(cè)量時(shí)受溫度、濕度影響較大,應(yīng)特別注意。3.6電荷法電荷法主要用在煙氣中顆粒物(粉塵的監(jiān)測(cè)。當(dāng)煙道或煙囪內(nèi)粉塵經(jīng)過應(yīng)用耦合技術(shù)的探頭時(shí),探頭所接收到的電荷來自粉塵顆粒對(duì)探頭的撞擊、摩擦和靜電感應(yīng)。由于安裝在煙道上探頭的表面積與煙道的截面積相比非常小,大部分接收到的電荷是由于粒子流經(jīng)過探頭附近所引起的靜電感應(yīng)而形成。排放濃度越高,感應(yīng)

18、、摩擦和撞擊所產(chǎn)生的靜電荷就越強(qiáng)。即Q/tM/t(這里,Q代表電荷,M代表顆粒物量,t代表時(shí)間電荷法技術(shù)包括直流耦合與交流耦合技術(shù)兩種。電荷法屬于浮游測(cè)定法,可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)在線監(jiān)測(cè)。目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用比較普遍的煙塵在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要有:采用交流耦合技術(shù)的澳大利亞G O YEN(高原公司的EMS6型,采用直流耦合技術(shù)的英國(guó)CODEL公司的Mono G ard型。由于不同的顆粒材料會(huì)產(chǎn)生不同的感應(yīng)、摩擦電流,此類設(shè)備必需在安裝后進(jìn)行須標(biāo)定。3.7常用顆粒物檢測(cè)方法比較上述顆粒物質(zhì)量或相對(duì)質(zhì)量濃度的各種測(cè)量方法,根據(jù)的是顆粒物的不同性質(zhì)與質(zhì)量的直接或間接的關(guān)系,在某一方面有一定的長(zhǎng)處,同時(shí)會(huì)帶來某方面的缺點(diǎn)(

19、見表1,在選擇測(cè)定方法時(shí)一定要注83北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)第4卷意揚(yáng)長(zhǎng)避短。表1常用顆粒物濃度檢測(cè)方法比較檢測(cè)方法利用原理測(cè)量方式靈敏度/mg.m-3特點(diǎn)應(yīng)用濾膜稱重法重力人工、捕集、周期與天平有關(guān)原理簡(jiǎn)單,數(shù)據(jù)可靠,操作較復(fù)雜基本方法,膜捕集后可進(jìn)行其他分析光散射法光學(xué)自動(dòng)、在線、連續(xù)0.01結(jié)果與顆粒物粒徑顏色成分有關(guān),須標(biāo)定大氣顆粒物、粉塵濃度的自動(dòng)檢測(cè)射線吸收法光學(xué)自動(dòng)、在線、連續(xù)0.01結(jié)果與顆粒物粒徑顏色成分無關(guān)大氣顆粒物、粉塵濃度的自動(dòng)檢測(cè)壓電晶體法力學(xué)自動(dòng)、在線、連續(xù)0.005結(jié)果與顆粒物粒徑顏色成分無關(guān),晶體須清洗大氣顆粒物、粉塵濃度的自動(dòng)檢測(cè)微量振蕩天平法力學(xué)自動(dòng)、在線、

20、連續(xù)0.0001結(jié)果與顆粒物粒徑顏色成分無關(guān),受濕度影響大大氣顆粒物、粉塵濃度的自動(dòng)檢測(cè)電荷法電學(xué)自動(dòng)、在線、連續(xù)0.002結(jié)果與顆粒物粒徑顏色成分有關(guān),須標(biāo)定主要用于煙塵濃度的檢測(cè)顆粒物濾膜稱重法一般需要較長(zhǎng)的采樣時(shí)間,很難適用于要求快速得到測(cè)量結(jié)果的場(chǎng)合,不能測(cè)定粒子的時(shí)空分布,測(cè)量結(jié)果是一段時(shí)間內(nèi)的平均值,操作也較復(fù)雜。相比較而言,其他濃度測(cè)量方法雖然存在一定誤差,但在顆粒物自動(dòng)在線連續(xù)檢測(cè)方面是濾膜稱重法所無可比擬的,應(yīng)根據(jù)不同的測(cè)定目的來選擇。在需要實(shí)時(shí)在線測(cè)定的場(chǎng)合要用到相對(duì)質(zhì)量濃度測(cè)量方法,而在不需要在線連續(xù)測(cè)量或需要考慮可比性的情況下,要用濾膜稱重法直接測(cè)量顆粒物的質(zhì)量濃度,同

21、時(shí),濾膜稱重法采集的顆粒物樣品可以用來進(jìn)行其它分析。4大氣顆粒物濃度測(cè)試技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)隨著自動(dòng)化及信息技術(shù)的迅速發(fā)展,環(huán)境監(jiān)測(cè)也由以人工采樣和實(shí)驗(yàn)室分析為主,向自動(dòng)化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化為主的監(jiān)測(cè)方向發(fā)展;由較窄領(lǐng)域監(jiān)測(cè)向全方位領(lǐng)域監(jiān)測(cè)的方向發(fā)展。監(jiān)測(cè)儀器逐步向高質(zhì)量、多功能、集成化、自動(dòng)化、系統(tǒng)化和智能化的方面發(fā)展。社會(huì)需要大量的精確、使用方便、操作簡(jiǎn)單的大氣顆粒物監(jiān)測(cè)儀器、監(jiān)控設(shè)備,應(yīng)重點(diǎn)發(fā)展用于在線監(jiān)測(cè)污染源煙塵、工業(yè)粉塵排放量(濃度或總量,包括測(cè)量相關(guān)參數(shù):流量、含濕量、溫度等,實(shí)現(xiàn)污染源排放濃度或總量監(jiān)測(cè)以及監(jiān)測(cè)和監(jiān)控一體化的監(jiān)測(cè)儀器,特別是適用于細(xì)微顆粒物(PM10、PM2.5的采樣和

22、監(jiān)測(cè)儀器。要適應(yīng)這個(gè)發(fā)展,必須加強(qiáng)環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器和監(jiān)測(cè)技術(shù)現(xiàn)代化的基礎(chǔ)研究,研究顆粒物濃度對(duì)大氣各種性質(zhì)的影響,反過來根據(jù)這些影響探索物理、化學(xué)、生物、電子、光學(xué)等新技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器和監(jiān)測(cè)技術(shù)中的應(yīng)用,研究新的顆粒物濃度檢測(cè)方法。同時(shí),促進(jìn)監(jiān)測(cè)儀器科研與生產(chǎn)結(jié)合,加快環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)的創(chuàng)新和成果轉(zhuǎn)化,逐步提高國(guó)內(nèi)監(jiān)測(cè)儀器的研發(fā)水平。參考文獻(xiàn):1龔雪平,馬維琦,丁薈.氣溶膠濃度測(cè)定的種類和原理J.中國(guó)環(huán)保產(chǎn)業(yè).1997(10:28292White,W.R.,Macias, E.S.,Nininger,R.C.,et al.Size-resolved measurements of light scattering by ambient particles in the S outhwestern USAJ.Atmos pheric Envi2 ronment.1994,28