環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)課件

環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)課件第1頁(yè)，共61頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第二章大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)

2.1大氣痕量氣體的污染與監(jiān)測(cè)

第2頁(yè)，共61頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.1.1SO2的污染與監(jiān)測(cè)1）SO2能通過(guò)呼吸進(jìn)入氣管，對(duì)局部組織產(chǎn)生刺激和腐蝕作用，是誘發(fā)支氣管炎等疾病的原因之一，特別是當(dāng)它與煙塵等氣溶膠共存時(shí)，可加重對(duì)呼吸道粘膜的損害。2）SO2自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法：紫外熒光檢測(cè)儀利用脈沖化的紫外光（190-230nm）激發(fā)SO2分子，激發(fā)態(tài)SO2分子返回基態(tài)時(shí)發(fā)射出特有的熒光，由光電倍增管將熒光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過(guò)電壓/頻率轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送給CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。第3頁(yè)，共61頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.1.2NOx的污染與監(jiān)測(cè)TextTextNOx的測(cè)定TextText鹽酸萘乙二胺分光光度法化學(xué)發(fā)光自動(dòng)監(jiān)測(cè)法原電池庫(kù)倫滴定法第4頁(yè)，共61頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

鹽酸萘乙二胺分光光度法是利用冰醋酸、對(duì)氨基苯磺酸和鹽酸萘乙二胺配成吸收液，采樣時(shí)，大氣中的NOx經(jīng)氮化管后以NO2形式被吸收，生成亞硝酸和硝酸。亞硝酸與對(duì)氨基苯磺酸起重氮化反應(yīng)，然后再與鹽酸萘乙二胺耦合成玫瑰紅色的偶氮化合物，其顏色深淺與氣樣中NO2濃度成正比，然后，用分光光度法進(jìn)行測(cè)定。第5頁(yè)，共61頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第6頁(yè)，共61頁(yè)，2023年，2月20日，星期一化學(xué)發(fā)光法是基于NO被O3氧化成激發(fā)態(tài)NO2*,當(dāng)其返回基態(tài)時(shí)，放出與NO濃度成正比例的光，用紅敏光電倍增管接收可測(cè)出NO的濃度。對(duì)于總氮氧化物NOx的測(cè)定，需先將NO2通過(guò)鉬催化劑（315℃）還原成NO，再與O3反應(yīng)進(jìn)行測(cè)定。第7頁(yè)，共61頁(yè)，2023年，2月20日，星期一NOx對(duì)人體的危害NO通過(guò)氣管和肺進(jìn)入血液中后，會(huì)與紅血球發(fā)生反應(yīng)對(duì)血液產(chǎn)生毒害，同時(shí)，它會(huì)作用于人體中樞神經(jīng)系統(tǒng)而產(chǎn)生麻痹作用，引起痙攣、運(yùn)動(dòng)失調(diào)。NO2是劇毒的氧化劑，能侵入到肺臟伸出及肺毛細(xì)血管，數(shù)小時(shí)便能引起肺水腫，或持續(xù)性閉塞性支氣管炎而致死。TextText第8頁(yè)，共61頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.1.3CO的監(jiān)測(cè)CO的國(guó)標(biāo)測(cè)定方法為GB9801-88，為非分散紅外線吸收法。當(dāng)CO其他分子受到紅外光(1-25μm)照射時(shí)，將吸收自己特征特長(zhǎng)的紅外光，從而引起分子振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的躍遷，產(chǎn)生振-轉(zhuǎn)吸收光譜。在一定濃度范圍內(nèi)，吸收光譜的峰值與氣態(tài)物質(zhì)濃度之間符合郎伯-比爾定律，因此，可通過(guò)測(cè)定吸光度確定氣態(tài)物質(zhì)的濃度。第9頁(yè)，共61頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

2.1.4大氣中O3的監(jiān)測(cè)化學(xué)發(fā)光法硼酸碘化鉀法靛藍(lán)二磺酸鈉法紫外吸收法化學(xué)發(fā)光法大氣O3的測(cè)定方法O3濃度較高時(shí)，會(huì)刺激粘膜和損害中樞神經(jīng)系統(tǒng)，引起支氣管炎和頭痛等癥狀。在紫外線的作用下，O3參與烴類和NOx的光化學(xué)反應(yīng)形成光化學(xué)煙霧。第10頁(yè)，共61頁(yè)，2023年，2月20日，星期一硼酸碘化鉀分光光度法：是利用硼酸碘化鉀吸收液吸收O3等氧化劑，析出碘分子，根據(jù)測(cè)定碘的量，計(jì)算O3濃度。

O3+2I-+2H+I2+O2+H2O靛藍(lán)二磺酸鈉分光光度法：

O3在磷酸鹽緩沖劑存在下，與吸收液中黃色的靛藍(lán)二磺酸鈉等量反應(yīng)后，褪色生成靛紅二磺酸鈉，然后在610nm處測(cè)定吸光度。第11頁(yè)，共61頁(yè)，2023年，2月20日，星期一紫外分光光度法臭氧對(duì)254nm波長(zhǎng)的紫外光有特征吸收，由光檢測(cè)器檢測(cè)進(jìn)入氣路系統(tǒng)的光強(qiáng)度變化值，從而計(jì)算出樣品氣體中臭氧的濃度?；瘜W(xué)發(fā)光法氣體被連續(xù)抽進(jìn)儀器的反應(yīng)室與乙烯反應(yīng)產(chǎn)生激發(fā)態(tài)的甲醛(HCHO*)，當(dāng)HCHO*回到基態(tài)時(shí)，放出的光子被光電倍增管接受，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?，?jīng)放大后測(cè)量，其大小與O3濃度成正比，即可計(jì)算出O3濃度。第12頁(yè)，共61頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.2大氣中顆粒物的污染與監(jiān)測(cè)

第13頁(yè)，共61頁(yè)，2023年，2月20日，星期一大氣氣溶膠（Aerosol）、大氣顆粒物（Particulates）定義大氣顆粒物

顆粒物的外觀顆粒物的粒徑顆粒物的來(lái)源顆粒物對(duì)環(huán)境、氣候和人體的影響顆粒物的化學(xué)組成2.2.1大氣顆粒物定義和性質(zhì)第14頁(yè)，共61頁(yè)，2023年，2月20日，星期一大氣顆粒物定義大氣氣溶膠人類賴以生存的環(huán)境大氣,實(shí)際上就是由各種固體或液體微粒均勻地分散在空氣中形成的一個(gè)龐大分散體系,即大氣氣溶膠體系。大氣顆粒物大氣氣溶膠體系中分散的各種粒子稱為大氣顆粒物。顆粒物的粒徑范圍為0.001~100μm。第15頁(yè)，共61頁(yè)，2023年，2月20日，星期一顆粒物外觀顆粒物的形狀很復(fù)雜，液體顆粒物近似球形，固體顆粒物形狀不規(guī)則，有球狀、片狀、柱狀、結(jié)晶體、針狀等。第16頁(yè)，共61頁(yè)，2023年，2月20日，星期一顆粒物的外觀燃煤及機(jī)動(dòng)車尾氣排放煙塵基本形：球形、橢球形，粒徑為50~100nm左右的超細(xì)粒子，煙塵集合體從較小的鏈狀到較大的“蓬松狀”。燃煤飛灰粒徑從幾百納米到幾微米，圓球形，表面光滑，表面可吸附超細(xì)顆粒物或二次顆粒物。礦物顆粒一次礦物揚(yáng)塵具有不規(guī)則形態(tài)，二次大氣化學(xué)反應(yīng)形成的礦物顆粒以長(zhǎng)條狀石膏礦物為代表。生物顆粒物（特殊形態(tài)）第17頁(yè)，共61頁(yè)，2023年，2月20日，星期一圖1北京大氣中典型顆粒物顯微相貌（Shietal,2003）(a)煙塵集合體,(bar:5μm)；(b)濕態(tài)煙塵聚集體,(bar:1μm)；(c)燃煤飛灰，(bar:500nm)；(d)表面沾附有細(xì)顆粒物的燃煤飛灰，(bar:500nm)；(e)不規(guī)則狀礦物顆粒，(bar:2μm)；(f)長(zhǎng)條狀石膏顆粒，(bar:2μm)；(g)條狀石膏顆粒，(bar:2μm)；(h)生物質(zhì)顆粒,(bar:200nm)；(i)生物質(zhì)顆粒,(bar:3μm)。第18頁(yè)，共61頁(yè)，2023年，2月20日，星期一顆粒物粒徑采用等效直徑的方法度量顆粒物的粒徑；

當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)顆粒物和不規(guī)則顆粒物表現(xiàn)出相同的物理測(cè)定性能，如體積、光散射性能或空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)時(shí)，我們就認(rèn)為我們測(cè)定的不規(guī)則顆粒物的粒徑等同于那個(gè)規(guī)則的顆粒物，即采用規(guī)則顆粒物的粒徑來(lái)代替和表示不規(guī)則顆粒物的粒徑。顆粒物的粒徑是一個(gè)粒子群的統(tǒng)計(jì)概念，不是指單個(gè)粒子的粒徑。第19頁(yè)，共61頁(yè)，2023年，2月20日，星期一顆粒物的粒徑幾何粒徑(Geometricalsize)

如果所研究的不規(guī)則形狀粒子的體積與直徑為Dp的球形粒子體積相同,則定義Dp為所研究粒子的體積等效粒徑或幾何粒徑。光學(xué)等效粒徑(Opticalsize)

如果所研究的不規(guī)則形狀粒子的體積與直徑為Dp的球形粒子具有相同的光散射能力,則定義Dp為所研究粒子的光學(xué)等效粒徑?？諝鈩?dòng)力學(xué)粒徑(Aerodynamicsize)第20頁(yè)，共61頁(yè)，2023年，2月20日，星期一空氣動(dòng)力學(xué)粒徑在氣流中，如果所研究的不規(guī)則形狀粒子與直徑為Dp球形粒子（具有單位密度）的空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)相同，則定義所研究粒子的空氣動(dòng)力學(xué)粒徑為Dp。

de=5.0μm ds=4.3μm da=8.6μm=4g/cm3 =4g/cm3 =1g/cm3Vs=0.22cm/s Vs=0.22cm/s

Vs=0.22cm/s第21頁(yè)，共61頁(yè)，2023年，2月20日，星期一空氣動(dòng)力學(xué)粒徑反映粒子大小與沉降速率的關(guān)系，直接表達(dá)出粒子的性質(zhì)和行為，如粒子在空氣中的停留時(shí)間，以及不同大小的粒子在人體呼吸道中的沉積部位。根據(jù)慣性原理設(shè)計(jì)的撞擊式測(cè)量?jī)x器所測(cè)量的粒子直徑就是空氣動(dòng)力學(xué)粒徑。圖2大氣采樣設(shè)備采集顆粒物的基本原理第22頁(yè)，共61頁(yè)，2023年，2月20日，星期一不同粒徑顆粒物的分類

按粒徑的大小，氣溶膠顆粒物可分為以下幾類：總懸浮顆粒物（Totalsuspendedparticulates,TSP,0.003~100μm)飄塵（＜10μm)降塵（＞30μm)可吸入顆粒物（PM10）細(xì)粒子（PM2.5)

第23頁(yè)，共61頁(yè)，2023年，2月20日，星期一顆粒物來(lái)源第24頁(yè)，共61頁(yè)，2023年，2月20日，星期一顆粒物的來(lái)源天然來(lái)源植物碎片、植物花粉、巖石風(fēng)化、地表?yè)P(yáng)塵、火山運(yùn)動(dòng)、海洋飛沫等；人為來(lái)源交通排放、工業(yè)生產(chǎn)、燃煤、農(nóng)業(yè)燃燒等；一次來(lái)源由排放源直接排放到大氣中的顆粒物；二次來(lái)源在大氣中氣體組分通過(guò)化學(xué)反應(yīng)生成的顆粒物。

第25頁(yè)，共61頁(yè)，2023年，2月20日，星期一顆粒物對(duì)環(huán)境、氣候、

人類健康的影響第26頁(yè)，共61頁(yè)，2023年，2月20日，星期一對(duì)大氣能見(jiàn)度的影響03/11/20032:15pm@TC:RSP100mg/m3FSP57mg/m302/11/20032:15pm@TC:RSP342mg/m3FSP295mg/m301/11/20032:15pm@TC:RSP190mg/m3FSP148mg/m3第27頁(yè)，共61頁(yè)，2023年，2月20日，星期一顆粒物降低大氣可見(jiàn)度的原理物體的能見(jiàn)度和顆粒物的反射光與背景散射光的對(duì)比有關(guān)（2vs3）。顆粒物降低大氣可見(jiàn)度的原因在于顆粒物的存在增加了背景散射光（1），同時(shí)物體的反射光因顆粒物散射而降低（4）。圖3：顆粒物散射降低大氣可見(jiàn)度原理第28頁(yè)，共61頁(yè)，2023年，2月20日，星期一對(duì)氣候的影響氣溶膠顆粒物對(duì)日光的散射降低了地表對(duì)日光的吸收；氣溶膠顆粒物可作為云凝結(jié)核(CloudConcentrationNuclei,CCN)，CCN的存在使得云和霧更容易生成,影響全球的降水分布和提高了對(duì)日光的返照率；第29頁(yè)，共61頁(yè)，2023年，2月20日，星期一對(duì)氣候的影響氣溶膠中黑碳（EC，ElementalCarbon）和礦物質(zhì)的存在可吸收陽(yáng)光輻射，提高大氣溫度，改變大氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律。第30頁(yè)，共61頁(yè)，2023年，2月20日，星期一Inrecentdecades,therehasbeenatendencytowardincreasedsummerfloodsinsouthChina,increaseddroughtinnorthChina,andmoderatecoolinginChinaandIndiawhilemostoftheworldhasbeenwarming.Weusedaglobalclimatemodeltoinvestigatepossibleaerosolcontributionstothesetrends.Wefoundprecipitationandtemperaturechangesinthemodelthatwerecomparabletothoseobservediftheaerosolsincludedalargeproportionofabsorbingblackcarbon(“soot”),similartoobservedamounts.Absorbingaerosolsheattheair,alterregionalatmosphericstabilityandverticalmotions,andaffectthelargescalecirculationandhydrologiccyclewithsignificantregionalclimateeffects.

--Menonetal.,2002.Science297,2250-2253第31頁(yè)，共61頁(yè)，2023年，2月20日，星期一細(xì)顆粒物可以深入到人體呼吸系統(tǒng)!EntervianoseormouthPenetrationpastlarynxPenetrationpastTerminalbronchioles第32頁(yè)，共61頁(yè)，2023年，2月20日，星期一正常的巨噬細(xì)胞和線粒體細(xì)顆粒物侵入的巨噬細(xì)胞和線粒體Nel,2005.Science308,804-806第33頁(yè)，共61頁(yè)，2023年，2月20日，星期一顆粒物的化學(xué)組成第34頁(yè)，共61頁(yè)，2023年，2月20日，星期一大氣氣溶膠的化學(xué)組成無(wú)機(jī)二次離子(SO42-,NO3-,NH4+)有機(jī)碳(OrganicCarbon,OC)無(wú)機(jī)碳(ElementalCarbon,EC)地殼類物質(zhì)(CrustalMatters,Al,Si,Ca,Fe,Mg)海鹽(Na+,Cl-)其它痕量元素(Mn,Cr,Pb,Se,Ni,V,Zn,Cu等)第35頁(yè)，共61頁(yè)，2023年，2月20日，星期一CombustionProcessEmissionsprimaryOC-ECH2OSO2EmissionsGas-PhasePhotochemistryPrimaryH2SO4H2SO4S(IV)H+,SO42-,HSO4-,H2SO4NH4+,OH-NH3NH3EmissionsprimaryOC–ECDust,flyashmetalsNO3-,H+Gas-PhasePhotochemistryNOxEmissionsHNO3Dust,FlyAshEmissionsCa2+,Mg2+,Fe3+,etc.SecondaryOCNa+Cl-HClHClemissionsCondensibleOrganicsGas-PhasePhotochemistryGaseousOrganicsEmissionsSea-SaltEmission第36頁(yè)，共61頁(yè)，2023年，2月20日，星期一一個(gè)實(shí)例:圖4北京市清華大學(xué)采樣點(diǎn)PM2.5顆粒物組成分析(Heetal,2001)TotalPM2.5=129μg·m-3第37頁(yè)，共61頁(yè)，2023年，2月20日，星期一Sources:a)HongKong,Louieetal.,2005;b)California,Christoforouetal.,2000.a)b)Introduction

–ChemicalComposition第38頁(yè)，共61頁(yè)，2023年，2月20日，星期一ImpactsoffineparticlesRecognizingtheadverseimpactsoffineparticles.USEPAestablishednewairqualitystandardsoffineparticles(PM2.5):Dailystandard:65μgm-3Annualstandard:15μgm-3第39頁(yè)，共61頁(yè)，2023年，2月20日，星期一a)b)HydrophobicWater-solublen-alkanesdicarboxylicacidsn-alkanoicacidsglyoxalditerpenoicacidsketoacidsaromaticpolycarboxylicacidspolyolsn-alkanolshydroxyaminespolycyclicaromatichydrocarbonsaminoacidspentacyclictriterpanesnitrophenols……Organicmatterinfineparticlesareaverycomplexmixtureofhundredstothousandsofcompoundsincluding:Introduction

–ChemicalComposition第40頁(yè)，共61頁(yè)，2023年，2月20日，星期一Toxicpollutantsfoundinfineparticles

Heavymetals

PAHs

Phthalateesters

Pesticides

Dioxins

……Impactsofparticles–Healthimpact第41頁(yè)，共61頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.2.2

大氣顆粒物采集、分析與測(cè)定第42頁(yè)，共61頁(yè)，2023年，2月20日，星期一Samplingsysteminclude:SamplingSystemIntakeandTransferSystemCollectionSystemFlowMeasuringSystemAirMovingSystem第43頁(yè)，共61頁(yè)，2023年，2月20日，星期一SamplingSystem–Collection

Filtrationmechanisms第44頁(yè)，共61頁(yè)，2023年，2月20日，星期一PM10sampler–ImpactorSamplingSystem–Sizeselectivesampler第45頁(yè)，共61頁(yè)，2023年，2月20日，星期一Penetration(%)PoorslopeperformanceatthesameD50Slope=(D84/D16)0.5D84D16SamplingSystem–SizeselectivesamplerEfficiencyofanimpactor第46頁(yè)，共61頁(yè)，2023年，2月20日，星期一CascadeImpactorSamplingSystem–Sizeselectivesampler第47頁(yè)，共61頁(yè)，2023年，2月20日，星期一MOUDI(Micro-OrificeUniformDepositImpactor)Theseimpactorshavesharpcut-pointcharacteristics,withthecut-pointdiameterdividedintofourequalgeometricalincrementsperdecadeofparticlesize.Model100(8-stage)MOUDI:18,10,5.6,3.2,1.8,1.0,0.56,0.32,0.18μmModel110(10-stage)impactor:18,10,5.6,3.2,1.8,1.0,0.56,0.32,0.18,0.10,0.056μmSamplingSystem–Sizeselectivesampler第48頁(yè)，共61頁(yè)，2023年，2月20日，星期一CyclonesamplerFIGURE

FlowpatternsinacyclonecollectorParticleladenairisforcedtoundertakemanycircularmotionsinsidethecyclone.Heavyparticlescannotfollowthetrajectoryandthereforehittheinternalsurfaceofthecyclone.Smallerparticlesleavethecyclone.TangentialinletSamplingSystem–Sizeselectivesampler第49頁(yè)，共61頁(yè)，2023年，2月20日，星期一DichotomousvirtueimpactorMajorflowconcentratedinsmallparticlesMinorflowconcentratedinlargeparticlesSamplingSystem–SizeselectivesamplerAnorifice,providingabarriertotheflow,actasan“impactor”.Dichotomoussampler,showingthefineparticle(2.5μmoutpoint)virtualimpactionstage第50頁(yè)，共61頁(yè)，2023年，2月20日，星期一Virtual–becausethereisanabsenceofaphysicalimpactionsurface.Majorflowcarryingsmallerparticlesandminorflowcarryinglargerparticleswithasmallfractionofthesmallerparticleswhichtravelalongtheaxisoftheorifice.Thevirtualimpactoralsoactsasaconcentratorforlargeparticlessincesmallerparticlespredominantlyareinthemajorflow(90%oforiginalflowrate).Mostofthelargerparticlesareintheminorflow(10%)now.DichotomousvirtueimpactorSamplingSystem–Sizeselectivesampler第51頁(yè)，共61頁(yè)，2023年，2月20日，星期一大氣顆粒物質(zhì)量濃度的確定大氣顆粒物的質(zhì)量濃度一般通過(guò)稱重法得到。采樣前和采樣后，濾膜均需在相對(duì)濕度為50±5%和溫度為25±1℃的恒溫恒濕箱內(nèi)