大氣顆粒物濃度檢測技術(shù)及其發(fā)展

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原理、檢測方法。基于膜捕集的稱重法是zui基本的顆粒物濃度檢測方法，但是基于其他原理的顆粒物濃度檢測方法在顆粒物的實(shí)時在線檢測方面得到了廣泛應(yīng)用，對各類監(jiān)測方法的優(yōu)缺點(diǎn)作了對比，指出自動化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化是大氣顆粒物濃度檢測儀器的方向發(fā)展。

大氣環(huán)境檢測是所有大氣環(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、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)、準(zhǔn)確測定大氣環(huán)境參數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行，離開了準(zhǔn)確的檢測，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，會對環(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zui前沿領(lǐng)域之一。

大氣顆粒物濃度是評價大氣顆粒物的重要指標(biāo)之一，顆粒物濃度的檢(監(jiān))測一直受到環(huán)境工作者的重視。本文綜述大氣顆粒物濃度檢測技術(shù)的原理及檢測儀器設(shè)備的市場及研究現(xiàn)狀，并展示其發(fā)展趨勢。

1、大氣顆粒物濃度及測試分類

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1～20μm范圍內(nèi)，大部分大于2．5μm；二次污染物顆粒較小，其大小在0．01～1．0μm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)、可吸人顆粒物(PM10)、可人肺顆粒物(PM2．5)。

大氣中的懸浮顆粒物對人體健康的負(fù)面影響，及對城市大氣能見度、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，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數(shù)濃度、質(zhì)量濃度和相對質(zhì)量濃度。個數(shù)濃度指以單位體積空氣中含有的顆粒物個數(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μg／m3，用于一般的大氣顆粒物研究領(lǐng)域。相對濃度是指與顆粒物的濃度有一定對應(yīng)關(guān)系的物理量數(shù)值，作為相對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)測量的具體操作，可將大氣顆粒物的測試方法分為捕集測定法和浮游測定法，捕集測定法是指先用各種手段捕集空氣中的微粒，再測定其濃度的方法；能保持空氣中的浮游顆粒仍為浮游狀態(tài)而測定其濃度的方法為浮游測定法。

2、個數(shù)濃度的測定

個數(shù)濃度的測定方法主要有兩種：

2.1、化學(xué)微孔濾膜顯微鏡計數(shù)法

在潔凈環(huán)境含塵濃度的測定中，用濾膜顯微鏡計數(shù)法測量個數(shù)濃度是個數(shù)濃度測定法的zui基本方法，其原理是將微粒捕集在濾膜表面，再使濾膜在顯微鏡下成為透明體，然后觀察計數(shù)，分試樣樣品采集、顯微鏡觀察和粒子計數(shù)三個過程，屬捕集測定法。

2.2、光散射式粒子計數(shù)器

光散射式粒子計數(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的光散射理論式計算，被測粒子的散射光強(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數(shù)濃度。光散射法可直接得到測量數(shù)據(jù)，但顆粒物重疊、標(biāo)準(zhǔn)粒子與被測粒子的折射率不同及粒子帶有電荷會造成誤差；對于濃度較高的粒子，幾乎所有的計數(shù)器都是隨粒徑的變小而計數(shù)率變低。

3、質(zhì)量濃度的測定

顆粒物的質(zhì)量濃度在大氣顆粒物研究中使用zui多，所以其測定方法的研究得到了充分重視，基于各種原理的測定的方法也zui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、β射線吸收法及zui近幾年發(fā)展起來的微量振蕩天平法等。這些測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(100 L/min左右)和小流量(10～30 L/min)三種，在選用采樣儀時，應(yīng)考慮他們之間的可比性，一般以大流量采樣儀作比較。稱重法單獨(dú)或配合切割器可測量TSP、PM10、PM2.5，稱重法測定顆粒物質(zhì)量濃度時需要的時間一般較長(3～24h)。

濾膜稱重法測定的是顆粒物的質(zhì)量濃度，其優(yōu)點(diǎn)是原理簡單，測定數(shù)據(jù)可靠，測量不受顆粒物形狀、大小、顏色等的影響，但在測定過程中，存在操作煩瑣、費(fèi)時、采樣儀笨重、噪聲大等缺點(diǎn)，不能立即給出測試結(jié)果。

3.2、光散射式測量儀

光散射式測量儀測量質(zhì)量濃度的原理和光散射式粒子計數(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，對于數(shù)量級與使用光波長相等或較大的顆粒，光散射是光能衰減的主要形式。

光散射數(shù)字測塵儀包括光源、集光鏡、傳感器、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轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過放大和分析電路，可以計測脈沖的發(fā)生量，即可得到以每分鐘脈沖數(shù)(CPM)表示的相對濃度。當(dāng)顆粒物性質(zhì)一定時，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)字測塵儀的光源有可見光、激光及紅外線等，配合切割器，可以用來測量PM10、PM2.5。

光散射測塵儀屬浮游測定法，可以實(shí)時在線監(jiān)測空氣中顆粒物的濃度，根據(jù)顆粒物性質(zhì)預(yù)先設(shè)K值，可以現(xiàn)場直接顯示質(zhì)量濃度(mg/m3)，體積小，重量輕，操作簡便，噪音低，穩(wěn)定性好，可直讀測定結(jié)果，可以存儲以及輸出電信號實(shí)現(xiàn)自動控制，適于公共場所衛(wèi)生及生產(chǎn)現(xiàn)場粉塵等場合和大氣質(zhì)量監(jiān)測中使用。

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)頻率變化可測定可吸人顆粒物的質(zhì)量濃度，石英諧振器相當(dāng)于一個超微量天平。

壓電晶體法儀器可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時在線檢測。石英諧振器對其表面質(zhì)量的變化十分敏感，使用一段時間后需要清潔。利用此原理的大氣監(jiān)測儀一般裝備于環(huán)境監(jiān)測自動站。

3.4、 β射線吸收法

β射線吸收式測量儀的工作原理是： 射線在通過顆粒物時會被吸收，當(dāng)能量恒定時，β射線的吸收量與顆粒物的質(zhì)量成正比。測量時，經(jīng)過切割器，將顆粒物捕集在濾膜上，通過測量β射線的透過強(qiáng)度，即可計算出空氣中顆粒物濃度。儀器可以間斷測量，也可以進(jìn)行自動連續(xù)測量，粉塵對β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)。β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Tapere Element Oscillating Microbalance)，是近年發(fā)展起來的顆粒物濃度測量方法，測量原理是基于技術(shù)的錐形元件振蕩微量天平原理，由美國R&P公司研制，符合美國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，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。測量出一定間隔時間前后的兩個振蕩頻率，就能計算出在這一段時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，得到這段時間內(nèi)空氣中顆粒物的平均濃度。

在大氣自動監(jiān)測系統(tǒng)中，美國R&P公司的RP1400a測塵儀用于實(shí)時連續(xù)監(jiān)測空氣中顆粒物的濃度，其測量精度和實(shí)時性是傳統(tǒng)方法所*的。配以不同的切割器，RP1400a可用于測量PM2.5、PM10和TSP。儀器每2秒測量一次濾膜的振蕩頻率，同時儀器也可輸出0．5、1、8、24h的平均濃度。但該儀器在測量時受溫度、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，探頭所接收到的電荷來自粉塵顆粒對探頭的撞擊、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)、摩擦和撞擊所產(chǎn)生的靜電荷就越強(qiáng)。即O／tocM／t(這里，Q代表電荷，M 代表顆粒物量，t代表時間)。

電荷法技術(shù)包括直流耦合與交流耦合技術(shù)兩種。

電荷法屬于浮游測定法，可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場在線監(jiān)測。目前國內(nèi)應(yīng)用比較普遍的煙塵在線監(jiān)測系統(tǒng)主要有：采用交流耦合技術(shù)的澳大利亞GOYEN(高原)公司的EMS6型，采用直流耦合技術(shù)的英國CODEL公司的MonoGard型。由于不同的顆粒材料會產(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、常用顆粒物檢測方法比較

上述顆粒物質(zhì)量或相對質(zhì)量濃度的各種測量方法，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處，同時會帶來某方面的缺點(diǎn)(見表1)，在選擇測定方法時一定要注意揚(yáng)長避短。顆粒物濾膜稱重法一般需要較長的采樣時間，很難適用于要求快速得到測量結(jié)果的場合，不能測定粒子的時空分布，測量結(jié)果是一段時間內(nèi)的平均值，操作也較復(fù)雜。相比較而言，其他濃度測量方法雖然存在一定誤差，但在顆粒物自動在線連續(xù)檢測方面是濾膜稱重法所*的，應(yīng)根據(jù)不同的測定目的來選擇。在需要實(shí)時在線測定的場合要用到相對質(zhì)量濃度測量方法，而在不需要在線連續(xù)測量或需要考慮可比性的情況下，要用濾膜稱重法直接測量顆粒物的質(zhì)量濃度，同時，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、大氣顆粒物濃度測試技術(shù)的發(fā)展趨勢

隨著自動化及信息技術(shù)的迅速發(fā)展，環(huán)境監(jiān)測也由以人工采樣和實(shí)驗(yàn)室分析為主，向自動化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化為主的監(jiān)測方向發(fā)展；由較窄領(lǐng)域監(jiān)測向領(lǐng)域監(jiān)測的方向發(fā)展。監(jiān)測儀器逐步向高質(zhì)量、多功能、集成化、自動化、系統(tǒng)化和智能化的方面發(fā)展。社會需要大量的、使用方便、操作簡單的大氣顆粒物監(jiān)測儀器、監(jiān)控設(shè)備，應(yīng)重點(diǎn)發(fā)展用于在線監(jiān)測污染源煙塵、工業(yè)粉塵排放量(濃度或總量)，包括測量相關(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)測以及監(jiān)測和監(jiān)控一體化的監(jiān)測儀器，特別是適用于細(xì)微顆粒物(PM10、PM2.5)的采樣和監(jiān)測儀器。

要適應(yīng)這個發(fā)展，必須加強(qiáng)環(huán)境監(jiān)測儀器和監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)代化的基礎(chǔ)研究，研究顆粒物濃度對大氣各種性質(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)測儀器和監(jiān)測技術(shù)中的應(yīng)用，研究新的顆粒物濃度檢測方法。同時，促進(jìn)監(jiān)測儀器科研與生產(chǎn)結(jié)合，加快環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的創(chuàng)新和成果轉(zhuǎn)化，逐步提高國內(nèi)監(jiān)測儀器的研發(fā)水平。