葉　智, 黃　宏, 劉　俐, 肖　勇

(1.德陽(yáng)市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，四川 德陽(yáng)　618000；2.德陽(yáng)市旌陽(yáng)區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)站，四川 德陽(yáng)　618000)

· 環(huán)境監(jiān)測(cè) ·

動(dòng)態(tài)加熱系統(tǒng)對(duì)β射線法監(jiān)測(cè)PM10和PM2.5的影響

葉智1, 黃宏2, 劉俐1, 肖勇1

(1.德陽(yáng)市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，四川 德陽(yáng)618000；2.德陽(yáng)市旌陽(yáng)區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)站，四川 德陽(yáng)618000)

在β射線法監(jiān)測(cè)環(huán)境空氣中PM10與PM2.5過(guò)程中，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)受環(huán)境溫度和濕度影響較大，通過(guò)加裝動(dòng)態(tài)加熱系統(tǒng)，并進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)，將動(dòng)態(tài)加熱系統(tǒng)加熱溫度控制在45℃～55℃范圍內(nèi)，相對(duì)濕度控制在40%～50%范圍內(nèi)，保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，將測(cè)定誤差控制在5%范圍內(nèi)。

PM10；PM2.5；動(dòng)態(tài)加熱；溫度；濕度；

近年來(lái)世界范圍內(nèi)的空氣污染日益嚴(yán)重，特別是空氣中顆粒物PM10和PM2.5的污染越來(lái)越受到人們的關(guān)注，環(huán)境保護(hù)部也于2012年頒布實(shí)施新的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，將PM2.5等污染物納入環(huán)境空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)的主要指標(biāo)。由于可吸入顆粒物在環(huán)境中滯留時(shí)間長(zhǎng)，吸附重金屬和有毒有害的物質(zhì)較多，且易于進(jìn)入人體，因而對(duì)人體的危害較大可吸入顆粒物濃度的增加與疾病的發(fā)病率、死亡率密切相關(guān)。

為了更好地對(duì)環(huán)境中可吸入顆粒物濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，按照《環(huán)境空氣顆粒物(PM10和PM2.5)連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)要求及檢測(cè)方法》HJ653-2013的要求，德陽(yáng)市環(huán)境監(jiān)測(cè)站對(duì)德陽(yáng)地區(qū)使用的β射線法測(cè)定PM10和PM2.5的DASIBI4000系列7201 型顆粒物監(jiān)測(cè)設(shè)備加裝動(dòng)態(tài)加熱系統(tǒng)。原系統(tǒng)需要在恒溫25℃的室內(nèi)環(huán)境中運(yùn)行，因此當(dāng)室內(nèi)外環(huán)境溫度、濕度有較大差別時(shí)，環(huán)境空氣經(jīng)采樣管從室外進(jìn)入室內(nèi)后所含的水蒸氣或下雨時(shí)水霧易在采樣管內(nèi)發(fā)生冷凝液化凝結(jié)成小水滴，并最終吸附在紙帶上，對(duì)β 射線產(chǎn)生吸收作用，從而影響監(jiān)測(cè)結(jié)果[1]。當(dāng)在原系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加裝了動(dòng)態(tài)加熱系統(tǒng)后，消除了水蒸氣的影響。我們對(duì)德陽(yáng)地區(qū)內(nèi)多臺(tái)PM10和PM2.5顆粒物加裝動(dòng)態(tài)加熱系統(tǒng)前后進(jìn)行比對(duì)分析，進(jìn)一步了解室內(nèi)外溫濕度差異對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的影響程度和相互關(guān)系，以及動(dòng)態(tài)加熱系統(tǒng)不同的控制參數(shù)下對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的影響程度和相互關(guān)系。

1　β射線法與動(dòng)態(tài)加熱系統(tǒng)工作原理

1.1β射線法測(cè)定原理及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

該方法工作原理可簡(jiǎn)述為：利用β射線衰減量測(cè)試采樣期間增加的顆粒物質(zhì)量。環(huán)境空氣由采樣泵吸入采樣管，經(jīng)過(guò)濾膜后排出。顆粒物沉淀在采樣濾膜上，當(dāng)通過(guò)沉積著顆粒物的濾膜時(shí)能量衰減，通過(guò)對(duì)衰減量測(cè)定計(jì)算出顆粒物的濃度[2]。環(huán)境空氣中顆粒物計(jì)算公式：

其中：C(mg/m3)—顆粒物濃度，I0—通過(guò)濾膜的β射線量，I1—通過(guò)沉積著顆粒物濾膜的β射線量，S(cm3)—織帶上灰塵點(diǎn)面積，Q(m3)—通過(guò)紙帶的全部氣體體積，u(cm3/mg)—吸收系數(shù)(0.29)，且Q=16.7×t

PM10和PM2.5連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括樣品采集單元、樣品測(cè)量單元、數(shù)據(jù)采集和傳輸單元及其他輔助設(shè)備。德陽(yáng)地區(qū)主要采用的是DASIBI4000系列空氣監(jiān)測(cè)設(shè)備，顆粒物分析儀7201主要由分析儀、外置泵、采樣頭三部分組成，其中分析儀由：機(jī)械總成、顯示電控總成組成，如下圖所示。

圖　DASIBI4000系列7201顆粒物分析儀組成示意Fig.　Composition diagram of 7201 particle analyzer DASIBI4000 series

1.2動(dòng)態(tài)加熱系統(tǒng)工作原理

通過(guò)溫濕度感應(yīng)器檢測(cè)環(huán)境溫濕度，當(dāng)環(huán)境溫濕度達(dá)到報(bào)警溫度設(shè)置點(diǎn)或相對(duì)濕度設(shè)置點(diǎn)時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)動(dòng)態(tài)加熱系統(tǒng)，并根據(jù)當(dāng)前溫濕度值智能控制加熱管組件，使采樣器的溫濕度達(dá)到設(shè)定的范圍內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)采樣器的溫濕度控制。

本系統(tǒng)控制過(guò)程如下：

(1)當(dāng)泵未啟動(dòng)時(shí)，加熱管組件處于低功率加熱狀態(tài)；

(2)在泵啟動(dòng)狀態(tài)下：

①當(dāng)紙帶下溫度超過(guò)報(bào)警溫度設(shè)置點(diǎn)時(shí)，儀器工作于加熱管組件不加熱狀態(tài)；

②當(dāng)紙帶下溫度小于報(bào)警溫度設(shè)置點(diǎn)時(shí)，

I如△T使能參數(shù)設(shè)置為開(kāi)啟，且濕度控制使能參數(shù)設(shè)置為開(kāi)啟時(shí)，當(dāng)紙帶下溫度減去環(huán)境溫度的值大于△T設(shè)置點(diǎn)，加熱管組件處于低功率加熱狀態(tài)；當(dāng)小于△T設(shè)置點(diǎn)，且濕度小于相對(duì)濕度設(shè)置點(diǎn)，加熱管組件處于低功率加熱狀態(tài)，如濕度大于相對(duì)濕度設(shè)置點(diǎn)，加熱管組件處于高功率加熱狀態(tài)；

Ⅱ如△T使能參數(shù)設(shè)置為關(guān)閉，且濕度控制使能參數(shù)處于使能狀態(tài)時(shí)，當(dāng)相對(duì)濕度小于相對(duì)濕度設(shè)置點(diǎn)，加熱管組件處于低功率加熱狀態(tài)，當(dāng)大于相對(duì)濕度設(shè)置點(diǎn)，加熱管組件處于高功率加熱狀態(tài)；

Ⅲ如濕度控制使能參數(shù)設(shè)置為關(guān)閉時(shí)，不開(kāi)啟溫濕度控制，加熱管組件處于低功率加熱狀態(tài)。

2　實(shí)　驗(yàn)

2.1實(shí)驗(yàn)儀器與試劑

DASIBI 4000 系列7201 型PM10分析儀，DASIBI 4000 系列7201 型PM2.5分析儀，Defender510流量校準(zhǔn)儀，中晟泰科公司安裝的動(dòng)態(tài)加熱系統(tǒng)，加濕機(jī)，蒸餾水。

2.2質(zhì)量控制

流量校準(zhǔn)：每月在實(shí)驗(yàn)前后及實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用美國(guó)BIOS510流量校準(zhǔn)儀對(duì)所有顆粒物監(jiān)測(cè)設(shè)備的流量進(jìn)行校準(zhǔn)，保證流量可以控制在16.7L/min±5%以內(nèi)。

實(shí)驗(yàn)期間每月定期更換濾紙、檢查濾紙、濾點(diǎn)是否正常：濾點(diǎn)是否為正圓形，噴頭上不應(yīng)有灰塵或紙削。管口不應(yīng)漏氣。實(shí)驗(yàn)前后及實(shí)驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)按照監(jiān)測(cè)規(guī)范每半年一次定期對(duì)采樣頭、切割器和分離器進(jìn)行清洗。

2.3實(shí)驗(yàn)過(guò)程

在分析室內(nèi)外溫、濕度差異較大時(shí)，環(huán)境空氣通過(guò)采樣管進(jìn)入室內(nèi)凝結(jié)產(chǎn)生的水滴對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果產(chǎn)生的影響可通過(guò)模擬水滴實(shí)驗(yàn)獲得結(jié)論。操作方法為:儀器完成I0工作步驟后暫停儀器工作，對(duì)應(yīng)的斑點(diǎn)編號(hào)；通過(guò)注射器選擇相同大的合適大小水滴，滴在相應(yīng)斑點(diǎn)中心，水滴大小以保證紙帶吸水不超過(guò)圓形斑點(diǎn)以外；恢復(fù)儀器工作，采樣一小時(shí)后記錄測(cè)試結(jié)果。同時(shí)同地另一臺(tái)分析儀平行采樣獲得測(cè)試結(jié)果[3]。

記錄下雨時(shí)(室內(nèi)外溫、濕度差異較大)加裝和未加裝動(dòng)態(tài)加熱系統(tǒng)的顆粒物分析儀同時(shí)同地另一臺(tái)分析儀平行監(jiān)測(cè)測(cè)試結(jié)果。

PM10和PM2.5分析儀采集實(shí)驗(yàn)室內(nèi)空氣，保證室內(nèi)相對(duì)濕度不變情況下，在不同加熱溫度下采樣測(cè)試空氣中的顆粒物濃度。同時(shí)同地進(jìn)行手工采樣分析結(jié)果。在誤差允許范圍內(nèi)選則適合環(huán)境空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)的加熱溫度。

PM10和PM2.5分析儀采集實(shí)驗(yàn)室內(nèi)空氣，保證采樣管加熱溫度不變情況下，在不同控制濕度下采樣測(cè)試空氣中的顆粒物濃度。同時(shí)同地進(jìn)行手工采樣分析結(jié)果。在誤差允許范圍內(nèi)選則適合環(huán)境空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)的控制濕度。

3　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1室內(nèi)外溫濕度差異對(duì)顆粒物監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的影響

3.1.1水滴對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響

我們以德陽(yáng)地區(qū)某環(huán)境空氣監(jiān)測(cè)點(diǎn)位為實(shí)驗(yàn)點(diǎn)位，選擇9月22日進(jìn)行模擬水滴實(shí)驗(yàn)，測(cè)定PM10，水滴大為0.01mL,通過(guò)調(diào)節(jié)站房?jī)?nèi)空調(diào)溫度和加濕器相對(duì)濕度保持室內(nèi)環(huán)境溫度和濕度穩(wěn)定。兩臺(tái)儀器同時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　模擬水滴實(shí)驗(yàn)PM10監(jiān)測(cè)結(jié)果

由表1 可知，差值可以看做是水滴加在濾紙上使環(huán)境空氣監(jiān)測(cè)結(jié)果增大，增大量在0.886 mg /m3和4.842 mg /m3之間，平均增大2.495 mg /m3，最大增大倍數(shù)超過(guò)200倍，使環(huán)境空氣監(jiān)測(cè)結(jié)果完全失控，無(wú)法反映該時(shí)間段環(huán)境空氣中顆粒物濃度大小。由于PM10與PM2.5測(cè)定原理基本一樣，均是β 射線法，不同之處為采用的切割器不同，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果無(wú)影響，因此無(wú)需進(jìn)行PM2.5儀器的模擬水滴實(shí)驗(yàn)。綜上，可以進(jìn)一步推理：若室內(nèi)外溫濕度差異過(guò)大，產(chǎn)生的凝結(jié)水滴吸附在濾紙上將會(huì)造成顆粒物監(jiān)測(cè)結(jié)果偏離正常值，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)代表性和準(zhǔn)確性，屬于無(wú)效數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算中應(yīng)剔除。

3.1.2雨天不同監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)結(jié)果的差異

在雨天氣象條件下，我們可以認(rèn)為是監(jiān)測(cè)點(diǎn)位室內(nèi)外溫濕度差異較大，將動(dòng)態(tài)加熱系統(tǒng)的加熱溫度設(shè)置在50℃，經(jīng)過(guò)加裝和未加裝動(dòng)態(tài)加熱系統(tǒng)的顆粒物分析儀同時(shí)同地平行監(jiān)測(cè)測(cè)試結(jié)果的對(duì)比。監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2，可以看出未加裝動(dòng)態(tài)加熱系統(tǒng)的顆粒物分析儀測(cè)試結(jié)果比加裝了動(dòng)態(tài)加熱系統(tǒng)的顆粒物分析儀測(cè)試結(jié)果偏高20%～200%，平均偏高57.0%。

表2　雨天加裝與未加裝加熱系統(tǒng)PM10監(jiān)測(cè)結(jié)果

3.2動(dòng)態(tài)加熱系統(tǒng)不同控制參數(shù)下對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的影響

3.2.1加熱溫度對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的影響

在實(shí)驗(yàn)室中利用加濕器控制室內(nèi)空氣相對(duì)濕度(50%)不變，利用動(dòng)態(tài)加熱系統(tǒng)對(duì)PM10和PM2.5分析儀加熱，在不同加熱溫度下進(jìn)行PM10和PM2.5分析儀采集分析，同時(shí)進(jìn)行PM10和PM PM2.5的手工采樣重量法分析。從分析結(jié)果可以看出自動(dòng)監(jiān)測(cè)(β 射線法)隨著加熱溫度升高顆粒物測(cè)定結(jié)果降低，加熱溫度越高測(cè)定結(jié)果降低越多。并且，PM2.5隨著加熱溫度升高顆粒物測(cè)定結(jié)果降低幅度比PM10更大。分析結(jié)果見(jiàn)表3。

表3　不同加熱溫度下自動(dòng)監(jiān)測(cè)與手工監(jiān)測(cè)測(cè)試結(jié)果的關(guān)系

3.2.2濕度對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的影響

控制PM10和PM2.5分析儀加熱溫度(50℃)不變，利用加濕機(jī)調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)室空氣相對(duì)濕度，在不同相對(duì)濕度下進(jìn)行PM10和PM2.5分析儀采集分析，同時(shí)進(jìn)行PM10和PM2.5的手工采樣重量法分析。從分析結(jié)果可以看出隨著相對(duì)濕度升高顆粒物測(cè)定結(jié)果逐步升高，相對(duì)濕度越高測(cè)定結(jié)果升高越多。并且，PM10隨著相對(duì)濕度升高顆粒物測(cè)定結(jié)果升高幅度比PM2.5更大。分析結(jié)果見(jiàn)表4。

表4　不同相對(duì)濕度下自動(dòng)監(jiān)測(cè)與手工監(jiān)測(cè)測(cè)試結(jié)果的關(guān)系

4　結(jié)　論

4.1室內(nèi)外溫濕度差異較大，當(dāng)室外溫度較高濕度較大時(shí)，未加裝加熱系統(tǒng)測(cè)試顆粒物監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果相對(duì)于加裝加熱系統(tǒng)測(cè)試顆粒物監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果偏高，當(dāng)水蒸氣凝結(jié)成水滴滴落在濾紙上時(shí)，測(cè)試結(jié)果異常偏高，測(cè)試結(jié)果無(wú)效。加裝動(dòng)態(tài)加熱系統(tǒng)可有效杜絕上述情況的發(fā)生。

4.2自動(dòng)監(jiān)測(cè)(β 射線法)測(cè)定PM10和PM2.5的濃度隨著動(dòng)態(tài)加熱系統(tǒng)加熱溫度升高而降低，且PM2.5受影響更大；隨著室內(nèi)相對(duì)濕度升高而升高，且PM10受影響更大。

4.3根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合本實(shí)驗(yàn)所在區(qū)域的環(huán)境溫度和濕度控制的可操作性和經(jīng)濟(jì)性，可將動(dòng)態(tài)加熱系統(tǒng)加熱溫度控制在45℃～55℃范圍內(nèi)，室內(nèi)相對(duì)濕度控制在40%～50%范圍內(nèi)。從而使加熱溫度和相對(duì)濕度對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響相互抵消，將測(cè)定結(jié)果誤差控制在5%范圍內(nèi)，可保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

[1]HJ 653-2013，環(huán)境空氣顆粒物(PM10和PM2.5)連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)要求及檢測(cè)方法 [S].

[2]國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局《空氣和廢氣監(jiān)測(cè)分析方法》編委會(huì)．空氣和廢氣監(jiān)測(cè)分析方法(第四版增補(bǔ)版)[M]．北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2003．259-261．

[3]吳凱勛．室內(nèi)外溫濕度差異對(duì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)可吸入顆粒物測(cè)定準(zhǔn)確性的影響[J] ．石油化工安全環(huán)保技術(shù),2011，(5)：59-64．

Impact of Dynamic Heating System on Monitoring PM10and PM2.5by β-ray Method

YE Zhi1，HUANG Hong2, LIU Li1,XIAO Yong1

(1.DeyangEnvironmentalMonitoringCentralStation,Deyang,Sichuan618000,China; 2.JingyangEnvironmetalMonitoringStationofDeyangCity,Deyang,Sichuan618000,China)

During the monitor process of PM10and PM2.5in ambient air byβray method, the monitoring data is largely influenced by temperature and humidity of ambient environment. Thus, in order to ensure the accuracy of monitoring data and control the measurement error within 5%, a dynamic heating system is installed and multiple selection experiments are carried out while the temperature of the dynamic heating system was kept at the range of 45 ℃ to 55 ℃, and the relative humidity was kept between 40% and 50%.

PM10; PM2.5; dynamic heating; temperature; humidity

2015-03-24

葉智(1983-)，男，四川德陽(yáng)人，2005年畢業(yè)于成都信息工程學(xué)院環(huán)境工程專(zhuān)業(yè)，工程師，主要從事環(huán)境質(zhì)量空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)工作。

X701

A

1001-3644(2015)06-0052-05