樊海春，張 濤，汪 鋒，張雪嶺

(天津同陽科技發(fā)展有限公司 天津 300456)

大氣顆粒物是環(huán)境在線監(jiān)測(cè)的一個(gè)熱點(diǎn)，研究表明，顆粒物是導(dǎo)致能見度退化、引起區(qū)域灰霾現(xiàn)象的主要原因，尤其是細(xì)顆粒物(PM2.5)。與較粗的大氣顆粒物相比，細(xì)顆粒物的粒徑小，表面積大，活性強(qiáng)，易附帶有毒、有害物質(zhì)(重金屬、持久性有機(jī)物等)，且在大氣中停留時(shí)間長(zhǎng)、輸送距離遠(yuǎn)，對(duì)人體健康和大氣環(huán)境質(zhì)量的影響更大。因此，對(duì)大氣顆粒物質(zhì)量濃度的在線監(jiān)測(cè)對(duì)掌握大氣顆粒物的污染水平、變化趨勢(shì)以及政府決策非常重要。在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，基于振蕩天平技術(shù)檢測(cè) PM2.5的裝置目前有兩類：錐管微量振蕩天平(TEOM)和復(fù)合管微量振蕩天平(CEOM)。

2012年 GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》發(fā)布以來，空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)站普遍配備了顆粒物在線監(jiān)測(cè)儀，用于實(shí)時(shí)測(cè)量環(huán)境空氣中的可吸入顆粒物(PM10)和細(xì)顆粒物(PM2.5)。顆粒物在線監(jiān)測(cè)國(guó)標(biāo)法中有兩種測(cè)量方法——β射線法和振蕩天平法。振蕩天平法屬于直接測(cè)量方法，在測(cè)量精度上與β射線法相比具有很大優(yōu)勢(shì)；不過振蕩天平法顆粒物監(jiān)測(cè)儀在對(duì)大氣顆粒物的觀測(cè)過程中易受環(huán)境大氣濕度和濾膜中吸附的水氣的影響。因此，國(guó)內(nèi)外的振蕩天平生產(chǎn)廠家普遍將濾膜稱量室溫度設(shè)定高于環(huán)境溫度，以排除濕度對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響。但是，由于濾膜稱量室溫度高于實(shí)際環(huán)境溫度，會(huì)使附集在濾膜上的顆粒物中低揮發(fā)性物質(zhì)快速揮發(fā)，造成顆粒物濃度測(cè)值偏低。這是振蕩天平法顆粒物監(jiān)測(cè)儀監(jiān)測(cè)結(jié)果存在負(fù)誤差的主要原因。

采用平衡稱重室與實(shí)時(shí)稱重室并行稱重，可以有效降低大氣顆粒物中的水汽對(duì)稱重結(jié)果的影響，并且能夠避免水汽揮發(fā)導(dǎo)致測(cè)量濃度偏低的問題。

圖 1為新型振蕩天平中實(shí)時(shí)稱重室和平衡稱重室的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 新型振蕩天平實(shí)時(shí)稱重室和平衡稱重室的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of real time weighing chamber and balanced weighing chamber of oscillating balance

如圖1所示，新型振蕩天平包括實(shí)時(shí)稱重室100和平衡稱重室 200，這兩個(gè)稱重室中均包括稱重腔體110，空心錐形管 120，設(shè)置在稱重腔體 110內(nèi)，其頂端設(shè)置有濾膜 121，其底部設(shè)置有固定接口 122?？招腻F形管 120利用氣流從其內(nèi)部通過時(shí)附著在濾膜121上的大氣顆粒物，從而改變?cè)摽招腻F形管120的諧振頻率，求得大氣顆粒物質(zhì)量；流量計(jì)設(shè)置在空心錐形管120的出口處，用于測(cè)量通過空心錐形管120的氣流流量。

采用平衡稱重室 200與實(shí)時(shí)稱重室 100并行稱重，通過溫濕度調(diào)節(jié)裝置消除濾膜121上附著的大氣顆粒物中的水氣。采用此種設(shè)置，可以使振蕩天平省去常規(guī)的膜校準(zhǔn)系統(tǒng)，并采用與 HJ,656—2013《環(huán)境空氣顆粒物(PM2.5)手工監(jiān)測(cè)方法(重量法)技術(shù)規(guī)范》一致的除濕方法，提高了測(cè)量精度，并且在維護(hù)難度、成本上與“膜補(bǔ)償”技術(shù)相比有很大進(jìn)步；同時(shí)，通過溫濕度調(diào)節(jié)裝置消除水汽的過程中，還能夠維持平衡稱重室200內(nèi)的溫度在合理的范圍內(nèi)，從而緩解附集在濾膜 121上的大氣顆粒物中易揮發(fā)性物質(zhì)快速揮發(fā)導(dǎo)致顆粒物濃度測(cè)值偏低的問題。

如圖 1所示，溫濕度調(diào)節(jié)裝置包括：加熱裝置210，用于改變平衡稱重室 200內(nèi)的溫度；干燥裝置220，用于改變平衡稱重室 200內(nèi)的濕度；溫濕度傳感器230，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)平衡稱重室200內(nèi)的溫度與濕度。內(nèi)設(shè)控制裝置可根據(jù)溫濕度傳感器230的測(cè)量結(jié)果控制加熱裝置210和干燥裝置220開啟或閉合，通過控制加熱裝置210開啟或閉合，能夠?qū)⑵胶夥Q重室 200內(nèi)溫度控制在 15～30,℃之間，避免由于溫度過高導(dǎo)致易揮發(fā)物質(zhì)揮發(fā)，同時(shí)通過加熱裝置210與干燥裝置 220共同配合，能夠加快干燥速度，縮短靜置平衡時(shí)間，干燥裝置220可采用不與大氣顆粒物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的物理干燥劑或化學(xué)干燥劑。

如圖1所示，加熱裝置210和溫濕度傳感器230均包括N個(gè)，N個(gè)加熱裝置210和溫濕度傳感器230間隔設(shè)置在稱重腔體 110的內(nèi)壁上(N≥2)，采用多個(gè)加熱裝置 210與溫濕度傳感器 230間隔排列在平衡稱重室200內(nèi)部，能夠使平衡稱重室200內(nèi)的溫濕度分布更均勻，并且溫濕度傳感器的測(cè)量結(jié)果更精確，從而使大氣顆粒物濃度的修正結(jié)果更準(zhǔn)確。

該振蕩天平還包括：切割器 300，用于切割采樣大氣顆粒物；分流裝置 400，用于將切割器 300排出的氣流分別輸送至實(shí)時(shí)稱重室 100和平衡稱重室200中；流量控制器 500，用于控制通過實(shí)時(shí)稱重室100和平衡稱重室 200的氣流流量。實(shí)際使用時(shí)，通過切割器300切割采樣需采集的大氣顆粒物，將采集的含有大氣顆粒物的氣流通過分流裝置 400分別輸送至實(shí)時(shí)稱重室100和平衡稱重室200中，再通過流量控制器 500分別控制通過實(shí)時(shí)稱重室 100或平衡稱重室200的氣流流量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣顆粒物的高效采集。

平衡稱重室 200內(nèi)的溫度為 15～30,℃，調(diào)節(jié)精度為 1,℃，能夠避免易揮發(fā)物質(zhì)揮發(fā)；平衡稱重室200內(nèi)的濕度為 45%～55%,RH，通過設(shè)置平衡稱重室 200的濕度范圍，能夠有效判斷此時(shí)附著在濾膜121上的大氣顆粒物中的水分含量。

稱重腔體 110的頂部和底部分別設(shè)置有進(jìn)氣口和出氣口；空心錐形管120豎直設(shè)置在稱重腔體110的底部，其頂端與進(jìn)氣口相對(duì)設(shè)置，其底端與出氣口連通。切割器 500采樣的大氣顆粒物為 PM2.5和PM10，它們對(duì)人體健康和大氣環(huán)境質(zhì)量的影響更大，更需要被實(shí)時(shí)檢測(cè)。

綜上所述，振蕩天平采用平衡稱重室與實(shí)時(shí)稱重室并行稱重，并利用平衡稱重室的測(cè)量結(jié)果對(duì)實(shí)時(shí)稱重室進(jìn)行校正，從而有效降低大氣顆粒物中的水氣對(duì)稱重結(jié)果的影響，使測(cè)量結(jié)果更準(zhǔn)確。

目前市場(chǎng)上主流的振蕩天平法監(jiān)測(cè)儀為克服在實(shí)際應(yīng)用中顆粒物監(jiān)測(cè)值與手工濾膜采樣器數(shù)據(jù)對(duì)比中存在的負(fù)誤差，采用了“膜補(bǔ)償”技術(shù)，其原理是在樣品通道增加特制裝置，以分時(shí)項(xiàng)濾膜輪換輸送實(shí)際樣品氣與經(jīng)冷凝、過濾處理后的樣品氣，從而能對(duì)顆粒物濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行“補(bǔ)償”。然而在實(shí)際應(yīng)用中，特別是在我國(guó)沿海和低海拔地區(qū)，“膜補(bǔ)償”技術(shù)裝置因日常維護(hù)標(biāo)定操作過于復(fù)雜、頻繁，穩(wěn)定性、耐用性難以適應(yīng)檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，已較少在空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)站裝配使用。

“膜補(bǔ)償”技術(shù)裝置通過冷凝、過濾處理后的樣品氣，會(huì)導(dǎo)致大氣顆粒物中易揮發(fā)物質(zhì)損耗，因而導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)負(fù)偏差。在 HJ,656—2013《環(huán)境空氣顆粒物(PM2.5)手工監(jiān)測(cè)方法(重量法)技術(shù)規(guī)范》中已經(jīng)對(duì)去除水氣的方法予以說明，手工濾膜采樣器為規(guī)避空氣中水汽對(duì)采樣結(jié)果的影響，采用將濾膜放在恒溫恒濕設(shè)備中平衡至少24,h后進(jìn)行稱量。

此種新型的振蕩天平濾膜自動(dòng)校準(zhǔn)方法，通過在振蕩天平內(nèi)增加平衡稱重室設(shè)計(jì)，用于產(chǎn)生補(bǔ)償因子，平衡稱重室采用恒溫恒濕設(shè)計(jì)，溫度控制在 15～30,℃內(nèi)任意一點(diǎn)，控溫精度±1,℃，濕度控制在(50±5)%,RH，同時(shí)根據(jù)室外濕度和平衡稱重室測(cè)量結(jié)果，通過平衡算法得出補(bǔ)償因子，并在振蕩天平在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中加入補(bǔ)償因子，產(chǎn)生實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，使得此數(shù)據(jù)更接近于真實(shí)數(shù)據(jù)。