吳 鴻,張順琳,邱 昀,常安剛（上海市環(huán)境監(jiān)測技術(shù)裝備有限公司，上海 200235）

光散射粉塵儀是基于顆粒物對光的散射特征來進(jìn)行粉塵濃度的檢測，而顆粒物的光散射特征受環(huán)境濕度影響較大。在近幾年光散射法在建筑工地?fù)P塵監(jiān)測的實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，環(huán)境空氣的濕度對粉塵儀檢測數(shù)據(jù)結(jié)果的影響較大。由于上海市位于太平洋西岸，亞洲大陸東沿，長江和黃浦江入海匯合處，是長江三角洲沖積平原的一部分；上海市屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，全年氣候都比較濕潤，相對濕度較高，四季的相對濕度維持在 70% 以上，全年的平均相對濕度為 74.10%，最大相對濕度為 98.40%，最小相對濕度為 30.60%[1]。從上海市近年來的揚(yáng)塵在線監(jiān)測數(shù)據(jù)看，夜間環(huán)境濕度與揚(yáng)塵監(jiān)測數(shù)據(jù)的升高有很大的相關(guān)性。因此，《上海市建筑施工顆粒物與噪聲在線監(jiān)測技術(shù)規(guī)范（試行）》對除濕功能提出了明確的要求，規(guī)定光散射法粉塵儀需要具有加熱除濕功能。由于技術(shù)難度， JJG 846—2015《粉塵濃度測量儀檢定規(guī)程》并不涉及濕度對儀器性能的影響；高濕度對光散射法檢測揚(yáng)塵濃度數(shù)據(jù)的影響是顯而易見的。因此，亟須研制一套合適的除濕裝置去除環(huán)境濕度對在線監(jiān)測系統(tǒng)的影響，完善施工場所顆粒物在線監(jiān)測系統(tǒng)，提升顆粒物實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)顆粒物濃度的準(zhǔn)確性，為施工場所顆粒物相關(guān)環(huán)保執(zhí)法提供有力的科學(xué)支撐。本文以上海市某工地?fù)P塵在線監(jiān)測系統(tǒng)采用不同加熱裝置的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行研究分析，以形成一套經(jīng)濟(jì)可行的加熱系統(tǒng)從而提高高濕度環(huán)境下?lián)P塵監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

1 確定除濕方式

目前常規(guī)的純氣體除濕技術(shù)有冷凍除濕、壓縮除濕、熱管除濕、轉(zhuǎn)輪除濕和溶液除濕， 但這些技術(shù)容易有水凝結(jié)等原因， 導(dǎo)致樣氣中顆粒物的損失，而不適用帶顆粒物樣氣的除濕。針對粉塵測定系統(tǒng)除濕中不能改變粉塵濃度的要求，加熱除濕技術(shù)不會造成被測含塵氣流粉塵濃度的變化，最適合應(yīng)用于含塵氣流除濕。

中國疾病預(yù)防控制中心環(huán)境與健康相關(guān)產(chǎn)品安全所的徐春雨等[2]和張國城等[3]均提出，光散射式粉塵儀測量結(jié)果不僅受顆粒物性質(zhì)影響，還受濕度影響。這是由于水氣在顆粒物表面凝結(jié)，會改變顆粒物尺寸、形狀、折射率，從而改變顆粒物光散射能力。當(dāng)相對濕度 ＞60% RH 時，濕度對光散射測量增強(qiáng)作用不可忽略。需要通過加熱、稀釋、Nafion 膜等一種或多種技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行除濕， 其中加熱除濕是被廣泛采用的技術(shù)，從效果和經(jīng)濟(jì)性上都較好。

2 確定加熱除濕材料、方式及加熱長度

《上海市建筑施工顆粒物與噪聲在線監(jiān)測技術(shù)規(guī)范（試行）》中也要求揚(yáng)塵在線監(jiān)測系統(tǒng)需要有加熱除濕功能，為此我們自制了一套適合工地的加熱除濕裝置，其加熱材料為內(nèi)置電熱絲的溫控加熱帶。為了保證采樣管能夠全面加熱，采用了加熱帶螺旋式纏繞在采樣管上的方式，加熱帶長度為 1 m（采樣管為 1.5 m）如圖 1 所示，在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，加熱帶過長影響兩端密封，加熱帶過短影響加熱效果。

圖1 加熱裝置圖解

經(jīng)試驗(yàn)確定（采樣地點(diǎn)為徐匯區(qū)田東路 181 號樓下，采樣時間為 2020 年 3 月 6 日—2020 年 3 月 7 日，采樣期間溫度為 10.2±3.8 ℃，濕度為 70.5±6.9%），得出用 50 cm 長度加熱帶與用 100 cm 長度加熱帶時候的監(jiān)測數(shù)據(jù)，如圖 2 所示。使用 50 cm 加熱帶的揚(yáng)塵數(shù)據(jù)明顯偏高（參照數(shù)據(jù)為上海市生態(tài)環(huán)境局網(wǎng)站上公布的徐匯區(qū) PM 10 日均值，2020 年 3 月 6 日為 0.030 mg/m3，2020 年 3 月 7 日為 0.045 mg/m3），說明加熱效果較差，故使用加熱長度為 100 cm 加熱帶加熱效果更接近實(shí)際值，加熱效果好。

圖2 兩種長度加熱帶加熱效果比較

3 確定加熱溫度

由于氣溶膠的加熱和降溫速度都比較快，加熱過程要求采樣管路到檢測器的整個系統(tǒng)都具有較好的保溫效果，而且當(dāng)溫度較高時， 要求粉塵儀具有較好的抗高溫性能， 這對材料性能要求比較高；另一方面，高溫加熱會使得顆粒物中一些易揮發(fā)或半揮發(fā)物質(zhì)揮發(fā)或分解造成損失，導(dǎo)致測量結(jié)果小于常溫濾膜采樣稱重法測量結(jié)果；而加熱溫度不夠，又會導(dǎo)致無法有效降低進(jìn)入粉塵儀空氣的濕度，造成導(dǎo)致測量結(jié)果的準(zhǔn)確度及與參比方法的相關(guān)性較差。因此確認(rèn)合適的加熱溫度是保證加熱除濕效果的關(guān)鍵因素。

課題組選用試驗(yàn)的光散射粉塵儀是目前上海市場中大量使用的日本柴田 LD-5 CN 型數(shù)碼粉塵儀，柴田公司自行做過加熱溫度對粉塵儀監(jiān)測數(shù)據(jù)影響的相關(guān)試驗(yàn)，結(jié)果得出加熱溫度比外界氣溫高 40～50 K 效果最佳，但這個結(jié)論必須通過國標(biāo)方法（重量法）進(jìn)行驗(yàn)證才能確定。針對這一建議課題組做了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

(1) 儀器和耗材?？諝獠蓸觾x（日本柴田，HV-500 R），電子天平（瑞士梅特勒托利多，MS 105 DU），數(shù)碼粉塵儀（日本柴田，LD-5 CN），空盒氣壓表（寧波鄞州姜山玻璃儀器，DYM 3），溫濕度計(jì)（天津市凱隆達(dá)儀器儀表，HTC-2），風(fēng)向風(fēng)速儀（上海風(fēng)云氣象儀器，F(xiàn)YF-1），聚四氟乙烯 濾膜（WhatmanInc，F(xiàn)lorhamPark，NJ，USA）

(2) 采樣時間和地點(diǎn)。設(shè)置兩個采樣期，分別為相對濕度較小的冬季（2019 年 11 月 6 日～2019 年 11 月 20 日）和相對濕度較大的夏季（2019 年 6 月 22 日～2019 年 7 月 6 日）。采樣地點(diǎn)位于上海市徐匯區(qū)某工地內(nèi)，采樣期間進(jìn)行儀器測定的防護(hù)工作，避免雨、雪、大風(fēng)等不良?xì)庀髼l件對儀器的影響[4]。

(3) 采樣方法。采樣期間，光散射法儀器與濾膜稱重法儀器置于現(xiàn)場同一測定點(diǎn)和同一高度，進(jìn)行平行采樣，每次采樣采集 ≥20 組數(shù)據(jù)，每組的采樣時間為 20 min。光散射法儀器在采樣前先進(jìn)行校準(zhǔn)處理，并將采樣時間間隔設(shè)置為 1 min；光散射法儀器對揚(yáng)塵濃度實(shí)施測量后，根據(jù)儀器設(shè)定的質(zhì)量濃度 K 值系數(shù)，得出當(dāng)次采樣揚(yáng)塵的平均質(zhì)量濃度。濾膜稱重法儀器在采樣前，現(xiàn)將濾膜放置在溫濕度相對恒定（平衡溫度 15～30 ℃ 中任意一點(diǎn)，相對濕度控制在 45%～55% 范圍內(nèi)）的環(huán)境中平衡 24 h；采樣后按上述條件將濾膜放在恒溫恒濕設(shè)備中平衡 24 h 后進(jìn)行稱量，兩次重量之差 ≤0.04 mg 為滿足恒重要求。以兩次稱量結(jié)果的平均值作為濾膜稱重值。同一濾膜前后兩次稱量之差超出以上范圍則該數(shù)據(jù)無效，需再次進(jìn)行平衡并稱量，直至恒重。使用公式：揚(yáng)塵質(zhì)量濃度（mg/m3）=[采樣后濾膜的質(zhì)量（mg）－采樣前濾膜的質(zhì)量（mg）]/標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的采樣體積（m3）來計(jì)算采樣當(dāng)次采樣的揚(yáng)塵平均質(zhì)量濃度。

將每次采樣期間的光散射法測定的揚(yáng)塵平均質(zhì)量濃度與濾膜稱重法測定的揚(yáng)塵平均質(zhì)量濃度進(jìn)行比較，并分析不同采樣期間相對濕度對下列 3 種測試條件下對光散射法測定揚(yáng)塵濃度的影響。

冬季比對試驗(yàn)預(yù)設(shè) 3 種條件：A 未采用加熱除濕裝置；B 加裝加熱除濕裝置（加熱長度1.0 m，加熱溫度 50 ℃）；C 加裝加熱除濕裝置（加熱長度1.0 m，加熱溫度 90 ℃）。

夏季比對試驗(yàn)預(yù)設(shè) 3 種條件：A 未采用加熱除濕裝置；B 加裝加熱除濕裝置（加熱長度 1.0 m，加熱溫度 80 ℃）；C 加裝加熱除濕裝置（加熱長度 1.0 m，加熱溫度 120 ℃）。

(4) 試驗(yàn)結(jié)果。從上述試驗(yàn)來看（匯總結(jié)果見圖 2～圖 7、表 1），用較低加熱溫度（冬季 50 ℃，與外界溫度差 40 ℃ 左右；夏季 80 ℃，與外界溫度差 40 ℃ 左右）加熱條件的揚(yáng)塵在線監(jiān)測設(shè)備，相關(guān)性較好且數(shù)據(jù)偏差也較小，故可視為最佳加熱溫度，既起到了加熱除濕效果，也對揚(yáng)塵在線監(jiān)測濃度影響最小。

圖3 冬季采樣 A 條件

圖4 冬季采樣 B 條件

圖5 冬季采樣 C 條件

圖6 夏季采樣 A 條件

圖7 夏季采樣 B 條件

圖8 夏季采樣 C 條件

表1 比對試驗(yàn)結(jié)果匯總

4 結(jié) 語

從日常的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)和本文中的試驗(yàn)來看，濕度對于光散射法粉塵儀測量結(jié)果的影響不可忽略，而加熱除濕無論從經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性來看不失為最佳的除濕方法。上海市的相關(guān)規(guī)范中規(guī)定了粉塵儀需要有加熱除濕功能，但加熱長度、加熱方式、加熱溫度等因素均會影響加熱除濕效果，影響監(jiān)測結(jié)果準(zhǔn)確性；特別是加熱溫度，是保證加熱除濕效果的關(guān)鍵因素。

(1) 采樣管加熱長度 100 cm 為最佳加熱長度，被測空氣在進(jìn)入檢測倉前起到充分的除濕效果。

(2) 通過夏季和冬季與國標(biāo)方法（重量法）的比對試驗(yàn)，可以確定加熱溫度與氣溫相差 40 ℃ 左右為最佳，既起到了加熱除濕效果，也對揚(yáng)塵在線監(jiān)測濃度影響最小。