環境濕度對石英濾膜稱重結果的影響

覃鴻鈺，翟崇治，，李 禮，周 乾，余家燕

（1.重慶工商大學環境與生物工程學院，重慶400067；2.重慶市環境監測中心，重慶401147）

由于大氣顆粒物對人體健康、大氣輻射平衡、氣候變化及大氣能見度有重要影響，對大氣顆粒物的監測研究已受到越來越多的關注［1－3］。隨著社會經濟的發展，人居環境質量要求越來越嚴，大氣顆粒物濃度作為評價城市空氣質量的一項重要指標，其監測分析工作日益顯示出重要性。目前，國內大氣顆粒物尤其是細顆粒物自動監測技術尚未完全成熟，以及大氣科學研究的需要，對大氣顆粒物的監測分析通常采用重量分析法，而濾膜稱重則是重量分析法的關鍵環節。《環境空氣PM10和PM2.5的測定 重量法》（HJ 618－2011）對手工采樣膜片稱量分析過程規定，濾膜采樣前后均應置于溫度為15℃～30℃中任何一點、相對濕度控制在45%～55%范圍內進行24h平衡后稱重，而受實驗室建設成本影響，實際的濾膜稱量條件控制很難達到這一要求，室內溫度、相對濕度的變化將造成稱量結果的誤差。

國內外學者對實驗室濾膜稱重的影響因素進行了諸多研究［4］。蘇文進［5］在不同的濕度和溫度條件下稱量空白濾膜發現，同一濕度條件下溫度越高，濾膜重量值越大，同一溫度條件下，稱量值隨濕度升高呈曲線上升趨勢；然而，楊磊［6］的研究得出在高濕度環境下，濾膜增重變化很小。為考察不同濕度條件對稱量結果的影響，設計了兩組石英濾膜（分別采集PM10和PM2.5樣品）的稱重實驗，分析不同濕度條件下空白石英濾膜和大氣顆粒物樣品膜重量的變化，以期為大氣顆粒物手工監測的濾膜稱重提供一些技術參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

本實驗主要材料與儀器包括：47mm石英濾膜（英國whatman品牌），ME5－F型電子分析天平（德國Sartorious公司，感量為0.001mg），WEIFO恒溫恒濕箱，川島除濕機，掛式空調機，溫濕度計，干燥皿，硅膠等。

1.2 實驗方法

（1）濾膜稱重實驗設置7個不同的濕度控制點，分別 為 10%，25%，40%，55%，70%，85%，99%。干燥皿內盛放硅膠時可控制皿內濕度恒定為10%；干燥皿內改盛清水時可控制皿內濕度恒定為99%，干燥皿內盛清水并配合一定量的硅膠可控制皿內濕度為70%，85%；其它濕度點可通過恒溫恒濕箱與天平室內除濕機的配合實現；用空調機控制天平室溫度在（27±3）℃范圍內。石英濾膜在每個濕度點下平衡24h后進行稱量，每張膜片非連續稱量若干次，直到十萬分之一位不再變化認為濾膜恒重，取最后兩次稱量平均值。

（2）取5張空白石英濾膜，考察其在10%，25%，40%，55%，70%，85%，99% 濕 度 點 的 膜 重 變化情況，膜片無顆粒物樣品富集，主要研究濾膜本身的吸濕性。

（3）取不同富集量的PM10和PM2.5樣品濾膜各10張，按顆粒物富集量從小到大的順序編號，重點考察10%，55%，99%3個濕度控制點的膜重變化，并依據空白濾膜各濕度點的重量變化情況研究樣品膜重與環境濕度的相關關系。

1.3 質量控制與保證

由于石英濾膜的實驗室稱量分析精度要求高，受干擾因素多，主要采取如下質量控制與保證措施：

（1）利用空調設備將天平室內環境溫度控制在（27±3）℃范圍內，使濾膜稱量過程在盡量相同的溫度條件下進行。

（2）濾膜使用前均需進行檢查，不得有污損或任何缺陷。

（3）濾膜稱量前將其放置于鋁箔上［4，7］以消除靜電的影響。

（4）濾膜稱量使用同一臺分析天平，由同一人進行稱量操作，減少系統誤差。

（5）每次稱膜的同時稱量2張“標準濾膜”，若標準濾膜稱出的重量在質控要求的范圍內，則認為實驗濾膜稱量合格，數據可用。否則應檢查稱量條件是否符合要求并重新稱量。

2 結果與討論

2.1 不同濕度對空白濾膜重量的影響

石英濾膜由超純的石英纖維素制成，不含玻璃纖維或黏合劑樹脂，純石英合成物可防止濾膜與酸性氣體發生反應，常用于采樣分析顆粒物中有機碳和元素碳組分，該膜能耐1 000℃的高溫，具有極好的重量和結構穩定性，屬憎水性濾膜。以10%濕度條件下5張空白濾膜的平均重量（151.790mg）為基準，分析空白濾膜增重與濕度變化的關系（均取5張濾膜重量平均值），如圖1所示。

圖1 空白濾膜增重與濕度的關系

由圖1可知，空白石英濾膜重量隨濕度升高而增加，濾膜增重與濕度變化成線性正相關關系，相關系數為0.974，這與蘇文進、汪利民［5］等研究發現空白濾膜和樣品濾膜的稱量均值隨著濕度上升而增大的結果相吻合。圖中兩極值點濕度條件下測得的濾膜重量之差為0.515mg，可近似認為濕度每增加10%，濾膜平衡后重量增加57μg，比Brown［4］的研究得出環境濕度每上升10%，增重約20μg的結果偏高。由此可見，石英濾膜具有一定的吸濕性，其吸濕性一方面與濾膜纖維超微結構有關，縱橫交錯的長纖維中分布很多超微小孔，這些小孔能集聚細小水汽，在未飽和之前隨環境濕度增大集聚越多，使濾膜重量增加；另一方面，空氣中的液滴依附于濾膜表面，此時的石英濾膜僅作為載體，也可使得稱量結果偏大。

2.2 不同濕度對樣品濾膜重量的影響

空白濾膜的稱重實驗得出石英濾膜具有一定吸濕性，而樣品濾膜因為富集的顆粒物中含有水溶性組分，包括水溶性離子 （K＋，Ca2＋，Na＋，SO42－，NO3－，NH4＋，Cl－）及水溶性有機化合物等，也會產生吸濕作用。研究環境濕度對不同樣品濾膜增重的影響，主要考察膜片上富集的顆粒物樣品量與濕度變化的相關關系。

取不同富集量的PM10和PM2.5樣品濾膜各10張進行稱重實驗，PM10樣品富集量為0.942～2.928mg之間，PM2.5樣品富集量為0.763～2.596 mg之間。以10%濕度下樣品濾膜重量為基準，根據99% 濕度條件下10張PM10樣品濾膜和10張PM2.5樣品濾膜平衡后的增重，分別與PM10和PM2.5樣品重量進行線性回歸分析，如圖2和圖3。

圖2 兩極值濕度點濾膜增重與PM10樣品重量的趨勢圖

圖3 兩極值濕度點濾膜增重與PM2.5樣品重量的趨勢圖

圖2 與圖3的變化趨勢相同，顆粒物重量越大，兩極值點濕度條件下的增量越小。顆粒物的吸濕增長分兩步，首先溶解固體核心，然后完全溶解顆粒物，均相液滴開始增長［8－10］，此過程能在很短時間內完成［11］。顆粒物重量越小，與大氣中液滴接觸面越充分，顆粒物吸濕增長的比例就越大，吸濕增量也越明顯。實驗所用PM10與PM2.5的樣品濾膜本身大小、材質相同，膜的吸濕性能沒有區別，顆粒物粒徑、水溶性組分是造成PM2.5樣品膜增重與樣品量的方程式與PM10不同的主要原因。粒徑越小，對濾膜超微孔產生的阻塞更有效，但此時表面所用于承載液滴的面積增大，導致PM2.5的膜與PM10的膜吸濕不同；加之膜主要水溶性物質如硫酸鹽、硝酸鹽等主要聚集在細顆粒物中［12］，據同時段的顆粒物化學組分分析結果，PM2.5中水溶性離子占49%，PM10中占38%，最終表現為PM2.5的斜率小于PM10的斜率。

2.3 濾膜與顆粒物樣品的吸濕性討論

顆粒物的吸濕性除與粒徑有關外，主要由它的化學組成所決定。Awuku.A.A［13］對水溶性有機物與水的作用進行研究，發現它能降低液滴界面的表面張力，減少水蒸氣的平衡，顯著影響粒子的吸濕速率，從而改變顆粒物的水分吸收。Saxena等［14］估算出在鄉村地區有機物組分能減少氣溶膠25%～40%的吸濕量。單從某一種類組分研究顆粒物的吸濕性是不夠科學的，不同種類間的相互作用也影響吸濕過程。Semeniuk，T.A［15］用環境透射電子顯微鏡觀察在0～100% 相對濕度范圍內無機－有機混合顆粒物的吸濕性能，得出在相對濕度為55%～100% 的范圍內顆粒物吸濕，吸濕所對應的濕度值由水溶性組分的比例決定，如含大量K和S的顆粒物在相對濕度為60% 開始吸濕，而含Mg豐富的有機顆粒物對應的值為90%。

研究影響顆粒物吸濕性能因素的同時也應關注避免吸濕影響稱量結果的方法。李中愚［16］等人發現用鋁箔或鋁箔袋包封濾膜可有效防濕，提高稱量的準確度。劉曉紅［17］經多年實踐摸索出用生化箱代替平衡室恒重，效果較好。蘇文進［5］的研究認為濕度對樣品膜增量沒有明顯影響，原因在于空白濾膜和樣品濾膜質量都隨濕度上升而增加，當采樣前后濾膜測定條件一致時就會扣除濕度對空白濾膜的影響，因此建議在采樣前后應將濾膜置于相同的環境中，如遇特殊天氣情況（如采樣期間下大雨、暴雨），應將采樣后的濾膜多置干燥皿內兩天。作者認為在濾膜采樣前后的稱量過程中，應嚴格參照《環境空氣PM10和PM2.5的測定 重量法》（HJ 618－2011）的要求將溫濕度控制在相同的環境中，降低稱量誤差。

3 結論

本實驗設置 10%，25%，40%，55%，70%，85%，99%7個不同濕度點條件下對石英濾膜進行稱重分析，得出濕度變化對空白濾膜和樣品濾膜造成的影響。

（1）空白石英濾膜重量隨濕度升高而線性增加，相關系數為0.928，濕度每增加10%，空白濾膜平衡后重量增加57μg。因此在濾膜采樣前后的稱量過程中，應嚴格參照《環境空氣PM10和PM2.5的測定重量法》（HJ 618－2011）的要求將溫濕度控制在相同的環境中。

（2）樣品濾膜上顆粒物樣品重量越大，兩極值點濕度條件下的增量反而越小。

（3）PM2.5樣品濾膜增重與樣品量線性關系的絕對斜率略大于PM10，一是由于細顆粒物對濾膜超微孔的阻塞更有效，其提供的承載面積更大；二是與顆粒物中水溶性組分的比例有關。

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