大氣顆粒物理化特性在線監(jiān)測技術研究

劉震

【摘 要】經濟發(fā)展速度過快，造成了產業(yè)結構不合理，一些污染的防治也處于初級階段，環(huán)境質量不太樂觀，大氣污染仍然較為嚴重。大氣顆粒物理化特性的在線監(jiān)測能根據國家環(huán)境空氣質量的標準發(fā)布空氣狀況，也能掌握大氣顆粒物的特點。論文闡述了常見的集中大氣顆粒物理化特性在線監(jiān)測技術，為后續(xù)大氣污染的控制工作提供必要的參考。

【Abstract】The speed of economic development is too high， resulting in irrational industrial structure， and some prevention and control of pollution is also in the initial stage， the quality of the environment is not optimistic， the air pollution is still relatively serious. The on-line monitoring of the physical characteristics of atmospheric particles can release air conditions according to the national standard of ambient air quality， and also can grasp the characteristics of atmospheric particulates. This paper expounds the common on-line monitoring technique of the physical characteristics of concentrated atmospheric particles， which provides the necessary reference for the control of atmospheric pollution in the future.

【關鍵詞】大氣顆粒物；質量濃度；化學組成；在線監(jiān)測

【Keywords】atmospheric particulates； mass concentration； chemical composition； on-line monitoring

【中圖分類號】P414 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）07-0136-02

1 粒徑切割與分級技術

常見的粒徑包括了空氣動力學粒徑、遷移粒徑和光學粒徑。在離心力原理的指導下，借助旋風分離器切割顆粒物，顆粒粒徑的沖擊慣性不同，在沖擊原理的指導下，得到不同切割粒徑的顆粒物，最后通過電遷移粒徑篩分儀。粒徑的電遷移性和氣體性質、電荷、尺寸等相關，不過和密度這一參數無關，在層流影響下，能篩選不同粒徑的顆粒物，這一方式主要在超細顆粒物離線采樣中加以應用。在一定的波長激光影響下，顆粒物的屬性有所不同，反演得到顆粒物的粒徑，對其進行篩分，確定粒徑的分布，這也是分級技術的體現。

2 物理特性在線監(jiān)測技術

2.1 質量濃度

微震蕩天平法借助微量震蕩天平原理，讓錐形元件在特定流量環(huán)境下震蕩，分析其物理特性和各項質量參數。通過采樣泵和質量流量計讓流量恒定，在固定時間間隔內測量震蕩頻率，能計算相應的顆粒物含量，確定顆粒物濃度。這種方式的準確性會受到多種因素的影響，在具體使用的時候，需要借助補償模塊，補償易揮發(fā)顆粒物組分質量。

β射線法能借助β射線測量顆粒物的質量濃度，通過顆粒物時β射線會被吸收掉，在能量不變的前提下，被吸收的β射線量就是顆粒物的質量。在測量過程中，借助切割器，negative將顆粒物集中在濾膜上，測量β射線的透過強度，計算空氣中顆粒物質量濃度。β射線屬于低能射線，安全性能較高，而且半衰期時間較長，穩(wěn)定性較好。

光散射法測量質量是在微粒散射的基礎上進行測量的，光在通過顆粒物的過程中，會展現出光能衰減的狀態(tài)，這樣就可以衡量光波長或者顆粒的質量。光散射法的光源較多，在切割器的配合下，可以測量可吸入顆粒物和細顆粒物濃度。

2.2 數濃度

借助空氣動力學顆粒物數譜儀可以加速氣溶膠的采樣氣流，不同粒徑的顆粒在慣性的作用下產生的加速度，通過檢測器的時間也會有細微的差別，通過測量這一差別，與顆粒物的粒徑進行對應，確定大氣顆粒物濃度，目前我國的精密機械研究所也研究出了此類儀器，逐漸投入使用。

顆粒物光學計數器主要是測量單個顆粒物，通過散射光線數量確定粒徑大小，光線轉化為電信號，確定顆粒物的尺寸分布，利用這種方式能監(jiān)測大氣顆粒物的粒徑和數濃度。測量過程中，大氣顆粒物的光學性質直接影響到測量結果，目前我國已經研發(fā)出了相應的光學粒子計數器。

顆粒物凝結計數器能監(jiān)測特定粒徑范圍內的所有大氣顆粒物數濃度，大氣顆粒物通過蒸汽云霧室后進入到冷凝室，在短時間內顆粒物迅速生長，能被激光檢測出來，通過激光束脈沖就可以測量大氣顆粒物的個數，由于冷凝液的溫度控制較為困難，以致操作過程變得更加復雜。

法拉第筒靜電顆粒物計數器能讓粒徑在分級后進入法拉第筒內，然后進行計數處理，這一方法并不需要控制溫度，也不會受到大氣顆粒物的粒徑限制，只會受到篩分儀的影響。

2.3 吸濕性和揮發(fā)性

吸濕性和揮發(fā)性的在線監(jiān)測可以測量特定狀態(tài)下氣溶膠性質，在不同濕度下的增長情況、揮發(fā)性。大氣顆粒物樣品首先經過篩選，在濕化器中長大，顆粒物發(fā)生潮解，然后進行分級處理，展現不同的吸濕性。這一系統(tǒng)流量和相對濕度會在傳感器的調解下保持穩(wěn)定。

3 化學組分在線測量技術

3.1 直接測量

借助陰陽離子色譜進行在線分析，樣品進入到監(jiān)測裝置之前，分離酸堿性的氣態(tài)污染物，然后進行擴散分離，氣體分子和顆粒物本身的慣性和擴散性都有著較大的差異，氣溶膠會被液化收集起來，然后得到大氣顆粒物的濃度。這一方式在在線監(jiān)測中不僅可以監(jiān)測大氣顆粒物的濃度，也能監(jiān)測其他污染氣體濃度，監(jiān)測效果較好。

光熱法測量碳含量，將大氣顆粒物樣品采集之后，借助石英濾膜來讓其升溫揮發(fā)，然后在混合環(huán)境中升溫處理，之后分解為氣態(tài)氧化物，收集定量監(jiān)測，光的強度發(fā)生變化，透射光也會相應改變。

在氣溶膠光吸收特性不同的基礎上，借助炭黑監(jiān)測儀中的光度計，來測量反射效果，確定顆粒物對光的吸收和散射狀態(tài)。充分考慮發(fā)射遷移理論，顆粒物氣溶膠內部會發(fā)生多級反射，確定最終濃度。同樣也可以通過激光、白熾光等方式，強光照射炭黑升溫，然后發(fā)光，顆粒物通過其中，計算光頻率、強度、散射等多種參數，最終確定大氣顆粒物濃度。

在線質譜儀是對大氣顆粒物進行監(jiān)測的重要方式，借助氣溶膠質譜儀將大氣顆粒物進行聚焦處理，成為粒子束，進入到高真空艙，泵的流速不同，在特定的條件下，可以發(fā)揮其揮發(fā)性，然后在高能電子的作用下改變狀態(tài)，從而根據其質譜分析化學成分。在空氣動力學的指導下，粒徑通過顆粒物的時間不同，相應的化學組成成分也會有所差別，一般都可以對大氣顆粒物進行在線監(jiān)測，測量顆粒物的化學成分。通過實踐應用效果也可以看出，這一技術能將大氣顆粒物進行沉降、熱分解、碰撞等多方面處理，借助質譜來分析顆粒物的成分，分級之后也能更容易量出濃度，時間分辨率較高。

3.2 間接推測

分析大氣顆粒物本身的理化特性，包括吸濕性、揮發(fā)性、增長因子等，能間接推斷出細顆粒物的化學組成。根據大氣顆粒物樣本的增長因子與實驗室中標準數值進行對比分析，確定大氣顆粒物的化學成分。

3.3 單顆粒理化特性監(jiān)測

單顆粒理化特性在線檢測主要是在單顆粒飛行時間質譜的指導下，借助空氣力學理論，雙光束照射氣溶膠，確定大氣顆粒物濃度，然后利用質譜原理確定顆粒物的分子組成和分子量。借助這一方式，也生產了相關的儀器，實現了商業(yè)化運作。

單顆粒炭黑光度計能測量顆粒物中的炭黑質量濃度和粒徑分布，借助強光照射升溫汽化，發(fā)生白熾光，然后分析輻射強度，確定炭黑含量，最終得到炭黑濃度，這一方式測量的大氣顆粒物濃度，靈敏度較高，測量結果準確，而且監(jiān)測速度較快。

4 結語

綜上所述，監(jiān)測大氣顆粒物的理化特性，能更好地測量大氣顆粒物濃度，以便能針對性地制定相應的控制手段緩解環(huán)境問題。目前國際中常用的是光散射法和β射線法相結合來在線監(jiān)測大氣顆粒物濃度。國內對數濃度及其粒徑譜分布監(jiān)測還處于初期發(fā)展階段，個別單位研發(fā)的設備得到了較好的科技成果，但是還沒有推廣。發(fā)展前景較好的方式為在線離子譜測量，技術較為成熟，可以實現商業(yè)化生產。

【參考文獻】

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