微量振蕩天平法與β射線法測量PM10濃度的差異研究

陳 祥，龔卓成

(1.咸寧市環(huán)境保護監(jiān)測站，湖北 咸寧 437100；2.湖北省公信檢測服務(wù)有限公司，湖北 咸寧 437100)

1 引言

微量振蕩天平法和β射線法都是國家認可的用于連續(xù)自動測量環(huán)境空氣中顆粒物(PM10和PM2.5)濃度的兩種標準方法，其中微量振蕩天平法分為兩種情況，一是微量振蕩天平法(未加補償)，二是微量振蕩天平法+FDMS補償(Film dynamic measurement system，膜動態(tài)測量系統(tǒng))；β射線法分為3種情況，一是β射線法(未加補償)，二是β射線法+DHS補償(動態(tài)加熱系統(tǒng)，Dynamic heating system)，三是β射線法+DHS聯(lián)用光散射補償。目前，國家要求測量PM2.5(細顆粒物)的儀器必須加補償，而對測量PM10的儀器未做要求，由于在不加補償?shù)那闆r下，微量振蕩天平法和β射線法測量PM10濃度時差異較大，為詳細了解，本文試圖通過一個月的比對實驗說明其具體差異情況。

2 方法原理

微量振蕩天平方法的儀器是基于石英振蕩桿上的膜片負重改變而導(dǎo)致振蕩頻率變化的原理來測量顆粒物的質(zhì)量濃度。正常情況下采樣的顆粒物在膜片上是逐漸增加以及振蕩頻率變慢的變化過程，由膜片稱重增量反映相關(guān)頻率的降低變化與采樣流量即可計算獲得相應(yīng)采樣時段內(nèi)的顆粒物濃度。

β射線方法的儀器是根據(jù)顆粒物對碳-14釋放的β射線的吸收幅度進行分析[1]，顆粒物采樣在濾紙帶表面后，蓋革計數(shù)器通過測量采樣前后的β射線強度變化來計算吸附的顆粒物的濃度。正常情況下采樣的顆粒物在濾紙上是逐漸增加以及β射線的吸收幅度增加的變化過程，由濾紙稱重增量反映β射線強度的降低變化與采樣流量即可計算獲得相應(yīng)采樣時段內(nèi)的顆粒物濃度[2,3]。

3 實驗情況

3.1 基本情況

比對實驗所用振蕩天平法PM10監(jiān)測儀為賽默飛世爾科技有限公司的TEOM1405環(huán)境顆粒物監(jiān)測儀，β射線法PM10監(jiān)測儀為武漢天虹環(huán)保產(chǎn)業(yè)股份有限公司的TH-2000 環(huán)境顆粒物監(jiān)測儀，其主要性能指標見表1。比對實驗的場所位于咸安區(qū)環(huán)保局樓頂，比對實驗日期為2017年11月9日至12月16日，其中有效天數(shù)為31 d。

表1 兩種PM10監(jiān)測儀的主要性能指標

3.2 質(zhì)量控制與質(zhì)量保證情況

為確保實驗儀器處于受控狀態(tài)，每日檢查振蕩天平法PM10監(jiān)測儀和β射線法PM10監(jiān)測儀的溫度測量示值誤差、大氣壓測量示值誤差和采樣流量，比對實驗開始和結(jié)束時用標膜對振蕩天平法PM10監(jiān)測儀進行KO檢查，對β射線法PM10監(jiān)測儀進行校準膜重現(xiàn)性檢查，確保PM10監(jiān)測儀性能指標滿足表2的要求，KO檢查結(jié)果和校準膜重現(xiàn)性結(jié)果見表3和表4。

3.3 數(shù)據(jù)情況

(1)兩種方法存在明顯的相關(guān)性，PM10小時值變化趨勢比較一致，振蕩天平法測量PM10濃度值比β射線法測量PM10濃度值明顯偏低。

表2 PM10監(jiān)測儀的性能指標要求

表3 TH-2000PM10監(jiān)測儀校準膜重現(xiàn)性檢查

表4 TEOM1405 PM10監(jiān)測儀KO檢查

(2)振蕩天平法測量PM10濃度值時出現(xiàn)了小時值為負值的情況，監(jiān)測的744 h(31 d)中負值小時數(shù)為18 h，占比為2.4%，而β射線法測量PM10濃度值未出現(xiàn)負值現(xiàn)象(圖1)。

圖1 實驗期間PM10小時值變化趨勢

4 結(jié)論

(1)兩種方法存在明顯的相關(guān)性，PM10日均值變化趨勢比較一致，微量振蕩天平法比β射線法測量結(jié)果偏低。原因是振蕩天平法測量PM10時采樣膜處于50℃的工作環(huán)境中，這樣會造成揮發(fā)性和半揮發(fā)性顆粒物的損失，而這種損失又沒有加裝FDMS(膜動態(tài)測量系統(tǒng))補償，實驗過程中未發(fā)現(xiàn)β射線法顆粒物濃度損失的情況。

(2)微量振蕩天平法測量PM10時出現(xiàn)了小時值為負值的現(xiàn)象，而β射線法測量PM10時未出現(xiàn)負值的現(xiàn)象。通過調(diào)閱同時段氣象數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)負值時室外都處于高濕度或者濕度從高到低急劇變化情況下，說明振蕩天平法測量PM10出現(xiàn)負值現(xiàn)象與環(huán)境濕度有關(guān)。原因是振蕩天平方法存在膜片稱重必須是顆粒物逐小時增加的技術(shù)制約，而當空氣中的相對濕度處于很高水平或從很高水平急劇下降到低值時，由于稱重膜上的顆粒物的水分會迅速揮發(fā)，導(dǎo)致膜片重量較揮發(fā)前變輕，振蕩頻率變快，即會出現(xiàn)負值；而β射線法測量PM10時一個小時值就移動一個濾紙帶的采樣位置，這樣顆粒物重量在濾紙上總是增加的過程，不容易出現(xiàn)負值。