光散射法揚塵在線監(jiān)測系統(tǒng)加熱除濕的條件研究

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揚塵監(jiān)測的實踐中發(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塵在線監(jiān)測數(shù)據(jù)看，夜間環(huán)境濕度與揚塵監(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揚塵在線監(jiān)測系統(tǒng)采用不同加熱裝置的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行研究分析，以形成一套經(jīng)濟可行的加熱系統(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)試驗確定（采樣地點為徐匯區(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，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）進行驗證才能確定。針對這一建議課題組做了相關(guān)實驗。

(1) 儀器和耗材。空氣采樣儀（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（天津市凱隆達儀器儀表，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。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）。采樣地點位于上海市徐匯區(qū)某工地內(nèi)，采樣期間進行儀器測定的防護工作，避免雨、雪、大風(fēng)等不良氣象條件對儀器的影響[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)場同一測定點和同一高度，進行平行采樣，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；光散射法儀器對揚塵濃度實施測量后，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，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，需再次進行平衡并稱量，直至恒重。使用公式：揚塵質(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）來計算采樣當(dāng)次采樣的揚塵平均質(zhì)量濃度。

將每次采樣期間的光散射法測定的揚塵平均質(zhì)量濃度與濾膜稱重法測定的揚塵平均質(zhì)量濃度進行比較，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塵濃度的影響。

冬季比對試驗預(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) 試驗結(jié)果。從上述試驗來看（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)濟性和實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，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，也對揚塵在線監(jiān)測濃度影響最小。