煙氣顆粒物大氣污染源有害成分采樣分組分析

陳琰

摘要：針對煙氣顆粒物大氣污染問題，文章采用污染物采樣分組及化學分析的方法來確定大氣中污染源的主要成分。分組采樣中基于多層分離器采樣方式，并通過調整溫度、度等指標參數，確保制備實驗的檢測精度;煙氣顆粒物化學成分的分析過程主要包括水溶性成分的確定、有機碳元素和其他微量元素的測定、多環芳烴有害物質成分的鑒定等，通過分組分析和化學檢驗可以精確確定出顆粒污染物中的成分，便于采取有針對性的應對措施。

關鍵詞：煙氣顆粒物;大氣污染;有害成分;分組檢測;化學分析

中圖分類號：X773? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

煙氣顆粒物是大氣污染的主要成分之一，顆粒物粒子的大小[1-2]、成分及狀態決定環境污染的特征與嚴重程度。大氣中煙氣顆粒物主要來源于煤炭、石油等能源的燃燒和排放，不同粒徑的煙氣污染物對環境造成的污染截然不同，絕大多數有害化合物及有害元素都集中于小顆粒[3-4]。小顆粒對人類呼吸系統造成的不利影響更大。在污染較為嚴重的城市地區，有機物一般占PM2.5的60%以上，遠遠高于城鎮地區和廣大農村地區，因為城市地區的人口密度高、高排放的工廠數量較多、機動車數量較大，導致城市地區成為煙氣顆粒物大氣污染源的集中地[5-6]。城市煙氣顆粒物中的有機污染物無處不在，對大氣環境造成了嚴重、持久的污染，精確測量大氣中煙氣顆粒物污染源成分、組成、濃度等指標，對于治理城市煙氣顆粒物大氣污染意義重大，能夠進一步有針對性地開展治理工作，改善城市的居住環境。

1 煙氣顆粒污染物采樣分組

現有的煙氣顆粒物的采樣方法主要包括多層分離器采樣、旋轉分離器采樣、激光實時監控、聲學測定方法及散射測定方法等。其中多層分離采樣使用帶有不同孔徑的金屬層對不同大小的顆粒物分層處理，該種方法操作簡單，直徑超過篩孔的顆粒物被攔截下來，但該種方法的容器設備容易被腐蝕，分組和分類的精度也有待提高;旋轉分離器利用旋轉過程中產生的離心力，來過濾不同直徑的顆粒物，該種方法適用于污染濃度較高的場景，而且在旋轉過程中顆粒物與容器內壁碰撞，容易破碎，導致測量誤差值升高;激光實時監控更適用于直徑較小的顆粒物，且該種采樣方案的成本較高;聲學測定和散射測定方面都采用電能轉換的方式，確定顆粒物粒子的特征。但上述兩種方案的應用場景較少，多集中于專業實驗室的測量，且同樣具有采樣、測量成本過高的弊端。

文章采用多層分離器采樣的采樣方式，但對采樣器的材質和結構進行了重新設計，采用抗腐蝕的鍍鉻過濾網和更精密的分層結構，來提高煙氣顆粒物分類精度和分類效果。當含塵氣體進入分離器后，按照順序逐層讓氣體通過噴孔，不同直徑的顆粒物分別被捕集到專用的捕集板上。煙氣顆粒物采樣分組還要用到煙氣物測試儀，文章采用德國進口的3015H型設備，該設備具有自動化跟蹤采樣的功能，具有操作簡單、采樣精度高和適應性強的特點。3015H型煙氣污染測試儀，配備了測量干濕兩種氣體的功能，還可以測量、等有毒有害的氣體。3015H型煙氣物測試儀內置了STM32型單片機，具有恢復采樣的功能，即使在測試中出現斷電的情況，也不會影響最終的測試效果，該設備的工作條件如表1所示。

采樣分組的過程如下：將采集到的煙氣樣本通過采樣管和采樣孔輸入到設備當中，將進氣門放置到測量區域。觀測氣流方向和大小，按設備的容積和實驗的要求勻速采樣，煙塵氣體采樣過程中必須保證所抽取的一定量的含塵氣體濃度均勻。按照氣體捕集裝置內的煙塵總體質量，以及所抽取到的壓縮氣體體積，計算出樣本煙塵氣體內所包含的顆粒物濃度和總量。3015H型設備的內部安裝了溫度、濕度傳感器，煙氣測試儀內部內置的微處理器，控制系統根據各種傳感器檢測到的靜壓、動壓、溫度及含濕量等各種系統參數，并通過內置的微傳感器計算出煙氣流速、等速跟蹤流量。被分組后，煙氣顆粒物測控系統還可以將實驗氣體流量與真實的氣體流量傳感器檢測數值結果重新比對，感知系統相應電信號。控制電路調整抽氣泵的抽氣能力，使實際流量與計算的采樣流量相等。同時系統內部內置的微處理器用檢測到的當前系統流量信息，結合溫度信息、濕度信息和壓力信息，自動化地將系統真實得到的氣體采樣體積換算為標況大氣壓狀態下的采樣體積。STM32型單片機具有強大的數據處理功能，在煙氣顆粒物大氣含濕度的測量方面，首先將采樣管置于煙道之中，抽取含有? ? ?的煙氣顆粒物大氣，空氣過剩系數可以表示為：

在煙氣顆粒物質量的測定方面，文章采用了經典的過濾計重法，從采樣儀器中抽取不同種類的煙氣顆粒物，再利用內置的濾膜裝置捕集全部樣本。煙氣的濃度、流量等指標都可以通過過濾計重法測得最后的結果。這種煙氣顆粒物測定方法的優勢還在于，能夠準確地分辨出采樣部分煙氣顆粒物樣本，顯示出整個煙道的顆粒物分布情況。煙氣顆粒物樣本在采樣設備中的分布濃度相同，且根據顆粒物的直徑大小呈現有規律的變化，通過選擇正確的采樣位置和采樣數量，更有利于后續實現的成分化學分析。煙氣顆粒物樣本的采樣速度、設備溫度、壓力、濕度等指標因素，會影響到最終的采樣效果與顆粒物的分類效果。在分組采樣中結合氣體采樣口的直徑大小，調整不同參數組合模式，盡量保證采樣過程平穩。等速采樣的精度更好，依據顆粒物直徑的大小準確計算出氣體樣本的流量和流速，然后再根據煙氣顆粒物流量采樣的結果分組，不會對氣體顆粒物的質量造成損耗。在每次分組采樣之前還應根據測試煙氣成分的總體要求，調整煙氣管道的直徑、氣體溫度、濕量等指標，當氣體成分變化對采樣精度影響不大的情況下，可以根據實驗要求適度簡化調整測定項目和等速流量的指標值。

2 煙氣顆粒物化學成分分析

2.1 水溶性成分測定

煙氣顆粒物水溶性成分檢驗的溶劑采用沒有任何雜質的超存水，具體的操作步驟如下：（1）在采樣膜上選擇15mm的圓形膜片放入稱量瓶內，加入20ml超純水，保持合適的電阻率。使用高精度超聲波清洗機提存，時間約5min，使用直徑為5微孔過濾頭提存樣本同時再向容器內加入5ml的超純水，最后將混合后的溶液置于冷藏環境下穩定2小時。選用DX500型離子色譜儀即可觀測出煙氣顆粒物水溶性樣本中的各種有害離子成分。

2.2 有機碳元素及其他微量元素的測定

煙氣顆粒物中有機碳元素的測定，選用美國進口的光碳分析儀，該設備的檢測精度可以達到0.15-0.82μgcm2，能夠精確地檢測出煙氣顆粒物中所包含的有機碳成分。煙氣顆粒物污染源中除了包含有機碳污染物之外，還包括多種其他對人體有害的微量元素。檢驗時取出15mm的圓形膜片，并在消解管中加入5mm濃度為60%的硝酸溶液和1mm濃度為20的過氧化氫溶液，消解過程的參數設置如表2所示。

恒溫保溫3小時后將溶液取出，并搖勻后靜止，將此溶液作為測試溶液，即可以檢測中煙氣顆粒物中的各種有害微量元素成分。

2.3 多環芳烴有害物檢測

多環芳烴是由兩個或兩個以上的苯環連接構成，外在表現為無色或黃綠色的固體物，多環芳烴是煙氣顆粒污染物的主要成分之一，占PM2.5顆粒物的10%-40%。多環芳烴顆粒污染物主要來源于工廠的排放和汽車尾氣的排放，可以直接吸附在較大的顆粒物表面，影響人類的健康。多環芳烴物質是一種高強度的致癌、致畸變物質，毒性很強，煙氣顆粒物中所包含的主要多環芳烴物質如表3。

從煙氣顆粒物成分中分級采集得到污染物樣品，檢測分析時采用德國進口的氣相色譜儀分析大氣顆粒污染物中包含的多環芳烴物質的種類及含量。檢驗前需要對樣品做提純和預處理，去除水分、碳元素和其他的微量元素。經過制備和提純的樣品吸附在設備的濾膜上，利用分離設備得到污染物的多環芳烴部分。樣品預處理是指按照儀器的要求將前面分離出來的多環芳烴轉換成實驗過程中能夠檢測的形式，再將固化后的樣品轉換成離子形態。多環芳烴大氣顆粒污染物檢測需要用到的設備如表4所示。

檢測分析過程中用到的試劑包括層析硅膠、無水乙醇等，各種試劑在使用前還需要蒸餾提純。在實驗中取少量煙氣顆粒物樣本置于容器中檢驗，加入二氯甲烷并保證每小時回流5-6次。啟動溫水浴鍋調整水溫至40度，待水平面和溶液平面相同時，調整裝置的轉速。最后采用層析分離的方法提存得到多環芳烴的固體物，用天平稱重得到各種污染物的質量。

3 結語

煙氣顆粒物是大氣污染中的主要成分之一，對人體的危害極大，采取有針對性的治理措施之前首先要分析大氣中煙氣顆粒物的主要成分。文章采用制備實驗的方式分組分析了大氣中煙氣顆粒物所包含的主要有害物質成分，分組分析及化學檢驗的方式能夠更準確地確定污染物的成分及危害程度。

（責任編輯：陳之曦）

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