空氣中小直徑污染物監測方法研究

郎鵬凱

(山西省煤炭建設監理有限公司，山西 太原 030000)

引 言

隨著工業化進程的不斷發展，大氣內各種懸浮顆粒種類和數量的不斷增加是導致全球大氣污染不斷加劇的罪魁禍首，空氣中懸浮顆粒根據直徑的不同可分為總懸浮顆粒物、可吸入顆粒物、細顆粒物、可入肺顆粒物。總懸浮顆粒物的直徑一般小于100 μm，通常為含有多種毒性的污染物，是大氣污染的關鍵。可吸入顆粒物的直徑一般小于10 μm，細顆粒物的直徑一般小于2.5 μm，可以直接損傷生物的呼吸系統，可入肺顆粒物的直徑一般小于0.1 μm，長期吸入后會損傷生物的肺部，導致出現生命危險。由于各類懸浮顆粒的直徑小、直徑跨度大，依據傳統利用顆粒采樣器進行懸浮物收集、稱重、分選鑒定的監測方案監測效率低、精度差，無法滿足越來越高的環境監測需求[1]。本文提出了采用濾膜及實時監測大氣顆粒物采樣器對大氣污染物情況進行監測的方案，在對各類濾膜的最佳應用范圍進行分析的基礎上，對不同直徑范圍污染物收集濾膜的應用情況進行總結，根據分析表明采用濾膜及實時監測大氣顆粒物采樣器的方案具有采集準確性高、速度快的優點，能夠顯著提升大氣污染物的監測精度和效率。

1 大氣濾膜應用分析

目前通用的大氣濾膜主要包括玻璃纖維濾膜、石英纖維濾膜以及特氟龍濾膜[2]，各類別的濾膜具有不同的特性和應用范圍，具體統計如下。

玻璃纖維濾膜，該濾膜為不透明的白色外觀，含有硅、鋁等多種金屬元素，在熔態下織絲而成，能夠承受最高500 ℃的溫度，可以在高溫高濕的環境中工作，在收集時的氣體阻力比較低，能承載的大氣污染物顆粒密度大，因此主要用在低空氣流速度相對較大，污染物顆粒密集的區域。玻璃纖維膜的孔徑在0.6 μm～2.6 μm，涵蓋范圍廣，在使用時通常將多組不同孔徑的濾膜進行疊加，從前到后濾膜孔徑逐漸降低，從而實現對氣流中不同直徑污染物的全面采集，濾膜結構如圖1a)所示。

圖1 不同濾膜結構示意圖

石英纖維濾膜，該濾膜同樣為不透明的白色外觀，濾膜材質相對較脆，受力時易開裂。該濾膜對各種小直徑污染物的吸附能力強，但對空氣濕度較為敏感，不宜使用在潮濕環境中。由于含有多種金屬元素，在收集小直徑污染物時容易出現氧化反應，因此不宜對空氣中金屬小直徑污染物進行測量，常用于干燥環境下對空氣中的含碳小直徑污染物含量的收集。石英纖維濾膜的主要成分為二氧化硅，能夠適應酸性環境下的氣體污染物的收集，其中2.2 μm的濾膜應用范圍最廣，主要對PM2.5和PM10類別的污染物進行收集和含量分析。濾膜結構如圖1b)所示。

特氟龍濾膜，該濾膜為近似透明的外觀，濾膜材質韌性強、質地密集，收集空氣中的小直徑污染物時的阻力大但對污染物顆粒的采集速度快。濾膜基材為炭基材，因此不適合對空氣中的含碳污染物進行收集分析，該濾膜無法吸收氣體，只能用于過濾，不適宜應用在潮濕的環境中，主要用于對空氣中的金屬小直徑污染物進行測定。特氟龍濾膜具有穩定性好、成本低的優點，使用范圍較廣，濾膜孔徑種類多樣，基本可以涵蓋全部類型空氣污染物的直徑范圍。濾膜結構如圖1c)所示。

2 大氣顆粒物采樣器

隨著科技水平的發展，對大氣顆粒物采樣的自動化、智能化需求不斷提升，目前常用的智能化采樣器包括ME5701型綜合采樣設備、TH-3150大氣綜合采樣器以及MHY-27819型大氣綜合采樣器，其中ME5701型綜合采樣設備能夠使用電腦對采樣時的大氣流量、氣流方向進行精確控制，具有大流量、低噪聲的特點。TH-3150大氣綜合采樣器能夠同時進行四路大氣流量采樣收集，通過微孔恒流和反饋紊流相結合的方式實現對大氣小直徑污染物的精確收集和分析。MHY-27819型大氣綜合采樣器采用了工業級的電子恒溫控制技術，能夠將收集的污染物顆?？刂圃诤銣氐臓顟B，滿足精確分析的需求。

大氣顆粒物采樣器根據流量的不同分為不同等級，大流量采樣器主要用于污染物濃度高、氣流速度快的地方，中流量采樣器則主要用于污染物濃度相對較低、氣流速度相對較慢的區域。大氣顆粒物采樣器能夠在確定的位置進行持續的大氣污染物收集，對收集的污染物進行自動分析，確定污染物成分和含量。將監測結果傳輸到控制中心，實現對大氣污染的自動監測。大氣顆粒物采樣器結構如圖2所示[3]。

圖2 大氣顆粒物采樣器結構示意圖

3 濾膜及采樣器應用范圍分析

大氣環境監測是一個非常復雜的過程，監測過程中受影響因素多，因此單一的大氣采樣方式無法滿足大氣監測精確性的需求。在對濾膜進行選擇時需要根據監測需求選用不同的濾膜材質和孔徑，否則將對監測結果產生巨大的影響。石英纖維濾膜由于含有大量的硅元素及其他雜質元素，分子組成和大氣污染物的的分子組成重合度高，因此無法對重金屬污染粒子含量進行測定。玻璃纖維濾膜則由于價格相對較高，使用時需多組相互疊加才能獲取較為全面的結果，操作復雜，分析效率低下，在實際的大氣污染物收集中使用受到了較大限制。特氟龍濾膜則兼具穩定性好、精確度高、成本低廉的特點，在環境濕度為55%～65%的情況下，特氟龍濾膜的測試結果精確度最高[4]。

大氣顆粒物采樣器主要用于重點區域的在線實時監測，但由于該類別設備的測試精度受風向、溫度、濕度影響較大，因此只能對監測區域內的環境情況進行一個粗略的估計，無法滿足精確監測的需求。在實際使用中通常先利用大氣顆粒采樣器對區域內的環境進行連續監測，當空氣值出現異常時，根據監測結果合理的選擇特氟龍濾膜或者玻璃纖維濾膜進行補充監測，從而精確分析出大氣內小直徑污染物的類別、含量，為大氣環境預報和治理提供依據。

4 結論

針對空氣中小直徑污染物類多、收集困難的、測試精確性差、效率低，無法滿足大氣監測需求的現狀，在對不同的濾膜和大氣顆粒物采樣器特性和應用范圍進行分析的基礎上，提出采用大氣顆粒物采樣器實時在線監測和濾膜補充精確監測相結合的方案，有效提升了大氣內小直徑污染物顆粒的監測精度和效率，根據實際分析表明：

1) 通用的大氣濾膜主要包括玻璃纖維濾膜、石英纖維濾膜以及特氟龍濾膜，特氟龍濾膜則兼具穩定性好、精確度高、成本低廉的特點，應用最為廣泛。

2) 氣顆粒物采樣器能夠實現自動連續監測，但測試精度受風向、溫度、濕度影響較大，因此只能對監測區域內的環境情況進行一個粗略估計。

3) 采用大氣顆粒物采樣器實時在線監測和濾膜補充精確監測相結合的方案，能夠在進行連續監測的基礎上進行重點分析，為大氣環境預報和治理提供依據。