固定污染源廢氣低濃度顆粒物的測定中β射線法與重量法對比分析

李金瑩 樊曉翠 焉 峰 謝元壯 邢 志 許愛華 楊中元

(1.青島明華電子儀器有限公司，青島 266000；2.泰安市計量科學(xué)研究所，泰安 271000；3.山東省計量科學(xué)研究院，濟南 250014；4.山東省社會公正計量行，濟南 250014)

1 引言

目前低濃度顆粒物監(jiān)測分析方法是《固定污染源廢氣 低濃度顆粒物的測定 重量法》(HJ 836-2017)，該標(biāo)準(zhǔn)方法基于重量法，存在以下幾點問題：1)時效性低、周期長：現(xiàn)場采樣時間長，采樣完成后還需進行實驗室分析；2)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度較差：尤其在脫硫后管道內(nèi)出現(xiàn)顆粒物濃度低、溫度低、濕度高的“二低一高”狀況時，越來越多的暴露出了數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度較差的情況；3)平行性差：在現(xiàn)場采樣質(zhì)控環(huán)節(jié)、樣品保存及運輸環(huán)節(jié)、烘干平衡稱重分析環(huán)節(jié)等過程中，不可避免的會引入人為誤差；4)過程繁瑣，費時費力：采樣前后均需要烘干、平衡濾膜或濾筒，工作過程相對繁瑣。因此，可實時快速定量出結(jié)果的顆粒物直讀方法(β射線法)成為污染源廢氣顆粒物現(xiàn)場執(zhí)法和在線分析儀比對溯源的重要手段。

β射線法原理將具有加熱功能的顆粒物組合式采樣管由采樣孔插入煙道中，利用等速采樣原理抽取一定量的含顆粒物的廢氣，采用煙道外過濾的方式，顆粒物被截留在濾膜上。用β射線照射濾膜，根據(jù)采樣前后單位面積的濾膜上β射線衰減量得出濾膜上捕集的顆粒物質(zhì)量和同時抽取的廢氣體積，計算出顆粒物的濃度[1]。目前β射線法污染源顆粒物直讀測試儀具有檢出限低、重復(fù)性高、響應(yīng)時間快、數(shù)據(jù)可靠和現(xiàn)場適應(yīng)性強等優(yōu)點。

本文針對低濃度顆粒物的監(jiān)測，在實驗室采樣過程中同時采用β射線法與重量法原理的儀器進行檢測采樣，將測量結(jié)果線性回歸、準(zhǔn)確度、重復(fù)性等方面展開對比分析。

2 材料與方法

2.1 儀器

兩臺MH3300型煙氣煙塵顆粒物濃度測試儀(青島明華電子儀器有限公司)；MH3091型煙塵采樣測試探頭(青島明華電子儀器有限公司)；MH3090T型低濃度煙塵采樣管(青島明華電子儀器有限公司)；低濃度粉塵儀(張家港朗億機電設(shè)備有限公司)；恒溫恒濕箱(上海增達科技股份有限公司)；天平(賽多利斯科學(xué)儀器(北京)有限公司)，烘箱(上海博訊實業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠)。

2.2 采樣與測定

采樣布點選擇在實驗室低濃度粉塵儀檢定裝置的兩個平行采樣口上，采樣時間依據(jù)標(biāo)干采樣體積不小于1m3計算，采集4組不同濃度的顆粒物，每個濃度點采3次。將MH3300型煙氣煙塵顆粒物濃度測試儀分別配置MH3091型煙塵采樣測試探頭與MH3090T型低濃度煙塵采樣管同時進行采樣，用等速采樣法抽取粉塵儀檢定裝置發(fā)生的顆粒物[2]，其中，重量法煙槍將顆粒物捕集在采樣頭上，待采樣結(jié)束后，將采樣頭放入靜電密封袋內(nèi)，再放入樣品箱；然后回實驗室進行清洗、烘烤、平衡、稱重，最后計算顆粒物濃度[3]。

2.3 方法對比分析

試驗通過低濃度粉塵儀檢定裝置發(fā)生4組不同濃度的顆粒物，顆粒物濃度分別發(fā)生4mg/m3、10mg/m3、25 mg/m3、40mg/m3。其中，每組濃度進行3次采樣，測量位置為低濃度粉塵儀檢定裝置的兩個平行采樣口，重量法測量樣品總數(shù)為12個，具體數(shù)據(jù)如表1～表4所示。

表1 兩種方法測量4mg/m3濃度對照表

表2 兩種方法測量10mg/m3濃度對照表

表3 兩種方法測量25mg/m3濃度對照表

表4 兩種方法測量40mg/m3濃度對照表

2.3.1線性回歸分析

表5 兩種方法測量平均值

然后按公式(1)計算回歸曲線的相關(guān)系數(shù)r[4]。

(1)

式中：r-比對測試回歸曲線相關(guān)系數(shù)；

j-計算平均值時，j取3；

根據(jù)公式計算得出β射線法與重量法的相關(guān)系數(shù)r>0.99(r=0.9942)，此結(jié)果證明了兩種方法所測數(shù)據(jù)的相關(guān)性高。以β射線法為數(shù)據(jù)橫軸，重量法數(shù)據(jù)為縱軸，兩種方法數(shù)據(jù)的相關(guān)性曲線如圖1所示；同理，根據(jù)公式計算得出兩種方法分別與發(fā)塵濃度的相關(guān)系數(shù)均為r>0.99，即兩種方法不僅相互之間的相關(guān)性高，而且分別與發(fā)塵濃度相關(guān)性也高，其相關(guān)性曲線如圖2所示。

圖1 β射線與重量法測量數(shù)據(jù) 線性回歸分析圖

圖2 兩種方法與發(fā)塵濃度數(shù)據(jù) 線性回歸分析圖

2.3.2準(zhǔn)確度分析

(2)

δ—相對誤差，%。

根據(jù)公式計算得出四組不同樣品濃度的準(zhǔn)確度數(shù)值，如表6所示。從表中可以看出，β射線法準(zhǔn)確度數(shù)據(jù)均小于重量法數(shù)據(jù)，即β射線法測的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度要優(yōu)于重量法。

表6 兩種方法煙塵濃度準(zhǔn)確度數(shù)值表

2.3.3重復(fù)性分析

對以上采樣測定的數(shù)據(jù)結(jié)果進行重復(fù)性分析，根據(jù)公式(3)，分別計算兩種方法測量值的重復(fù)性s[5]。

(3)

根據(jù)公式計算得出四組不同樣品濃度的準(zhǔn)確度數(shù)值，如表7所示。從表中可以看出，β射線法重復(fù)性數(shù)據(jù)均小于重量法數(shù)據(jù)，即β射線法測的數(shù)據(jù)重復(fù)性優(yōu)于重量法。

表7 兩種方法煙塵濃度重復(fù)性數(shù)值表

3 結(jié)論

通過上述內(nèi)容，對固定污染源廢氣中低濃度顆粒物測量結(jié)果進行分析可知，β射線法測量數(shù)據(jù)與重量法測量數(shù)據(jù)不僅相關(guān)性很強(線性相關(guān)系數(shù)r>99%)，而且β射線法所測量的結(jié)果準(zhǔn)確度與重復(fù)性均優(yōu)于重量法。除此之外，β射線法比重量法在實際測量過程中操作更簡潔明了；測量速度快；在避免重量法采樣前后繁瑣準(zhǔn)備工作的同時，也減少了中間操作過程中的人為誤差；可以現(xiàn)場直接顯示測量數(shù)據(jù)，提高了數(shù)據(jù)時效性；有利于應(yīng)急預(yù)警監(jiān)測和執(zhí)法監(jiān)測，并能提升環(huán)境監(jiān)管效能。